特种设备无损检测相关知识

特种设备无损检测相关知识2010年3月长春第九章超声波检测基础知识第九章、超声检测一、超声波的性质1、声波次声波超声波声波、次声波、超声波都是机械波，有声速、频率、波长、声压、声强等参数，在界面也会发生反射、折射。我们能够听到声音是因为声波传到了我们的耳内，声波的频率在20HZ～20000HZ，频率低于或超过上述范围时人们无法听到声音，频率低于20HZ的声波称为次声波，频率超过20000HZ的声波称为超声波。工业探伤上常用的超声波范围是：0.5～20MHz;其中金属探伤最常用的频率是：1～5MHz；探水泥构建用的频率是：0.5MHz,如100KHz,200KHz;探测玻璃陶瓷中μm级小缺陷用的频率是100MHz～200MHz,甚至更高。一、超声波的性质2、超声波的特点（1）有良好的指向性：（2）能量高由于能量（声强）与频率的平方成正比，故超声波的能量远大于声波的能量I1/I2=1MHz2/1KHz2=100万倍。一、超声波的性质（3）能像光线一样呈直线传播，并在界面上产生反射、折射和波型转换，在传播过程中还有干涉、叠加、绕射现象，故可以充分利用这些几何、物理特征进行探伤。（4）在金属材料中的传播速度很快，穿透能力强、衰减小，如对某些金属的穿透能力可达数米，其他检测手段无法相比。一、超声波的性质3、超声波的波型与声速（1）纵波（L）质点的振动方向与波的传播方向相平行。纵波在固、液、气三种介质中均能传播。（2）横波（S）质点的振动方向与传播方向相垂直，质点受到的是交变剪切应力的作用，故亦称切变波。液体和气体不能够承受剪切应力，故无横波传播。（3）表面波，在固体表面传播。材料纵波声速米每秒横波声速米每秒钢59003230水1400-----有机玻璃27201460铝62603080铜47002260一、超声波的性质4、超声波的反射折射波型转换（1）入射纵波反射折射波型转换纵波倾斜入射到不同介质的表面时会产生反射纵波反射横折射纵波折射横波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。介质1介质2αβLβSαS’αL’SinαC1LC1SC2LC2S=SinβSSinβL==SinαS’一、超声波的性质(2)第一临界角当在第二介质中的折射纵波角等于90度时，称这时的纵波入射角为第一临界角αI。这时在第二介质中已没有纵波，只有横波。焊缝探伤用的横波就是，经过界面波型转换得到的。（3）第二临界角当纵波入射角继续增大时，在第二介质中的横波折射角也增大，当βS达90度时，第二介质中没有超声波，超声波都在表面，为表面波。介质1介质2α介质1介质2αβLβS一、超声波的性质在有机玻璃与钢的介面，第一临界角为α1=27.60βS=33.20第二临界角为57.70，用于焊缝检测的超声波斜探头的入射角必须大于第一临界角而小于第二临界角。我国习惯：斜探头的横波折射角用横波折射角度的正切值表示，如K=2S二、超声波的发射与接收1、压电效应与逆压电效应某些晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应称为压电效应。反之当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。二、超声波的发射与接收2、超声波的发射与接收用有压电效应的晶体材料做的晶片，在高频电压的激励下在产生厚度方向的伸缩，这样产生振动传出就成超声波。如果晶片在超声波的声压作下，在晶片两侧产生电荷，产生一个小的电信号，经放大器放大后可识别。超声波的发射与接收是由超声波探头完成的，有的是一个晶片（单晶探头）完成发射与接收超声波，有的是两块晶片（双晶探头）分别完成发射与接收超声波二、超声波的发射与接收3、纵波发射声场圆盘声源辐射的纵波声场，晶片为圆形，在高频的激励下产生振动，晶片上每个小区域都辐射超声波，这些波某处叠加会加强，另一处会减弱。二、超声波的发射与接收（1）超声场的形状如图指向性用半扩散角表示，θ＝Sin-11.22λ/D。（λ是波长，D是晶片直径）半扩散角θ副声束瓣二、超声波的发射与接收（2）中线轴线上的声压分布情况在靠晶片的一个范围内，由于波的干涉，出现的声压为“0”点，从晶片至最后一个声压最大值的距离称为近场距离，此区域称近场区。N近场长度计算N=(D2-λ2)/4λ探伤时缺陷在声场中才能被发现，如在近场区声压为零处也不能发现。在距晶片三倍的近场区以外，声压随距离下降情况与球面波相似，与理论计算值基本相同。二、超声波的发射与接收在声束径向上的声压分布情况：分别是N1、3N和6N处声压分布在声束径向上的声压分布情况：分别是晶片附近、1/2N和1N处声压分布二、超声波的发射与接收4）横波发射声场常用的横波探头，是使纵波倾斜入射到界面上，通过波型转换来实现横波探伤的。纵波入射角应在第一临界角与第二临界角之间，纵波全反射，在工件中只有横波存在。三、超声波探伤原理把1-5兆赫（1－5MHZ）高频超声波入射到被检物中，如遇到缺陷（界面）则一部分入射超声波被反射，并利用探头接收反射信号的性能，可不损坏工件检出缺陷大小（尺寸）和位置，这种方法叫UT检测。超声波检测能发现最小缺陷尺寸a≥λ/2，当a＜λ/2时，超声波会产生绕射，超声波在介质中的反射率：空气是100%，夹渣为46%，水为88%。三、超声波探伤原理探伤方法分类①按波型分：a纵波探伤：垂直探伤法b横波探伤：斜射探伤法c表面波探伤②按耦合方式分a直接耦合接触法，又称接触法。b水浸法三）超声波探伤原理1）纵波探伤示意图探头发射和接收超声波，发射的超声波是脉冲波，脉冲超声在工件中遇界面反射超声波，超声再在探头中换成电信号经放大后显示，显示屏上横座标表示超声波在工件中传播的时间，纵座标表示反射的超声波声压，与反射面积大小对应。三、超声波探伤原理2、横波探伤示意图超声波横波探伤水平定位超声波横波探伤深度定位四、仪器探头试块1、仪器按缺陷的显示方式分为A型B型还有C型，普遍使用A型显示。仪器上荧光屏横轴表示超声波在工件中传播的时间，纵轴表示反射体反射回来的声压大小，可以比较缺陷的大小。为使进入放大器中的信号在一定范围，仪器上有一衰减器。•目前主要有两类,早期的是模拟机,现在许多单位有数字机。仪器显示方式仪器的主要性能指标（含与探头后）：水平线性、垂直线性、灵敏度、盲区、始脉冲宽度、分辨力等四、仪器探头试块2、探头根据波型，探头可分为有纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头等。根据波束可以分为聚焦探头与非聚焦探头。根据晶片数可分为单晶片、双晶片。常用的主要是直探头与斜探头四、仪器探头试块（1）直探头结构主要有压电晶片、保护膜、电缆线、阻尼块、外壳、接头。阻尼块的作用是：晶片在受激励振荡后立即停下来，使脉冲宽度变小，分辨力提高。吸收背面的杂波，支撑固定晶片。探头的主要参数有：晶片材料、直径、频率、保护膜如PZT2.5Φ20四、仪器探头试块（2）斜探头结构主要有压电晶片、斜楔、电缆线、阻尼块、吸声材料、外壳、接头。斜楔的作用是实现波型转换,使被探工件中只存在折射横波。斜楔的纵波声速必须小于工件中的纵波波速,要耐磨、易加工,对超声波的衰减系数小。探头的主要参数有：晶片尺寸、频率、K值如2.5P13×13K23、试块按一用途设计制作的具有简单人工几何反射体的试样。（1）作用a确定探伤灵敏度；b测试仪器和探头的一些重要性能如放大线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头入射点、K值等；c调时间扫描线比例C评判缺陷的大小（2）分类一类是由权威机构制定的试块，称为标准试块如CSK-IA一类是按具体探伤对象制定的试块，如CSK-IIIA、CS-1四、仪器探头试块四、仪器探头试块CSK-IA四、仪器探头试块CSK-IIIA四、仪器探头试块CSK-IIACSK-IVA四、仪器探头试块平底孔试块五、影响探伤结果的因素1）仪器与探头组合性能垂直线性－－会影响缺陷当量大小判定水平线性－－影响缺陷定位，非缺陷波的识别盲区－－影响近表面的缺陷的检测2）探头频率－－理论上能够发现的最小缺陷是波长的1/2，在能保证穿透的前提下，选高一些频率直径－－直径大，发射功率大，能探厚度大的工件，工作效率高，但近场区长度增加，近场区内易漏缺陷，波高不稳。K值－－根据厚度和焊缝宽度选择，应一次波越过背面对过焊缝边缘，薄板选大一些，厚板选小一些，保证扫查到整个面。五、影响探伤结果的因素TlbaK0a五）影响探伤结果的因素3）耦合超声波探伤时在探头与工件之间如存在空气，由于空气声阻抗比较大，超声波不能被导入工件，必须使用一种液体消除间隙，在探头与件之间起透声的作用，这就是耦合剂。耦合剂－－应选用声阻抗（密度与声速乘积）比较大的，常用的有机油、水玻璃、甘油、水、化学浆糊耦合层厚度－－理论上耦合层厚度为波长1/2的整数倍时透声效果最好，耦合层厚度为波长的1/4的奇数倍时透声效果最差，实际工作中一般尽可能使耦合层薄一些。工件表面粗糙影响，要求工件表面的粗糙度不高于6.3μm五、影响探伤结果的因素4)探伤灵敏度灵敏度选择过高时探伤时反射的杂波太多,影响缺陷波的识别,灵敏度过低时会漏掉缺陷。5）仪器时间扫描线调试的正确性，斜探头K值测试的正确性会影响缺陷的定位或对非缺陷信号的判别。6）手工探伤时探头的移动速度过快，缺陷波显示不够亮，易漏掉缺陷。六、超声波探伤工艺1、探伤准备（1）技术等级、检测区、工件表面准备(对接焊接接头检测)检测技术等级a技术等级分为A、B、C三级，C级，根据压力容器产品的重要程度进行选用。b选用原则：A级检测适用于承压设备有关的支承件和结构件焊缝检测；B级检测适用于一般承压设备对接焊缝检测；C级检测适用于重要承压设备对接焊缝检测。六、超声波探伤工艺c具体要求：A级要求：母材厚度为8～46㎜，用一种K值探头在工件的单面单侧进行检测，一般不要求进行横向裂纹检测；B级要求：母材厚度为8～46㎜，用一种K值探头在工件的单面双侧进行检测；母材厚度为46～120㎜，采用一种K值在工件的双面双侧进行检测，条件不允许时可在工件的双面单侧或单面双侧采用两种K值的探头检测；母材厚度120㎜，用两种K值在工件的双面双侧检测，两种K值的探头折射角相差不小于100；应进行横向缺陷的检测。焊缝余高要磨平。六、超声波探伤工艺C级要求：采用C级检测时应将焊缝余高磨平，探头扫查经过区要用直探头检测；母材厚度为8～46㎜，一般用两种K值探头在在工件的单面双侧进行检测，两探头的折射角相差不小于100，其中一个为450母材厚度为46～400㎜，一般用两种K值探头在在工件的双面双侧进行检测，两探头的折射角相差不小于100，对单侧坡口角度小于50的窄间隙焊缝，增加对与坡口表面平行缺陷的有效方法；应进行横向缺陷的检测，检测时将探头放在焊缝及热影响区上作两个方向的平行扫查。六、超声波探伤工艺检测区检测区的宽度为焊缝本身，再加上焊缝两侧各相当于母材厚度的30%的区域，这个区域最小为5㎜，最大为10㎜探头移动区宽度a一次反射法检测时探头移动应大于或等于1.25P,P=2KT检测面位置1位置2检测区六、超声波探伤工艺b直射法检测时探头的移动区应大于或等于0.75PP=2KT。检测面位置2检测区位置1（2）工件表面准备探头移动区应清除焊接飞溅、铁屑、油污及其他杂质，检测表面平整，便于探头的扫查其表面的粗糙度Ra小于6.3μm六、超声波探伤工艺（3）仪器的调试（a）时间扫描线（深度、水平）仪器上时间扫描线可以按反射体的深度调试，这时显示的刻度值即为缺陷深度。也可按水平距离调试这时显示的值为探头入射点至缺陷的水平距离。六）超声波探伤工艺(b)灵敏度调试（试块法、工件大平底法、当量计算法）按标准要求，选用一定形状、大小的规则反射体，深度与工件厚度相当，使反射体的波高到一定高度，如80%显示屏。当工件厚度大于三倍的近场区长度时，声波衰可按理论计算，计算工件底面与人工反射体的差异，调节灵敏度。利用通用的规一化处理过的曲线来调节灵敏度。六）超声波探伤工艺其特征量2、缺陷大小测量A当量法（比较、计算）探伤中发现缺陷后，测量其波高与试块上同声程的规则反射体波高相同，规则反射体的大小即为该缺陷的当量大小。如果声程大于三倍近