爬坡檢測(cè)技術(shù)

爬坡檢測(cè)技術(shù)1概述爬波,其名稱涵義出自德國(guó)1898年的專利。超聲爬波探頭用于產(chǎn)生折射角為90°的壓縮波（縱波）,對(duì)于表面粗糙度不敏感,這種探頭對(duì)檢測(cè)奧氏體粗晶材料表面和近表面缺陷特別有效。2傳統(tǒng)表面缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)在表面檢驗(yàn)中,常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法是磁粉檢驗(yàn)、滲透檢驗(yàn)、渦流檢驗(yàn)。滲透法不受工件幾何形狀和尺寸大小的限制,操作簡(jiǎn)便,費(fèi)用少,可檢測(cè)除表面多孔材料以外的幾乎所有材料,但要求表面光潔度高,表面粗糙時(shí)會(huì)掩蓋細(xì)小分散的缺陷,對(duì)于嚴(yán)重磨損的工件表面難以發(fā)揮作用;磁粉法顯示直觀，具有很高的檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)的最小裂紋寬度可達(dá)O.lum,檢測(cè)速度快、工藝簡(jiǎn)單,但只適合鐵磁材料的檢驗(yàn),在檢測(cè)焊接接頭焊趾部位的缺陷也存在困難,檢測(cè)后常需退磁或清洗，而且工件表面不得有油脂或其他粘附磁粉的物質(zhì);渦流法使用范圍廣，不需要耦合劑，適用于在高溫下對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，但是只適合導(dǎo)電材料，而且干擾因素多，需要特殊的信號(hào)處理，對(duì)形狀復(fù)雜的零件檢測(cè)效率較低。對(duì)于表面下裂紋，滲透法無(wú)能為力，磁粉法根據(jù)所采用的檢驗(yàn)方法、電流類型以及缺陷的特性，可探測(cè)表面下埋深一般不超過(guò)1mm~2mm的裂紋。另外，這幾種方法也只能定性地檢測(cè)出裂紋缺陷，而不能比較準(zhǔn)確的定量確定裂紋的深度。在這種情況下，超聲檢測(cè)就發(fā)揮不出作用。對(duì)于表面開口裂紋的檢測(cè)可以采用瑞利波和蘭姆波。如果在材料中的聲損失可以忽略，瑞利波可以沿光滑固體表面無(wú)衰減地以恒速（瑞利波速）傳播，然而利波聲能量?jī)H集中在表面以下一個(gè)波長(zhǎng)的范圍（發(fā)射頻率為4MHz時(shí)，大約0.75mm）,當(dāng)深度達(dá)到兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，其波幅降至最大波幅的0.37倍，果工件表面粗糙（例如存在焊縫余高，飛濺等），可阻止瑞利波的傳播，造成誤檢。蘭姆波只適合幾個(gè)長(zhǎng)厚板材的檢驗(yàn)，采取兩種基本傳播形式;對(duì)稱式反對(duì)稱式，產(chǎn)生何種形式取決于入射角、發(fā)射頻率被檢工件的彈性性能。在高頻的情況下，容易產(chǎn)生合模式，發(fā)生頻散現(xiàn)象，導(dǎo)致回波信號(hào)在探傷儀上法辨認(rèn)。2爬波的產(chǎn)生及爬波探頭2.1爬波的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)研究爬波最早是由Harbold和Steinberg進(jìn)行,Gruber等利用環(huán)向爬波來(lái)估測(cè)孔洞的直徑。當(dāng)斜探頭以第一臨界角（在有機(jī)玻璃鋼界面，約為27°）入射時(shí)，縱波以平行于界面沿表面下傳播，為了與體縱波和橫波區(qū)別，把橫波和縱波疊加后能量最集中的前沿稱為縱爬波，簡(jiǎn)稱爬波。爬波的產(chǎn)生是利用超聲波傳播到兩種異質(zhì)界面處發(fā)生的波形轉(zhuǎn)變。根據(jù)超聲波的傳播特性，當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)界面時(shí)，垂直入射時(shí)，只有反射和透射;傾斜入射時(shí)，除反射外，透射波還會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)CIL<C2t<C2L (1)式中C1L—入射聲波在第一介質(zhì)中的縱波聲速C2L—入射聲波在第二介質(zhì)中的縱波聲速c2l一入射聲波在第二介質(zhì)中的橫波聲速即超聲縱波從波速小的介質(zhì)入射到波速大的介質(zhì)時(shí)，隨入射角的增大,折射角也增大，當(dāng)入射角(X=arcsin(嚴(yán))時(shí)，縱波的折射角等于90。時(shí),就會(huì)在C2L第二種介質(zhì)中激發(fā)爬波,此時(shí)的入射角q就稱為第i臨界角。爬波的產(chǎn)生和聲場(chǎng)特性如圖1所示。圖1(a)中的06為第?臨界角,&為橫波折射角，伐為縱波折射角，其指向即為爬波光束方向。圖1(b)是頻率y=L8MHz、晶片￡)=18mm>距入射點(diǎn)距離/?=150mm處且入射角為第?臨界角時(shí)質(zhì)點(diǎn)位移的幅值分布(以極坐標(biāo)表示的指向性圖)。(b)圖1爬波的產(chǎn)生條件(a)和主聲束特性(b)由圖1(a)可以看出，爬波理論上是平行于表面?zhèn)鞑サ目v波,但是從實(shí)際的主聲束特性圖1(b)町以看出，最大能量方向并不是平行于表面，而是與表面成?角度，該角度大小與縱波入射角有關(guān)。22爬波的特性221爬波波速根據(jù)波動(dòng)聲學(xué)的理論進(jìn)行分析,爬波引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)是縱波和橫波的疊加，因此爬波是入射角等都較大，是?種特殊怏戎的液。爬彼的迷皮殳化范圍為08C?095C(C為壓縮波速度)，決定于傳播介質(zhì),對(duì)于鈦合金中爬波的波速為a87Co222爬波衰減規(guī)律以兩個(gè)同型號(hào)的爬波探頭相向放置，一發(fā)一收,測(cè)量不同聲程時(shí)接收回波幅度將得到圖2所示結(jié)果，爬波擬合曲線符合Z/(n>1)的衰減規(guī)律，而體縱波則符合球面波的衰減規(guī)律(n=1),即爬波比體縱波衰減得快。圖2爬波衰減實(shí)驗(yàn)爬波產(chǎn)生衰減的關(guān)鍵原因是縱波在沿表面下傳播過(guò)程中不斷的發(fā)生向橫波的波形轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致在傳播過(guò)程中波幅遞減，因此爬波有效傳播距離由波形轉(zhuǎn)變的程度和橫波能量泄露在固體中的情況來(lái)決定。由于急劇的能量衰減，通常最敏感的點(diǎn)，即所謂的焦點(diǎn)位于探頭前沿，名義焦點(diǎn)距離町以達(dá)到20mm,有效的最大聲程為45mm。223爬波聲壓分布爬波的強(qiáng)度取決于0/入比?是晶片直徑，入為入射波長(zhǎng))，它的-個(gè)關(guān)鍵特征是具有較大的0/入比(>15)。有人專門對(duì)爬波的聲壓分布做了測(cè)試，對(duì)有機(jī)玻璃/鋼界面，距入射點(diǎn)距離心150mm,頻率/=L8MHz,晶片直徑D=18mm,入射角a二27°16,主瓣(幅值最大值)所對(duì)應(yīng)的折射角Q.ilx和入射角0(及f?D有關(guān)，相關(guān)關(guān)系分別如圖3所示?？梢姡靼陮?duì)應(yīng)角6U隨著入射角的增加而增大,隨著頻率和晶片直徑的乘積(f-D)增加而增加。圖3主瓣與Qg、/?D的關(guān)系23爬波探頭及爬波探頭參數(shù)231爬波探頭爬波探頭是?種特殊的TRL探頭，用于在被檢材料折射角70飛I“°工間產(chǎn)生壓縮波，除此之外在大約33彷向上產(chǎn)處折射橫波。在發(fā)射接收探頭系列中，70左右的壓縮縱波用來(lái)檢測(cè)層下裂紋，而27°左右的斜楔產(chǎn)生的爬波則用來(lái)檢測(cè)表面和近表面裂紋，由于33°方向上產(chǎn)生的折射橫波在遇到背表面時(shí)轉(zhuǎn)化為縱波(基本上平行于背表面)，可以用它來(lái)檢測(cè)背表面或者臨近背表面的缺陷。圖4是爬波探頭產(chǎn)生的波形分布。圖4爬波探頭產(chǎn)生的波形分布爬波探頭從結(jié)構(gòu)上可分為兩類,一類是雙晶片串列式，另一類是雙晶片并列式，主要用于表面和近表面缺陷的檢測(cè)，它們都有2mm?3mm的盲區(qū)，主要原因是由于沒(méi)有解決噪聲干擾問(wèn)題。近年來(lái)，有人研制了單?晶爬波探頭，探頭的有機(jī)玻璃楔塊除了裝有聲陷阱外，在楔塊的前面還有一定方位兩排相互交叉的孔洞，孔洞是填有橡膠等吸聲材料,用于解決電噪聲的十?dāng)_問(wèn)題，其特點(diǎn)是沒(méi)有上盲區(qū)，探測(cè)聲程大，制作簡(jiǎn)單，使用方便。232爬波探頭參數(shù)爬波探頭的參數(shù)主要包括探頭入射點(diǎn)、焦點(diǎn)水平距離、聲束角度、信噪比、探頭可轉(zhuǎn)角、總增益等。(“)入射點(diǎn)：是指爬波探頭聲束軸線的出射點(diǎn)，爬波探頭的探測(cè)范圍通常在探頭的焦距附近，因而可用近似等于焦距的聲程距離來(lái)測(cè)量探頭入射點(diǎn)。測(cè)試過(guò)程中使弧面反射的縱波回波高度達(dá)到最高,探頭正對(duì)應(yīng)入射點(diǎn)標(biāo)記的位置便是入射點(diǎn)，用探頭前沿表示。焦點(diǎn)水平距離:爬波探頭對(duì)準(zhǔn)人工槽在水平方向后移，當(dāng)回波高度達(dá)到最大值時(shí)，測(cè)出槽口與探頭入射點(diǎn)之間的間距,也稱為焦距。聲束角度:理論上，爬波探頭應(yīng)在折射角為90°處產(chǎn)生壓縮波，但實(shí)際上,在接近90。的其他角度也會(huì)產(chǎn)生壓縮波，這是壓電陶瓷產(chǎn)生擴(kuò)散超聲波的I占I有特性，使回波具有最大強(qiáng)度的角度，就稱為爬波探頭的聲束角度。信噪比將探頭對(duì)準(zhǔn)人工槽查找最高回波,調(diào)整衰減器使其回波位于80%屏高，記錄dB值S,再調(diào)整探頭使其對(duì)準(zhǔn)無(wú)任何缺陷處，調(diào)整噪聲回波使其位于80%屏高，記錄dB值，得N，上述兩數(shù)值的差即為信噪比。在般檢測(cè)情況下要求缺陷回波大于噪聲6dB才有效。探頭可轉(zhuǎn)角：是針對(duì)旋轉(zhuǎn)探頭，使人工槽的回波高度降落到預(yù)定值時(shí)所需的角度，也可用探頭從最大回波高度位置旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度時(shí)，回波高度降落的dB數(shù)表示?？傇鲆?將爬波探頭對(duì)準(zhǔn)人工槽，查找最高回波，調(diào)整衰減器使其回波位于50%回波，記錄dB值即為總增益，在實(shí)際應(yīng)用中大多希望總增益比信噪比高6dBo3爬波檢測(cè)特點(diǎn)和檢測(cè)范圍爬波適合表面粗糙的工件近表面缺陷或薄件中的缺陷的檢驗(yàn),如鑄件、堆焊層等表面下缺陷裂紋以及螺栓根部的裂紋等。因?yàn)榕啦óa(chǎn)生的是?種壓縮波，最大幅值方向與表面成?小角度，僅在表面下傳播，表面散射相対較弱，対表面粗糙度不敏感。利用爬波測(cè)定表面裂紋深度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用爬波測(cè)定表面裂紋深度的范圍是1mm?9mm,對(duì)于深度大于9mm的裂紋，可用端部回波法測(cè)定其深度。將爬波探頭的入射角(X選為第一臨界角，可通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膄D值，通過(guò)改變乩“來(lái)改變對(duì)表面附近缺陷的敏感程度，這些都是它優(yōu)于瑞利波之處。另外，在爬波存在的區(qū)域只對(duì)表面層幾個(gè)毫米深的區(qū)域敏感，橫波不會(huì)干擾檢測(cè)，因橫波的聲速約為爬波與縱波的?半，由橫波產(chǎn)生的信號(hào)在時(shí)間基線上位置要后延的多。由于爬波在傳播過(guò)程中連續(xù)發(fā)生由縱波向橫波的波形轉(zhuǎn)換,因此衰減嚴(yán)重，聲程較短，回波聲壓約與距離的4次方成反比,使它的檢測(cè)范圍受到限制，在大多數(shù)應(yīng)用中,爬波探頭用于探測(cè)焦點(diǎn)附近表面或近表面缺陷。因此在探測(cè)表面下裂紋時(shí)町以結(jié)合TOFD(TineofFlightDiffractbn)技術(shù)，采用一發(fā)一收兩個(gè)探頭。4爬波在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用41焊接接頭的爬波檢測(cè)焊縫金屬是由焊接填充材料及部分母材熔融凝固形成的鑄造組織，其組織和化學(xué)成分都不同于母材，熱影響區(qū)形成的粗晶區(qū)導(dǎo)致的塑性變形碩化和變形時(shí)效碩化的疊加，韌性明顯下降,極易引發(fā)微裂紋。含N19%的奧氏體不銹鋼常用于液化天然氣存儲(chǔ)罐，在焊接過(guò)程中焊接影響區(qū)往往形成大量樹枝晶，相対碳鋼和低合金鋼而言，采用超聲橫波檢測(cè)存在很大困難，因?yàn)闄M波比縱波衰減嚴(yán)重，散射回的缺陷信號(hào)淹沒(méi)在草狀雜波中無(wú)法辨認(rèn)。Hr佃的kruH.Ido,N.Furikoma,M.Arakawa,T采用縱波斜角探頭和爬波探頭在50mm板厚,X形開口的對(duì)接接頭進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于表層附近的缺陷采用縱波斜角探頭存在困難，但采用爬波探頭可以檢出，結(jié)合TOFD法，采用時(shí)頻分析，提高信噪比，口J以進(jìn)一步提高檢測(cè)的精度。在核電站設(shè)備中，按照可使用性原則對(duì)管道環(huán)焊縫進(jìn)行評(píng)價(jià)主要依靠對(duì)缺陷尺寸的精確測(cè)定。高屈服強(qiáng)度馬氏體鋼X-20(12Cr-IMo-(1/4)V)廣泛用于核電站循環(huán)管道，由于焊接過(guò)程中焊接循環(huán)或服役中應(yīng)力腐蝕的影響，很容易在管道內(nèi)徑環(huán)焊縫上引起緊閉裂紋，以及接近焊根的裂紋,嚴(yán)重的根部咬邊和其他幾何缺陷，采用常規(guī)探頭和普通探傷技術(shù)是很難達(dá)到滿意的檢測(cè)效果。Sony,B.Bala-subramanian,T.Pardikar,R.J利用折射橫波在遇到管內(nèi)壁時(shí)再次發(fā)生波形轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生沿管內(nèi)徑表面?zhèn)鞑サ拇渭?jí)爬波(僅対內(nèi)徑裂紋敏感，対接近焊根其他的幾何缺陷不產(chǎn)生任何干涉波)，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)徑表面緊閉裂紋的檢測(cè),檢測(cè)原理如圖5所示。圖5爬波檢測(cè)管道環(huán)焊縫內(nèi)徑原理角焊縫在電力石油化工等部門中大量應(yīng)用于各種容器管道等金屬結(jié)構(gòu)件上，其質(zhì)量狀況直接影響到設(shè)備的安全運(yùn)行。角焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接方式與對(duì)接焊縫不同，其焊縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)體相互成?定的角度，從力學(xué)方面來(lái)看，易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生，而且裂紋走向既有平行于焊縫方向的也有垂直焊縫方向的。東北電力科學(xué)研究院金屬材料研究所的馬德舉和張博，專門対焊接角焊縫及熱影響區(qū)近表面裂紋的爬波檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。他們采用設(shè)計(jì)的爬波探頭和測(cè)試用校驗(yàn)試塊，對(duì)某電廠鍋爐上…連箱接管角焊縫的檢測(cè)結(jié)果表明，爬波探傷法非常適合于管道角焊縫的近表面檢驗(yàn)C除此以外，爬波還可能進(jìn)行T形接頭層狀撕裂缺陷的檢測(cè)，材料表面堆焊及對(duì)噴涂層下缺陷的檢驗(yàn)。?般容器制造過(guò)程檢測(cè)多半采用爬波探頭，在堆焊層表面上按接觸法檢測(cè)層中與層下缺陷。42瓷絕緣子的爬波檢測(cè)線路瓷絕緣子是輸電線路的重要組成部分，主要作用是將導(dǎo)線懸掛于鐵塔支架。近年來(lái)，因?yàn)榻^緣子斷裂而引發(fā)的供電事故已成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行跡制在瓷件膠裝法蘭后，尤其是絕緣了裝上隔離開關(guān)后,在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)是無(wú)法進(jìn)行縱波探傷的(如圖6(b)),因?yàn)槌暡ù┻^(guò)鑄鐵、水泥多種介質(zhì)才能達(dá)到瓷件，無(wú)法對(duì)瓷件傷裂進(jìn)行正確判斷。跡制("膠裝前⑹膠裝際

圖6絕緣/檢測(cè)圖從棒形支柱絕緣子損傷程度來(lái)看，大都在鑄鐵法蘭處折斷，據(jù)電力公司統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)瓷瓶斷裂有95%以上都是在法蘭口內(nèi)3an到第一裙傘之間。外露在瓷件表面的裂紋可冇?接觀察到.所以超聲波檢測(cè)的部位應(yīng)該是在左右瓷件的端頭與鑄鐵法蘭膠裝的整個(gè)區(qū)域，尤其是鑄鐵法蘭口處，而爬波探頭探測(cè)的部位是鑄鐵法蘭下面電瓷件的裂紋。超聲相關(guān)技術(shù)檢測(cè)陶瓷材料表面和近表面缺陷己經(jīng)證明了其有效性，通過(guò)超聲顯微鏡來(lái)檢測(cè)表而下缺陷已經(jīng)有人報(bào)道。棒形支柱絕緣了徑向縱波聲速為5817m/s,軸向縱波聲速為6100m/s,橫波聲速為3450m/s,并經(jīng)過(guò)分析爬波在鋼中和電瓷中的聲壓分布規(guī)律是相同的。棒形支柱絕緣了經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，瓷質(zhì)致密，對(duì)爬波衰減少,而且鑄鐵法蘭，膠合劑和粘沙均不影響爬波傳播。爬波檢測(cè)絕緣了的原■圖7爬波探頭檢測(cè)絕緣/示意圖在待測(cè)絕緣子法蘭至裙根之間涂上耦合劑，將探頭前沿緊靠法蘭端面，并沿圓周方向移動(dòng)--周,注意屏幕上是否有回波顯示，在回波顯示處應(yīng)懷疑有裂紋;將探頭放到回波顯示處,將探頭沿軸線方向后移，如回波隨之右移，且幅值成比例降低，則判為有裂紋存在.5結(jié)論近年來(lái)，爬波探頭的使用迅速增加，尤其是在檢測(cè)奧氏體焊接接頭中。在個(gè)探頭上由于波形轉(zhuǎn)