一种超声波探伤近距离缺陷定量方法的可行性研究

　　1　问题的提出

　　随着现代工业的发展和社会的进步,压力容器的应用日益广泛,大量高容量高参数高效率的临界、亚临界、超临界锅炉的出现对材料的质量也提出了进一步的要求。由断裂力学基本知识可知材料的近表面缺陷对结构材料的疲劳寿命有着明显的影响, 裂纹由近表面应力集中部位发源、扩展的可能性也远远大于材料的内部。作为应用较为广泛的超声波探伤技术目前在实际操作中对于小于声束截面的近距离缺陷却一直沿用当量试块比较法来对缺陷进行定量,当量试块比较法虽然具有定量稳妥的优点,但是由于要制取一系列的试块使得造价很高,而且在现场操作过程中要携带大量的定量试块,很不方便。所以,对固体介质中超声波声场近距离声压分布状况进行研究并力图寻求新的定量方法就显得很有必要。

　　2　理论部分

　　根据物理理论基础,在不考虑介质衰减的情况下,在液体介质中超声波近距离声场的主轴线上由于波的复杂干涉使得声压分布呈现一系列的极大值、极小值。这对探伤的近距离缺陷定量是不利的, 因为处于声压较大处的较小缺陷会有较高的回波, 而处于声压较小处的较大缺陷的回波也可能较低。这可能会引起缺陷的误判。给实际探伤的定量工作带来难题。但是,根据前人的研究表明,对于某一固定的探头,在固定的某一介质中,相对于探头固定的某一位置处的声压分布具有稳定性。因此,可以通过一定的试验装置来进行固体介质中的近距离声压分布规律研究。

　　3　主要试验及其结果分析

　　试验采用武汉汉威公司生产的HS510型数字超声波探伤仪。汕头超声仪器厂生产的2.5P20Z、 5P14Z、10P14Z普通超声波直探头。采用普通黏度的机油为耦合剂。通过制取一系列的阶梯平底孔人工缺陷试块(如图1所示)以获得声程依次为5mm、 10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、 45mm、50mm、孔径依次为 2mm、 3mm、 4mm、 6mm、 8mm、 10mm、 14mm的一系列人工缺陷,各组试块除缺陷孔径不同外,材质、尺寸均可以视为完全相同。试验过程中采用2kg压块以保证探头每次受力均匀并且尽可能使得外界条件相同。取50mm/ 2mm缺陷为灵敏度,对各人工缺陷进行测量,试验结果分别如表1、表2、表3。

　    将数据分别整理做距离——波幅曲线如图2、图3、图4所示。

　　由图可见,固体介质近距离声压分布并没有明显的出现液体介质中理论声场的声压极大值极小值现象。分析原因如下。

　　(1)理论近距离声场出现声压极大值极小值是由于波的复杂干涉造成的。推论的前提是假设波源为连续波,波源各点辐射的声波在声场的某点发生完全干涉现象。而实际声场是脉冲波,脉冲持续的时间很短,从而使声波在声场某点产生不完全干涉甚至不干涉。因此,实际超声波声场近场区声压变化并不象理论推倒的那么显著。