高温环境下超声波横波检测技术

　　1　前言

　　当环境温度变化时,金属材料中超声波的特征参数如声速、声压会发生变化,随着温度的升高,超声波的传播速度降低,声波幅度衰减变大。压力容器和管道焊缝的超声波探伤一般使用横波,在高温超声波横波检测时,随着温度的变化,影响检测灵敏度和检测精度的因素包括探头、楔块、耦合剂、被检材质等。

　　2　温度对超声波特征参数的影响

　　2·1　温度对声速的影响

　　在固体介质中,当不考虑边界影响时,声速由密度ρ、弹性模量E和泊松比υ决定:

　　式中　G———刚性模量,或称剪切弹性模量

不同的温度下,材料中弹性模量发生变化,一般来说,弹性模量随着温度的升高而减小。所以,不同的温度下,超声波的声速发生变化,随着温度的升高,超声波的传播速度降低。有文献指出[1],当钢的温度低于500℃时,纵波声速随温度变化率平均约为0·8 m/s·℃;当钢的温度T在0~400℃范围内时,钢材中横波声速与温度的关系可由经验式C=C_a-aT表示,式中C_a=3241 m/s,a=0·5333^[2];还有文献认为[3]:当钢的温度T在-10~+80℃之间变化时,横波声速降低0·4 m/s·℃。

　　2·2　温度对超声波衰减的影响

　　超声波在介质中传播时会有或多或少的损耗,所以其幅度和强度随距离的增加而减小。实际上,即使在不考虑温度影响的情况下,超声波的衰减系数也是很难确定的,它受频率、波长、晶粒度、各项异性等因素的影响,与结构材质、组织有很大关系[4~8]。衰减对超声波检测灵敏度有很大影响,因此,必须在实际测试中加以考虑。明确的理论衰减定律,只有在以单一型晶体构成的杂质最少的单纯组织的场合才有希望建立。在实际材料中,由于难以确定的参数很多,所以在目前还找不到一般性的评价方法。随着温度的变化超声波衰减情况更为复杂,E·R·Generazio^[9]认为:在高温下,超声波衰减受耦合层厚度的影响;Darbari等认为,与温度相关的衰减,其变化的主要因素取决于VL^-4(对纵波而言),可以写成:α=NVL^-4=Nρ2E^-2,其中,VL是纵波速度,E是弹性模量,ρ是密度,α是衰减系数,N是包含其它因素和常数的“归一化因素”。W·Morgner[10]等给出了超声波频率为4 MHz条件下,随着温度变化超声波衰减系数的试验曲线。

　　2·3　温度对定量检测的影想

　　实际检测中,焊缝缺陷在超声波仪器荧光屏上显示出来的数据是回波幅度、深度、水平位置和声程,这些数据与楔块中的声速,工件中的声速、探头的频率,耦合层厚度,工件的衰减密切相关。随着温度的变化,所有这些参数都将发生变化;因而关于缺陷位置、尺寸的测量都与常温下的检测以及在常温下进行仪器标定的情况不同。因此,在不同温度下,对整个检测系统检测精度和影响因素进行研究,并由此指导50~450℃运行条件下焊缝缺陷的在线超声波检测是很有意义的工作。