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鋼管水浸法超聲波探傷中能量衰減現象的探討
發布時間:2018-11-23  點擊次數:人次  分享:

目前國內外水浸式超聲波探傷技術的應用較為普遍,也比較成熟,但通過幾年來的實際應用發現,水浸式超聲波探傷存在的問題也較多,本文將著重探討此方法的能量衰減現象。


由于被探鋼管浸在水里,當超聲橫波在管壁內鋸齒形傳播時,通過波型轉換,在鋼管表面與水的界面上,又轉換成折射縱波,這樣將會造成一部分能量損失,導致探傷靈敏度降低。


對此,我們用接觸法水耦合做了試驗,通過水浸法與接觸法的比較來探討這個問題。


1.  試驗條件


(1) 標準人工缺陷樣管的規格為177.8mm X 12.65mm(外徑X壁厚),長度為250mm,人工缺陷為內外縱向N5刻槽(刻槽深度為鋼管公稱壁厚的5%), 位置分別在樣管的兩端且相差180°。


(2) 儀器為CTS-23型超聲波探傷儀,儀器水平線性和垂直線性均良好,狀態為增益最大、抑制關、中頻段、正向檢波方式、掃描量程在250mm檔級、重復頻率X2。


(3) 探頭為GZSA管材專用超聲波探頭。晶片直徑為Φ20mm,頻率2.5MHz,入射角為45°。


(4) 環境溫度為室溫。


2.  試驗過程


首先明確一個概念,兩個探頭晶片反方向同時發射超聲波,沿鋼管鋸齒形傳播,均可接收到對面探頭的發射波,從而得到回波信號,此信號假稱“通 波”。


其聲程為管子的圓周,但也可把它看作是單探頭在管子半圓周處的自發自收信號。


2.1 原始狀態


將探頭置于樣管上,找到人工缺陷,將一次通波B1調到5格,幅度為滿幅的90%,二次通波B2調到10格,幅度為滿幅的50%;—次缺陷波F1在2格處,幅度為滿幅的30%,二次缺陷波F2在7格處,幅度為滿幅的17%(圖1)。



圖一: 原始狀態示意圖


此狀態下,探頭中心線至人工缺陷的周向距離為85mm,衰減器讀數為38dB。我們將此狀態定為原始狀態,下面分三種情況進行試驗。


2.2 第一種情況


在原始狀態下,用蘸水的濕布觸摸人工缺陷,此時波幅變化情況如圖2所示。可見,降至滿幅的75%(-l.6dB), F降至滿幅的27%(-0.9dB);B2降至滿幅的30%(-4.4dB), F2降至滿幅的14%(-1.7dB)。在此情況下,通波及缺陷波較原始狀態均有所下降,說明這是能量衰減所致。


圖二:用濕布觸摸人工缺陷時的波幅變化圖


2.3 第二種情況


在原始狀態下,向人工缺陷處噴水,此時波幅變化情況見圖3。可見,B1降至滿幅的50%(-5dB), F1降至滿幅的25%(-1.6dB);B2降至滿幅的10% (-14dB),F2則幾乎無法辨別。


此種情況下,通波變化較大,一次缺陷波F1比第一種情況下降還要明顯,F2幾乎消失,這說明能量進一步衰減。


圖三:向人工缺陷噴水時的波幅變化圖


2.4 第三種情況


將樣管浸入水中,根據浸水量及人工缺陷是否被水所浸分三種情況觀察波幅變化。


(1) 將樣管放入容器中,加水至樣管直徑的2/5 處,但人工缺陷未被水所浸。由于樣管僅長250mm,未采取堵住管端措施,所以樣管內孔也被水所浸,此時波幅變化情況如圖4所示。可見, B1降至滿幅的40% (-7dB),F1較原始狀態幾乎沒有變化;B2和F2全部消失。這是由于人工缺陷未被水所浸,故F1變化不大,但通波變化很明顯,且B2和F2已經消失,說明樣管浸入水中后較前兩種情況能量衰減嚴重。



圖四:2/5樣管浸入水中時的示意圖及波幅變化圖


(2) 繼續加水至樣管直徑的1/2處,并保持探頭與人工缺陷相對位置不變,旋轉樣管使人工缺陷剛好浸入水中,此時波幅變化如圖5所示。可見,降至滿幅的30% (-9.5dB), F1降至滿幅的20% (-3.5dB);B2和F2同樣全部消失。在水量增加,且人工缺陷也被水所浸的情況下,B1與F1較原始狀態下降幅度驟增,更加證明了水浸探傷時能量衰減嚴重。


圖五:1/2樣管浸入水中時的示意圖及波幅變化圖


(3) 繼續旋轉樣管將人工缺陷完全浸入水中,此時探頭中心線距水面周向距離為42.5mm,波幅變化情況如圖6所示。可見,B1與上種情況相同,為滿幅的30%,F1則降至滿幅的10%(-9.5dB),B1和F1均比原始狀態衰減9.5dB,由此可以看出水浸探傷能量衰減的嚴重程度。若樣管完全被水浸 沒,能量衰減會更加嚴重。



圖六:人工缺陷完全浸入水中時的示意圖及波幅變化圖


2.5 內壁人工缺陷檢測試驗


若樣管完全浸入水中檢測其內壁人工缺陷,一次通波B1和一次缺陷波F1較原始狀態分別衰減了12和6dB;二次通波B2和二次缺陷波F2完全消失。試驗過程這里不再贅述。當然這只是試驗,在水浸法自動線探傷設備實際探傷中,鋼管內孔不允許充水,否則無法進行探傷。


3.  能量衰減的原因分析


我們通過以上試驗,直觀地發現了缺陷波波幅和通波波幅的下降情況,從而得出能量衰減的結論。理論上分析,水浸超聲波探傷中,聲波在管壁內傳播能量衰減是很嚴重的,因為水的聲特征阻抗遠小于鋼,故聲波從水向鋼和從鋼向水的往復透射率很小[1];又因為聲波在管壁內鋸齒形傳播時,每次反射都伴隨著波型轉換(圖7),而在水中轉換成的超聲縱波又完全被水吸收,這就更顯著地增大了超聲衰減,也就是說,鋼管水浸超聲波探傷時部分聲能被損耗了[2]


圖七:鋼管浸入水中聲波傳播情況


上述試驗結果表明,若鋼管外表面浸水 (內孔為空氣),用水浸法探傷缺陷回波信號要比接觸法低4dB,若鋼管內孔也充水,則缺陷回波信號要低6dB。因此在靈敏度調整時必須注意這一現象。



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