CN85105654A - 超声探伤的方法及其仪器 - Google Patents

Abstract

多个超声波换能器或探头，围绕被测物件周围放置。被测物如钢管……。其中一个换能器受激，向被测区发射超声波束。其它换能器接收它的反射波和透射波。然后，量度反射波和透射波的声压，用算术除法，即反射波声压除以透射波声压得到评价值。

Description

这是一项关于无损超声探伤的方法及其仪器的发明。适于探测由于时间的原因在固体件中，例如离心铸造法制成的钢管中产生的裂纹。

加热奥氏体钢管，如HK-40（含碳0.4%，铬25%，铌20%）。使气体易于和水蒸气接触，形成抗热铸造管。奥氏体钢管用离心铸造法制造，以提高其耐腐蚀性，抗热性和耐压性能。许多这样的铸造钢管焊到一起，达到规定的管长。使用时，蒸气和气体原料压入放有催化剂的钢管中，由外加热器加热到高温。因管子处于高温高压下，大约三年后，因加热的管子外表面和冷的内表面间的温度差即因这一温度差引起内表面的缺陷，可能产生与时间有关的裂纹。以无损方式检验裂纹，准确掌握管子的剩余使用寿命，对钢管的稳定运行和安全是非常重要的。

离心铸造管裂纹的无损检验方法有X线照相和超声探测。

X射线照相检验法对检测在射线传播方向上有一定线度的裂纹是有效的。如果这些裂纹的厚度等于或大于被测物体厚度的1%，且沿垂直于射线的传播方向伸展，那么能够有效地被检出。而其他缺陷，比如划痕，则不能为X照相法检出，因此，X射线照相法在检测精度上是很低的。

对相对均匀的钢材，例如普通锻钢和铸碳钢，用超声探伤检查内部裂纹是很有效的。我们已知道有各种超声探伤方法。例如：反射法透射法和共振法。有些超声探伤法用一个或两个超声波探头，垂直于被测物体或斜向被测物体发射超声波，可以根据物体的形状，裂纹的类型和其它因素选择不同的探测方法。

可是，对离心铸造的奥氏体抗热钢管，在探测裂纹中一直有在一个困难。即管的材料使超声波能量到被测点时衰减很大，且粗大的晶粒界面产生的反射使显示图象被许多回声脉冲搞得很复杂。还有一个问题是：由于外管表面的铸造表面的影响，使得透过钢管达到须要的超声波能量很困难。因此，用超声探测奥氏体铸造抗热管的缺陷探出率不高，故未获得人们足够的信赖。

日本未审查的专利申请No.Sho58-47252披露了探测钢管环形焊接部位裂纹的技术。在相对部位靠近焊缝，测量透射过焊缝的超声波能量，按照求解方程，加上或减去三次的测量值，确定是否存在缺陷。但是，测量点的材料性质不同，而材料性质的差别又影响噪声水平。再测，选择的三个测量点并不总是具有好的精度。所以这种裂纹探伤技术的精度仍是较低的。

日本未审查专利申请No.Sho.59-99251中采用三个超声探头同样遇到了上述问题。

审请人已就补偿材料衰减系数差的方法登记了日本专利申请No、59-146488，这种方法能解决由于各探头发射和接收系数不同，超声波波谱不同（离散谱）及未经上材料性质的差别而产生的超声波能量的离散问题。

此发明的一个内容是提供超声探伤方法，采用多个超声波探头，取一固定的值，探测不均匀的，大晶粒的奥氏体不锈钢件的裂纹，而不受探头发射和接收系数的不同，点入射和出射系数的差别，超声波波谱的变化及未经上材料性质的不同的影响。

本发明的另一个内容是提供完成上述方法的仪器。

根据这个发明，多个超声波机能器置于被测物体的周围。其中之一受激，向被测物体区发出超声波束，接收对应发射超声波束的反射和透射超声波，然后测量反射波和透射波的声压，用反射波声压除以透射波声压，得到评价值。

本发明最好的一个具体装置，四个超声波换能器相互成一定角度置于被测物体区的周围，这四个换能器顺序激发发出超声波束，其中两个，一个与发射器相邻，一个与发射器相对，分别接收反射和透射的超声波。

另一个具体装置，两个超声换能器分别配置在被测区两侧，轮流发射超声波束，同时启动，分别接收反射和透射超声波。

第三个具体装置，四个超声换能器相互成一定角度分别置于区的四周，其中两个轮流受激发射超声波束，另两个，一个与发射器相邻，一个相对于换能器，分别接收反射和透射的超声波。

第四个具体装置，三个超声换能器相互成一定角度分别置于区的四周，其中两个，同时分别启动接收反射和透射的超声波。

本发明的超声探伤方法能用仪器完成。此仪器有多个换能器相对被测物体移动。顺序向被测物件区发出超声波，并接收反射和透射波。把接收的超声波转换为电信号，位置编码器指明超声波换能器与被测物体的相对位置且用来记录位置信号以顺序激发换能器及接收从换能器来的电信号。数字转换器把收到的电信号转换为数字信号。寄存器存贮数字信号，计算机处理从寄存器来的数字信号，用反射超声波压除以透射声波压。

上述方法，还包括一道选择器，它顺序选择某一超声换能器为发射器，选择另两个超声换能器为接收反射和透射超声波的接收器，超声试验台激动既定的发射器并从即定的接收器接收电信号。

结合附图及下面的描述，本发明的上述及其它内容，特征及优点将会更清楚，附图中用图例方法把发明极如地具体化。

图一是一视图，表示按本发明用四超声探头方法的结构。

图2a到图Zh是一组图，表示围绕被测管不同园周角度，不同的探头对之间，反射和透射超声波能量的波形。

图3，描述了从图2a到图Zh经算术运算得到的波形。

图4，为发明的另一具体装置，两超声探头的结构图。

图5，为用三个超声探头方法的具体装置结构图。

图6是更进步的方法，用四个超声探头的具体结构图。

图7表示围绕被测管子的不同园周角度，一对探头间的反射超声波能量波形。

图8表示围绕被测管子的不同园周角度，一对探头间的透射超声能量波形。

图9表示围绕被测管子的不同园周角，按图5的探头排列测到的数据导出的评价值图。

图10，类似图9，表示由平均数据导出的评价值图。

图11，为实现本发明的流程方框图。

参照图1阐述本发明的一个超声波探伤方法。在图1中，超声波探伤方法检查一加热的奥氏体抗热铸钢管。当然，本发明也适于检查那一点的板材缺陷，还适于由晶粒所产生的高燥声材料制成的管子和板材。

如图1所示，四个超声波探伤探头或换能器A、B、C、D围绕被测管子1配置，超声波探头A、B、C、D安放如下：产生的超声波穿过钢管1的轴线和园周，并为沿钢管1的园周伸展的内部缺陷O反射。更具体地说：当探头A受起发射超声波束时，将探头B接收从缺陷0反射的超声波。而探头C接收透射过缺陷0的超声波束。当其它的探头B、C、D分别受激发射超声波束时，探头组A、D，或D，A或C、B同样做为接收器接收反射和透射超声波能。管1中的超声波束经由箭头示于图一。

四个探头A、B、C、D顺序受激做为发射器发射超声波束时，相应的探头对则顺序接收反射和透射超声波。

如上超声波顺序发射和接收过程的结果，四个探头A、B、C、D顺序测量到四个超声波反射能或声压，PAB、PBA、PCD、PDC和四个透射超声波能或声压，PAC、PCA，PDB，PBD。

所接收的声压表示如下：

反射：

PAB＝PA·ζA·ξAO·δAB·ξOB·ηB。

PBA＝PB·ζB·ξBO·δBA·ξOA·ηA。

PCD＝PC·ζC·ξCO·δCD·ξOD·ηD。

PDC＝PD·ζD·ξDO·δDC·ξOC·ηC。

透射：

PAC＝PA·ζA·ξAO·γAC·ξOC·ηC

PCA＝PC·ζC·ξCO·γCA·ξOA·ηA

PDB＝PD·ζD·ξDO·γDB·ξOB·ηB

PBD＝PB·ζB·ξBO·γBD·ξOD·ηD

其中

PAB（PBA、PCD、PDC、PAC、PCA、PDB、PBD）探头A（B、C、D、A、C、D、B）发射的超声波为探头B（A、D、C、D、A、B、D）接收。

PA（PB、PC、PD）：探头A（B、C、D）发射的声压。

ζA（ζB、ζC、ζD）：探头A（B、C、D）的发射系数。包括管表面的入射系数。

ξAO（ξBO、ξCO、ξDO、ξDA、ξDB、ξDC、ξOD）各种影响因素。如基于波形和探头A（或缺陷）（B、C、D、D，O，D，O）到缺陷（或探头）（O，O，O，A，B，C，D）未经上未长，品格产生的超声波弥散，及材料性质的差别引起的弥散。

δAB（δBA、δCD、δDC）探头A（B、C、D）到探头B（A、D、C）的缺陷反射系数。

γAC（γCA、γDB、γBD）未从探头A（C、C、B）到探头C（A、B、C）的缺陷透射系数。

ηA（ηB、ηC、ηD）探头A（B、C、D）的接收系数（包括管表面的射出系数）。

四个反射声压的积除以四个透射声压的积于是：

(反射声压的积)/(透射声压的积) ＝ (PAB×PBA×PCD×PDC)/(PAC×PCA×PDB×PBD)

＝ (δAB×δBA×δCD×δDC)/(γAC×γCA×γDB×γBD)

＝仅与缺陷形状有关的常数

＝Kc⁴

上述数字运算已为实验所验证，以图1配置超声探头，受激产生1MHz频率的超声波对钢管做了探测，钢管外径为123mm，内径为83.6mm在1/2管壁厚处有19.7mm厚，沿园周长20mm多的缺陷。结果示于图2a到2h。

图2a到2h中的每一幅图中，水平轴为围绕钢管的园周角，纵轴为相应接收的声压。图2a为探头A发射超声波，探头B接收缺陷反射的超声波，图2b为探头A发出的超声波，透射过缺陷，探头C接收的声压。图2c为探头B发出超声波，被缺陷反射后，探头A所接收的声压，图2d为探头C发出的超声波，透射过缺陷，为探头C接收的声压。图2c为探头C发出的超声波，经缺陷反射，被探头D接收的声压。图2f为探头B发出的超声波，透射过缺陷，为探头D接受的声压。图2g为探头D发出的超声波被缺陷反射，为探头C接受的声压。图2h为探头D发出的超声波，透射过缺陷，为探头B接受的声压。实际检测过程中，探头ABCD在工作的同时，围绕钢管移动，最后位置误差为n个meec（ms）而考虑到未的弥散，这是可以忽略的。

图3展示了按本发明，把测得数据经算术运算所得结果。在图3中，除缺陷0之外，接收的杂乱噪声，如未经上晶粒边界的散射波，经过算术运算而变平整了。导致降低了声压。因此用以上算术运算，降低了噪声，突出了缺陷信号。所以，改善了S/N44。

此发明并不仅限于探测抗热奥氏体铸钢加热管，而且可用于各种形状和材料中裂纹的探伤。例如，各段具有不同超声波衰减，不同晶粒尺寸及形状的铸块和板材。

虽然，在上述具体装置中，缺陷O取向为钢管的园周方向，但是用图1相同的探头排列也可检测轴向缺陷。在操作中，例如探头A为超声波发射器时，那么，探头O为接收器接收轴向缺陷的反射超声波。收到的声压表示如下

反射：

PAD＝PA、ζA、ξAO、δAD、ξOD、ηD、

PBC＝PB、ζB、ξBO、δBC、ξOC、ηC、

PCB＝PC、ζC、ξCO、δCB、ξOB、ηB、

PDA＝PD、ζD、ξDO、δDA、ξOA、ηA、

透射：

PAC＝PA、ζA、ξAO、γAC、ξOC、ηC、

PCA＝PC、ζC、ξCO、γCA、ξOA、ηA、

PDB＝PD、ζD、ξDO、γDB、ξOB、ηB、

PBD＝PB、ζB、ξBO、γBD、ξOD、ηD、

因此：

(反射声压积)/(透射声压积) ＝ (PAD×PBC×PCB×PDA)/(PAC×PBD×PCA×PDB)

＝ (δAD×δBC×δCB×δDA)/(γAC×γBD×γCA×γDB)

＝仅与缺陷形状有关的常数

＝KP⁴

图4展示本发明的另一超声波探伤方法和具体装置。此超声探伤方法用于在被测物件中例如钢管，缺陷O取固定方向。两个探头或换能器A、B分别置于缺陷O的两侧，缺陷夹在中间里沿法线方向。工作时，探头A受激做为超声发射器朝探头B发出超声波束。探头B接收透射过缺陷的超声波束。探头A交替做为超声波的发射器/接收器，向探头B发射声波束。则探头A在束经AA上收到缺陷O的反射波，探头B在束经AB上接收到透射过缺陷的超声波。

然后，探头B受激做为超声波发射器朝探头A发出超声波束，而探头A接收透射过缺陷O的超声波。探头B轮流做为超声波的发射器/接收器，向探头A发射超声波。则探头B在束经BB上，接收缺陷O的反射波，探头A在束经BA上接收透射过缺陷O的超声波。

在以上超声波发射和接收过程中，两个探头A、B轮流测到两个反射超声波能或日声压PAA、PBB、及两个透射超声波能或日声压PAB、PBA。

接收的声压表示如下;

反射：

PAA＝PA、ζA、ξAO、δAA、ξOA、ηA、

PBB＝PB、ζB、ξBO、δBB、ξOB、ηB、

透射：

PAB＝PA、ζA、ξAO、γAB、ξOB、ηB、

PBA＝PB、ζB、ξBO、γBA、ξOA、ηA、

其中：

PAA（PBB、PAB、PBA）：探头A（B、A、B）发出超声波束，探头A（B、B、A）接收到声压。

PA（PB）：探头A发射的声压、

ζA（ζB）：探头A（B）的发射系数，包括钢管表面的入射系数。

ξAO（ξBO、ξOA、ξOB）：各种影响因素，如基于波形和从探头A（或缺陷）（B、O，O）到缺陷O（或探头）（D，A，B）的束经上的束长，晶体引起的超声波弥散及材料性质差别引起的超声波离散。

δAA（δBB）：探头A（B）到探头A（B）缺陷上的反射系数。

γAB（γBA）：探头A（B）到探头B（A）缺陷的透射系数。

ηA（ηB）：探头A（B）的接收系数。（包括钢管表面的出射系数）。

两个反射声压之积除以两个透射声压之积

于是：

(反射声压之积)/(透射声压之积) ＝ (PAA×PBB)/(PAB×PBA)

＝ (δAA×δBB)/(γAB×γBA) ＝仅与缺陷形状有关的常数

＝K²

从上面算术运算的计算结果用一不变的值，总是可以判定是否有在缺陷。

计算的值最好开所乘项数次方，以得到评价值K。调节输出水平，易于评价结果。

图5是本发明的另一具体装置解释超声波探伤方法。当所有的影响因素，诸如：因波形和束经上的束长，晶粒产生的超声波弥散。材料性性质均相同，探头的接收系数也相同。在图5中，超声波探头或换能器A、B分别置于被测物件或钢管1中缺陷2的两侧，所以，探头A发出的超声波束将透射过缺陷2射向探头B另一超声波探头或换能器c接收缺陷2的反射超声波。缺陷2到探头c的长度为探头A到探头B的束经长的一半。探头A、B间的束经中心点为D。从探头A到探头B的透射超声波束方向为箭头RB，从探头A经缺陷2到探头C的反射超声波束方向为箭头RC，参考标志RB、RC、在下文为此方向传播的超声波能声压。

因此，图5中的探头B、C的作用是测量透射和反射超声波的量。即是说，探头A发出的超声波的透射和反射声压RB、RC分别在钢管的既定轴向上且在整个园周表面上。测量数据处理如下：

反射和透射声压RC、RB表示如下：

RC＝POKΓRe-μe

RB＝POKГTe-μe

其中：RC：反射声压、

RB：透射声压

K：与钢管表面超声波传播和离散此的倒数有关的系数。

ΓR：缺陷的反射系数。

ΓT：缺陷的透射系数。

μ：衰减系数。

l：透射和反射超声波的距离。（束经长）

PO：探头A发出的声压。

按此具体装置，使如下的评价公式与测得数值联系：

评价值＝RC/RB＝ΓR/ΓT

＝仅与缺陷形状有关的常数。

图6示出另一具体装置中超声波探头的排列。二段钢管1a、1b、焊到一起，焊缝了的材料性质不同，有一缺陷2、两段钢管1a、1b的衰减系数为μ₁，μ₂，除衰减系数外，被测件上的其他影响因素都是常数。探头发出的声压，发射系数和接收系数均相互接近相同。两个发射探头A₁、A₂和两接收探头B₁、B₂相对于含有缺陷的被测区成对配置。接收探头B₁接受发射探头AO发射，为缺陷2反射的超声波R₁，也接受发射探头A₂的发射，透射过缺陷2的超声波束R₄。接收探头B₂接受发射探头A₂发射，为缺陷2反射的超声波R₂也接受A₁发射的，透射过缺陷2的超声波束R₂，参考标志R₁，R₂，R₃，R₄还将表示超声波束及反射波的接收声压。

接收声压如下：

R₁＝POГRke

R₂＝POГRke

R₃＝POГTke

R₄＝POГTke

评价值＝R₁×R₂/R₃×R₄＝

＝仅与缺陷形状有关的常数

评价值对探查是否存在缺陷是有效的，它不依赖焊缝两侧材料性质的变化及其固有特性探伤是很可靠的。

围绕钢管移动探头成功地测量数据，所测数据及相互关系如下：

图η是测得反射超声波数据图。探头排列如图5，图中水平轴表示绕钢管的园周角。纵轴为反射声压强度。图8是同时测到的透射超声波数据图，探头排列如图5，图中，水平轴表示绕钢管的园周角。纵轴为透射声压强度。试验钢管的缺陷是人为的，深度为1/2的管壁厚图7图8中用箭头标明了缺陷的位置。因此把管子的材料性质和缺陷条件简化。图7和图8的波形在许多反射波和透射波声压中清楚地显示了缺陷。然而，9/5真用多心铸造法制造的钢管，在图上鉴别缺陷还是相当困难的。

图9是按本发明的方法，计算评价值RC/RB的结果。纵轴为无量钢位，它不受管子材料性质的影响。

如果采用图6所示的超声探头排列，用探测数据计算评价值R₁×R₂/R₃×R₄，可以得到与图7到图9同样的结果。

透射和反射超声波受晶粒界产生的局部散射噪声的影响，这些噪声是杂乱的，随束经不同而变化。因任何缺陷和裂纹都有一定空间厚度。所以，从缺陷反射和透射超声波都供被测钢管展开一定的角度。考虑到局部散射噪声水平和缺陷导致超声波能量水平差，在钢管园周上和轴线上得到的数据应取平均得到二次数据。局部散射噪声变得相对平直。然后，二次数据按本发明处理得到评价值。此过程探测裂纹缺陷有效高的可靠性。如图10所示。即可对原始数据取平均，处理平均数据，也可首先处理原始数据得到评价值，再对评价值取平均。

图11以方框图示出本发明超声探伤的过程。

如图11所示，通道选择器10连接四个超声波探头或换能器A、B、C、D，探头既能向被测物，如钢管发出频率范围从0.1MHz-10MHz的超声波，也能接收钢管的反射和透射起声波。转换为电信号。通道选择器选定一个探头为超声波发射器，其他为接收器。通道选择器顺序以次选择不同的发射器/接收器对，并将它们与超声波试验台11连在一起。试验台既能向选好的超声波发射器不断提供高压，使之能够发射超声波束，也能接收从选好的接收器来的电信号。从超声试验台11出来的电信号经滤波器12滤波，送入认益矫正电路13。矫正到规定值的信号再送入高速数字转换器14A/D把电信号转变为数字信号。从高速数字转换器A/D14出来的数字信号贮于寄存器15。贮存的信号经接口16送入计算机17读出。计算机17可以是16位Cpu，它能把超声波探头A、B、C、D测得的数据按本发明前面所述方法处理成评价值。

探头A、B、C、D与转动编码器18偶合，编码器得到一信号，指出探头相对于钢管的园周角。角度信号从编码器送入编码器接口19产生一触发信号。定时器20接到编码接口19的触发信号，向通道选择器10和超声试验台11输出定时信号，使试验台适时接收超声波探头A、B、C、D的信号。编码器接口19的触发信号也送入角度计量器21，它记下探头相对于管子的位置角度计量器21将信号输入输口16。

尽管之择优描述了具体装置，但应明白许多修改并未脱离所附权利的范围。

Claims (7)

1、超声波探测裂纹的方法，包括的步骤。

(a)围绕被测物体区配置多个换能器，

(b)激发上面所说的超声波换能器之一，向被测物件区发射超声波

(c)接收从物体区反射和透射的超声波，

(d)从反射波和透射波测量声压，

(e)反射超声波声压除以透射超声压得到评价值。

2、按照权利1，一种方法是：四个超声波换能器围绕着被测物件区，相互间成一定空向角度，这四个换能器顺序受激发出超声波束，其中二个，一个与受激换能器相邻，另一个与受激换能器相对角，分别选为接收反射超声波和透射超声波。

3、按照权利1，一种方法是：两个超声波换能器分别置于被测物体区的两侧，它们交替受激发出超声波束，同时启动分别接收反射波和透射波。

4、根据权利1，一种方法是，四个超声波换能器，围绕被测物件区，相互成一定空间角度配置，其中两个轮流受激发射超声波束，另两个，一个与受激换能器相邻，另一个与之相对，分别接收反射波和透射波。

5、根据权利1，一种方法是：三个超声波换能器围绕被测物件区，相互成一定空间角度配置，除一个已提到的超声波换能器外，另两个同时工作，分别接收反射波和透射波。

6、超声探伤的仪器。

（a）多个超声波换能器，它们的配置能和对于被测物移动，顺序向被测物件区发射超声波接收从被测物件区的反射和透射波，并将其转换成电信号。

（b）编码器，它与超声波换能器偶合，产生一表示换能器与被测物件相对位置的角度信号。

（c）数字转换器，它把收到的电信号转换为数字信号。

（d）贮有数字信号的寄存器和

（e）计算机，它把寄存器中的数字信号取出处理成评价值。用反射超声波声压除以透射超声波声压。

7、依据权利6，仪器还有通道选择器，它顺序选择一个超声波换能器为发射器，发射超声波，选择另两个换能器为接收器，接收反射和透射波。最后，仪器还包括超声波试验台它激发选好的超声波发射器并从既定的接收器接收电信号。

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