CN103245726B - 通过超声表面波检测材料氢损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过超声表面波检测材料氢损伤的装置及方法，其装置包含高频超声表面波发射和接收探头、基板、导轨和定位螺母以及便携式工控机，所述两个探头设置在基板中间的导轨上，由定位螺母卡位固定，所述基板放置在待测设备或材料上；所述便携式工控机包括数据采集模块、发射模块、信号处理模块、功率放大模块、 A/D转换模块、信号发生模块、软件控制平台及连接线，由便携式工控机进行操作与控制。本发明方法的步骤包括：⑴检测装置的应用；⑵软件控制平台的设置；⑶产生超声表面波；⑷超声表面波的传播与信号的转换；⑸电压信号转换数字信号；⑹检测设备或材料的氢损伤程度。本发明装置轻巧，携带方便，能在线对加氢临氢设备及材料进行无损检测。

Description

通过超声表面波检测材料氢损伤的方法

技术领域

本发明涉及金属材料的无损探伤技术领域，具体而言，涉及通过超声表面波检测（金属）材料氢损伤的装置及方法，尤其是通过超声表面波检测奥氏体材料早期氢损伤的检测方法。

背景技术

金属的氢损伤包括氢脆、氢鼓泡以及氢致开裂等情况，其中，氢脆是可以恢复的，而氢鼓泡和氢致开裂是永久性的，因此，在金属氢损伤的初期就能够评价氢损伤的程度具有非常重要的意义。目前，评价金属材料氢蚀程度的方法通常采用材料力学性能检测法，由于该方法属于破坏性的方法，对于在役设备是不采用此方法进行检测的，需要采用无损检测技术对临氢设备氢损伤的程度进行评价，并发展一种能在线实时直接检测临氢设备氢损伤程度的方法，因此，所述无损检测技术和方法对保证临氢设备安全可靠的运行具有十分重要的意义。

现有的超声波检测方法主要集中在体波（即纵波和横波）对于氢损伤程度的表征。在这方面，Watanabe等人通过使用纵波波速和横波波速，发现这两个指标比无损伤的材料波速减少了至少10%和7%。由O’Connell、Budiansky以及Temple（等人）的理论研究表明：材料中的微观裂纹会影响整体弹性模量，从而降低纵波波速V_L和横波波速V_S，他们曾预测：V_L 的减少比Vs 的减少要多。所以，氢蚀将增加V_L/V_S 。由于 ，也就是说：检测氢蚀可通过横波纵波传播时间之比来检测有无氢腐蚀，而不需要知道受检材料的厚度。金属在没有氢损伤的情况下，横波在钢中的传播速度为3230 m/s，纵波在钢中的传播速度为5900 m/s，将之代入以上公式，得到纵横波比为0.5477，此为未受到氢损伤材料的比值。这方面Watanabe总结到：如果V_S/V_L 大于0.55时就认为金属中产生了氢腐蚀。但是，从实际情况看，此种方法适用于检测发生严重氢损伤的材料。

目前，超声波检测氢损伤技术的发展主要集中在体波的检测方法方面，但是，由于体波表征材料厚度方向上的整体材料属性，而实际临氢环境中又具有一定的氢浓度梯度，所以材料的损失情况会不尽相同。如果采用体波去表征，需要知道材料的壁厚，而材料在使用过程中有时候会产生壁厚减薄的情况，不便于实施体波的检测。而采用纵横波比方法判定，只能判定材料严重氢损伤和未损伤，而对于材料的氢损伤初期则不能较好地判定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过超声表面波检测材料氢损伤的装置，它能检测加氢设备和临氢设备氢损伤的情况，避免因氢损伤而导致事故的发生；本发明的再一目的是，根据所述的装置，提供一种通过超声表面波检测材料氢损伤的方法，该方法具有方案简单，操作方便的优点，可实现对加氢设备、临氢设备以及材料氢损伤程度的无损评估，对化工炼油设备的安全以及设备的维护具有非常积极的作用。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。

一种通过超声表面波检测材料氢损伤的装置， 其特征是，包含高频超声表面波发射、接收系统和便携式工控机；所述高频超声表面波发射接收系统包括高频超声表面波发射探头、高频超声表面波接收探头、基板、导轨和定位螺母，所述高频超声表面波发射探头、高频超声表面波接收探头设置在基板中间的导轨上，由定位螺母卡位固定，所述基板放置在待测设备或材料上；所述便携式工控机包括数据采集模块、发射模块、信号处理模块、功率放大模块、 A/D转换模块、信号发生模块、软件控制平台及其连接线，所述软件控制平台通过信号发生模块、功率放大模块、发射模块向高频超声表面波发射探头输出信号，发射模块的输出与高频超声表面波发射探头的输入端相连；所述高频超声表面波接收探头的输出与所述数据采集模块的输入端相连，所述数据采集模块自高频超声表面波接收探头接收的信号通过信号处理模块、A/D转换模块将处理的信号输入软件控制平台，由便携式工控机进行操作与控制。

进一步，所述高频超声表面波发射探头、高频超声表面波接收探头设置在基板中间同一个导轨上，由不同的定位螺母固定它们彼此在同一个导轨上的距离。

进一步，所述高频超声表面波发射探头、高频超声表面波接收探头设置在基板中间不同的导轨上，由不同的定位螺母固定它们在不同导轨上的距离。

进一步，所述高频超声表面波发射探头、高频超声表面波接收探头都与楔块相配合，从而产生由纵波到表面波的波形模式转换。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。

一种通过超声表面波检测材料氢损伤的方法，其特征是，包含以下步骤：

（1）检测装置的应用

将高频超声表面波发射探头、高频超声表面波接收探头设置在基板中间的导轨上，用定位螺母固定好位置，控制好所述发射探头与接收探头的检测距离，在所述发射探头与接收探头上涂上耦合剂，将所述基板贴置在待测设备或材料上；

（2）软件控制平台的设置

在软件控制平台中设置基于USPC-3100超声数据采集卡编写的Labview数据处理软件，用所述软件设定发射信号的频率、激励频率、增益、探头收发模式的参数，然后，由软件控制平台触发信号脉冲；

（3）产生超声表面波            

软件控制平台触发的信号通过信号发生模块、功率放大模块、发射模块和高频超声表面波发射探头引发纵波模式，通过表面波楔块导致波的模式转换，从而产生在待测设备或材料表面传播的超声波、即超声表面波；

（4）超声表面波的传播与信号的转换

步骤（3）产生的超声表面波在待测设备或材料上沿着所述导轨方向传播一段距离后，到达高频超声表面波接收探头，此时，机械振动信号转换成电压信号，所述电压信号再由数据采集模块对所截取的信号进行采集、并由信号处理模块进行处理数据处理，得到模拟信号；

（5）电压信号转换数字信号

步骤（4）所述的电压信号由数据采集模块、信号处理模块进行处理后，再由A/D转换模块变成数字信号，所述数字信号进入软件控制平台；

（6）检测设备或材料的氢损伤程度

由软件控制平台中的交互式Labview数据处理软件对步骤（5）的数字信号进行分析处理，即可检测或判断待测设备或材料的氢损伤程度；所述软件控制平台受便携式工控机的操作与控制。

进一步，步骤（2）所述的Labview数据处理软件为基于USPC-3100超声数据采集卡编写的软件，在所述软件中，“Pulse”模块为脉冲的选定，主要设置电压大小以及与探头相匹配的频率；“Receiver”模块为探头模式的设定，可以设定为发射探头、接收探头以及集合发射和接受功能的单发-单收模式；“Gain”模块为信号增益的调节；“A-Scan”模块为A扫描的设定，能设置时间起点以及坐标间隔、延时功能、材料中的波速以及波形显示方式；“Gate1”和“Gate2”为门I和门II的设定，可以设定门的宽度、起始位置以及高度，来截取门范围内的超声波信号；TOF值为门所获取的数据处理后得到的值，代表超声表面波经历发射探头到接受探头所需要的时间。

进一步，步骤（1）所述的耦合剂为甘油型耦合剂。

本发明是积极效果是：

（1）检测装置设备轻巧，携带方便，仪器操作灵活，探头与楔块安装或拆卸方便。

（2）检测方法适用于在役加氢设备和临氢设备以及材料的氢损伤检测，能克服常规纵波评估氢损伤方法的局限性，降低人工检测的强度，节省人力和物力。

（3）在役设备无需停工，即可对设备进行在线监测和无损检测。

（4）检测过程成本低，无需辅助设备或者相关材料的破坏性评估，对化工炼油设备的安全以及设备的维护具有非常积极的作用。

附图说明

图1为本发明通过超声表面波检测材料氢损伤的装置的结构示意图。

图2为便携式工控机检测电路的示意框图。

图3为软件操作平台。

图4为氢浓度与超声表面波关系图。

图中的标号分别为：

01、待测设备或材料；1、高频超声表面波发射探头；2、高频超声表面波接收探头；

3、基板；           4、导轨；                  5、定位螺母；

6、数据采集模块；   7、发射模块；              8、信号处理模块；

9、功率放大模块；  10、A/D转换模块；          11、信号发生模块；

    12、软件控制平台； 13、便携式工控机。

具体实施方式

以下结合附图介绍本发明的具体实施方式。但是需要指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。

参见图1。一种通过超声表面波检测材料氢损伤的装置，包含高频超声表面波发射探头1、高频超声表面波接收探头2、基板3、导轨4、定位螺母5和便携式工控机13。

将高频超声表面波发射探头1、高频超声表面波接收探头2设置在基板3中间的同一个导轨4上，用不同的定位螺母5分别卡位将它们固定在导轨4上并保持一定的距离。所述高频超声表面波发射探头1、高频超声表面波接收探头2能够产生由纵波到表面波的波形模式转换。所述基板3为设置导轨4、安装所述发射探头1和接收探头2的基础结构件，在基板3中间只设置一个导轨4。所述发射探头1和接收探头2通过所述基板3放置在待测设备或材料01上。

参见图2。所述便携式工控机13包括数据采集模块6、发射模块7、信号处理模块8、功率放大模块9、 A/D转换模块10、信号发生模块11、软件控制平台12（Labview数据处理软件）以及连接线。所述软件控制平台12通过信号发生模块11、功率放大模块9、发射模块7向高频超声表面波发射探头1输出信号，其连接关系为：软件控制平台12的一侧与信号发生模块11连接，信号发生模块11的输出端与功率放大模块9的输入端相连，功率放大模块9的输出端与发射模块7的输入端相连，由发射模块7的输出端与高频超声表面波发射探头1的输入端连接。

软件控制平台12通过采集模块6、信号处理模块8、A/D转换模块10接收高频超声表面波接收探头2输出的信号，其连接关系为：由数据采集模块6的输入端与高频超声表面波接收探头2输出端的相连，数据采集模块6的输出端与信号处理模块8的输入端相连（信号处理模块8包含相应的滤波和放大电路，对数据采集模块6输入的信号进行相应的处理），信号处理模块8的输出端与A/D转换模块10的输入端相连，A/D转换模块10连接至软件控制平台12（信号经过A/D转换后进入软件控制平台12进行分析和处理），由便携式工控机13进行操作与控制。

在上述连接关系中，A/D转换模块10的输出端和信号发生模块11的输入端是与软件控制平台12（Labview数据处理软件）相连的。全部的数据采集模块6、发射模块7、信号处理模块8、功率放大模块9、A/D转换模块10、信号发生模块11以及软件控制平台12（Labview数据处理软件）构成便携式工控机13的完整内容。

本发明通过超声表面波检测材料氢损伤的方法，包含以下步骤：

（1）检测装置的应用

将高频超声表面波发射探头1、高频超声表面波接收探头2设置在基板3中间的导轨4上，用定位螺母5固定好位置，控制好所述发射探头与接收探头的检测距离，在所述发射探头1与接收探头2上涂上耦合剂，将所述基板3贴置在待测设备或材料01上。

（2）软件控制平台12的设置

在软件控制平台12中设置基于USPC-3100超声数据采集卡编写的Labview数据处理软件，用所述软件设定发射信号的频率、激励频率、增益、探头收发模式的参数，然后，由软件控制平台12触发信号脉冲。

（3）产生超声表面波

软件控制平台12触发的信号通过信号发生模块11、功率放大模块9、发射模块7和高频超声表面波发射探头1引发纵波模式，通过表面波楔块导致波的模式转换，从而产生在待测设备或材料01表面传播的超声波、即超声表面波。

（4）超声表面波的传播与信号的转换

步骤（3）产生的超声表面波在待测设备或材料01上沿着所述导轨4方向传播一段距离后，到达高频超声表面波接收探头2，此时，机械振动信号转换成电压信号，所述电压信号再由数据采集模块6对门所截取的信号进行采集、并由信号处理模块8进行处理数据处理，得到模拟信号。

（5）电压信号转换数字信号

步骤（4）所述的电压信号由数据采集模块6、信号处理模块8进行处理后，再由A/D转换模块10变成数字信号，所述数字信号进入软件控制平台12。

（6）检测设备或材料的氢损伤程度

由软件控制平台12中的交互式Labview数据处理软件对步骤（5）的数字信号进行分析处理，即可检测或判断待测设备或材料01的氢损伤程度；所述软件控制平台12受便携式工控机13的操作与控制。

参见图3。所述Labview数据处理软件是采用Labview语言基于USPC-3100超声数据采集卡编写的软件操作平台。用所述软件设定发射信号的频率、激励频率、增益、探头收发模式的参数，然后，由软件控制平台12触发信号脉冲。在所述Labview数据处理软件中：

Pulse模块用于设置脉冲、电压大小以及与探头相匹配的频率、探头模式的设定（发射-接收模式，以及集合发射和接受功能的单发-单收模式）。

“Receiver”模块为探头模式的设定，可以设定为发射探头，接收探头，以及集合发射和接受功能的单发-单收模式。

Gain模块用于调节信号的增益。

A-Scan模块用于A扫描的设定，可以设置时间起点以及坐标间隔、延时功能、材料中的波速以及波形显示方式。

Gate1和Gate2为门I和门II的设定，用于设定门的宽度、起始位置以及高度，用来截取所述门I和门II范围内的超声波信号，然后由数据采集模块6对门I和门II所截取的信号进行处理，得到相关的声学参数，数据采集主要依靠数据采集模块6进行。

TOF值为门所获取的数据处理后得到的值，代表超声表面波经历高频超声表面波发射探头1、高频超声表面波接收探头2所需要的时间。

本发明通过超声表面波检测材料氢损伤的装置能够随时更换不同频率的探头和楔块，并能显示出声波的波高以及超声波信号从激发到接受所经历的时间值。接受的信号（超声波数据）由软件控制平台12（Labview数据处理软件）进行数据处理：根据两个回波之间的TOF值计算表面波波速，距离则是两倍的试样厚度，TOF值的检测精度为5ns，表面波波速检测误差在ΔV=±1m/s。

参见图4。本发明通过超声表面波检测材料氢损伤的装置及方法的原理是：

从图4中可以看出，当平均氢浓度Cavg =33ppm时，表面波波速有一个转折点下降的较快。氢致马氏体相变的临界氢浓度为C*=30ppm。当氢浓度随着深度有一个梯度变化现象时，越靠近表面的区域越容易先到达临界氢浓度。因而，在前半段线性变化区域中表面波波速变化平缓，这主要受到一个马氏体/奥氏体混合区域的影响，由于此时在表面波影响范围内（对于10 MHz频率来说，波长约为0.32mm），在表层很少的区域发生了相变，整个区域的材料属性仍然偏向奥氏体的材料属性。而在后半段线性变化的斜率较大，波速变化更快的原因可以认为是，主要受到了马氏体相变的影响。随着充氢时间的增加，整个区域的浓度水平平均达到了临界浓度，所以整个区域都会有马氏体相变发生，因此，材料属性偏向马氏体。通过电化学方法和表面波波速建立起的对应关系，可以知道：当波速为2840m/s时，开始发生初期的氢损伤。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种通过超声表面波检测材料氢损伤的方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）检测装置的应用

将高频超声表面波发射探头（1）、高频超声表面波接收探头（2）设置在基板（3）中间的导轨（4）上，用定位螺母（5）固定好位置，控制好所述发射探头与接收探头的检测距离，在所述发射探头（1）与接收探头（2）上涂上耦合剂，将所述基板（3）贴置在待测设备或材料（01）上；

（2）软件控制平台（12）的设置

在软件控制平台（12）中设置基于USPC-3100超声数据采集卡编写的Labview数据处理软件，用所述软件设定发射信号的频率、激励频率、增益、探头收发模式的参数，然后，由软件控制平台（12）触发信号脉冲；

（3）产生超声表面波

软件控制平台（12）触发的信号通过信号发生模块（11）、功率放大模块（9）、发射模块（7）和高频超声表面波发射探头（1）引发纵波模式，通过表面波楔块导致波的模式转换，从而产生在待测设备或材料（01）表面传播的超声波、即超声表面波；

（4）超声表面波的传播与信号的转换

步骤（3）产生的超声表面波在待测设备或材料（01）上沿着所述导轨（4）方向传播一段距离后，到达高频超声表面波接收探头（2），此时，机械振动信号转换成电压信号，所述电压信号再由数据采集模块（6）对所截取的电压信号进行采集、并由信号处理模块（8）进行数据处理，得到模拟信号；

（5）电压信号转换数字信号

步骤（4）所述的电压信号由数据采集模块（6）、信号处理模块（8）进行处理后，再由A/D转换模块（10）变成数字信号，所述数字信号进入软件控制平台（12）；

（6）检测设备或材料的氢损伤程度

由软件控制平台（12）中的交互式Labview数据处理软件对步骤（5）的数字信号进行分析处理，即可检测或判断待测设备或材料（01）的氢损伤程度；所述软件控制平台（12）受便携式工控机（13）的操作与控制。

2.根据权利要求1所述的通过超声表面波检测材料氢损伤的方法，其特征在于，步骤（2）所述的Labview数据处理软件为基于USPC-3100超声数据采集卡编写的软件，在所述软件中，“Pulse”模块为脉冲的选定，主要设置电压大小以及与探头相匹配的频率；“Receiver”模块为探头模式的设定，能设定为发射探头、接收探头以及集合发射和接受功能的单发-单收模式；“Gain”模块为信号增益的调节；“A-Scan”模块为A扫描的设定，能设置时间起点以及坐标间隔、延时功能、材料中的波速以及波形显示方式；“Gate1”和“Gate2”为门I和门II的设定，用于设定所述门I和门II的宽度、起始位置以及高度，来截取所述门I和门II范围内的超声波信号；TOF值为所述门I和门II所获取的数据处理后得到的值，代表超声表面波经历发射探头到接受探头所需要的时间。

3.根据权利要求1所述的通过超声表面波检测材料氢损伤的方法，其特征在于，步骤（1）所述的耦合剂为甘油型耦合剂。