表面开口裂纹高度的超声无损测定

　　在役零件和焊接构件不同程度地存在着裂纹类缺陷,断裂力学研究证明,带有尖锐边缘的平面缺陷(如裂纹)危险性最大,导致的后果往往是灾难性的,同时还证明了受压零件中裂纹型缺陷距表面及其他缺陷的距离等都是关键性的尺寸,而平行于零件表面的裂纹长度是次要的。据统计,锅炉压力容器的损坏大部分是由于零件内部裂纹扩展所致,英国曾对10万个压力容器进行调查,发现由于裂纹扩展所造成的破坏占总数的89. 3%,因此对裂纹的检测和对裂纹类缺陷的高度进行精确的测量,是运用断裂力学进行在役零件寿命评估的前提,也是评估正确与否的基础[1]。而表面开口裂纹,由于它的开放状态和较容易被发觉,对其高度的测量就显得尤为重要。

　　目前运用超声测定表面开口裂纹高度的常用方法主要有横波串列式双探头法、相对灵敏度法(包括6 dB, 20 d法)、端点衍射波法和端点反射回波法。然而,横波串列式双探头法操作复杂,回波难以确认;相对灵敏度法测得的高度值是裂纹高度的指示值,与实际值有较大的误差;端点反射回波法由于其测量的精度不高特别是对低高度的裂纹测量误差较大,限制了它的应用[2]。相对于以上几种方法,端点衍射波法是较为可行的方法。本文运用端点衍射法自行设计了测量方案,且试验验证了其可行性和高的测量精确度。

　　1　原理及测量方案

　　1. 1　端点衍射法测量原理

　　超声波在传播过程中遇到裂纹等缺陷时,由于缺陷边缘的激发会产生衍射现象,产生衍射波,如图1所示。利用来自裂纹两端的超声衍射波传播时间的不同来测量裂纹自身高度,这种方法称为超声波端点衍射法,也称为超声衍射波时间渡越技术(Time-of-flight)[3]。

　　1. 2　裂纹高度端点衍射法测量方法

　　本试验采用双探头测量法,且两探头间距在测量过程保持一致。如图2,将两个K值相同的横波斜探头置于缺陷两侧,作一发一收。

　　发射探头发出的超声波在缺陷的端部产生衍射波,被接收探头接收,衍射波的声程S可由下式表示：

　　式中　L———探头入射点间距

　　h———裂纹尖端至表面的垂直距离

　　x———裂纹尖端在表面上投影点至探头入射点中分线的距离

　　所以当L x时,dS/dx≈0。这就意味着,当不对称情况不太严重时,衍射波声程是不变的。此时,可将声程S的表达式中的x值去掉,即L,S和h的关系近似为:

　　试验中,可以通过测量声程S和探头入射点间距L,就可以通过计算得出裂纹的测量高度,这种方法适用于检测高度≥3 mm的表面开口裂纹。实验室测试精度可以达到±1 mm,但缺点是衍射波的强度很弱,较难发现,所以用衍射波测量裂纹高度有一定的难度,对操作要求较高。