超声探伤方法讲义.ppt
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1、姚志忠 单位:三浦工业设备(苏州)有限公司 地址:苏州工业园区胜港街南前巷8号 电话:0512-88168333 13306261810 传真:0512-88168261 邮编:215024,超声波探伤方法与探伤工艺,超声波探伤补充教材 (修改版) 编写:姚志忠 中国锅炉压力容器检验协会 教育工作委员会 二00六年四月,超声波探伤方法与探伤工艺(修改版) 编写说明,根据锅炉压力容器压力管道特种设备无损检测人员级资格考核培训班组织委员会的安排,于2004年4月将将本人负责超声波探伤方法和工艺讲课部分的讲稿编印成册,作为级人员超声波探伤专业培训的补充教材。阅读本补充教材时,应同时阅读超声波探伤教材
2、。,本补充教材内容为:第四章超声波探伤方法和通用探伤技术,第五章板材和管材超声波探伤,第六章锻件与铸件超声波探伤,第七章焊缝超声波探伤,第八章超声波探伤工艺。每章中的内容和顺序均与超声波探伤教材全部对应。自JB/T4730-2005承压设备无损检测颁布后发现原补充教材涉及超声检测标准部分的相关内容与,JB/T4730-2005承压设备无损检测第3部分超声检测中相应规定不完全符合,为了更好地贯彻执行JB/T4730-2005承压设备无损检测标准,对原补充教材涉及JB/T4730-2005承压设备无损检测标准的相关内容均按JB/T4730-2005承压设备无损检测标准第3部分超声检测规定内容要求进
3、行了修改,现印刷的为修改版。,由于本人的局限性、缺点和错误难免,请阅读本补充教材的人员提出宝贵意见和建议,使本补充教材更加完善。 本补充教材编写过程中得到中国锅炉压力容器检验协会教育工作委员会杜京社同志的支持与帮助,在此表示感谢! 编写者:姚志忠 2006.4,第四章 超声波探伤方法和通用探伤技术,第一节 超声波探伤方法概述 超声波探伤方法按波的类型可分为脉冲波法和连续波法,按探伤方法原理可分为反射法、穿透法和共振法,按波形可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法和爬波法,按耦合方式可分为直接接触法和液浸法,按探头个数可分为单探头法、双探头法和多探头法,现将各种探伤方法分类列于下图4.1:,超声
4、波探伤方法图例4-1.doc,第二节 仪器与探头的选择,一、探伤仪选择 1.仪器和各项指标要符合检测对象标准规定的要求。 2.其次可考虑检测目的,如对定位要求高时,应选择水平线性误差小的仪器, 选择数字式探伤仪更好。对定量要求高时,应选择垂直线性误差小,衰减器精度高的仪器,对,大型工件或粗晶材料工件探伤,可选择功率大,灵敏度余量高,信噪比高,低频性能好的仪器。对近表面缺陷检测要求高时,可选择盲区小,近区分辨好的仪器。 主要考虑:灵敏度、分辨力、定量要求,定位要求和便携、稳定等方面。,二、探头选择 1. 型式选择:原则为根据检测对象和检测目的决定: 如:焊缝斜探头 钢板、铸件直探头 钢管、水浸板
5、材聚焦探头(线、点聚集) 近表面缺陷双晶直探头 表面缺陷表面波探头,2. 探头频率选择 超声波检测灵敏度一般是指检测最小缺陷的能力,从统计规律发现当缺陷大小为 时,可稳定地发现缺陷波,对钢工件用2.55MHZ,为:纵波2.361.18,横波1.290.65,则纵波可稳定检测缺陷最小值为:0.61.2mm之间,横波可稳定检测缺陷最小值为:0.30.6之间。,这对压力容器检测要求已能满足。 故对晶粒较细的铸件、轧制件、焊接件等常采用2.55MHZ。 对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等因会出现许多林状反射,(由材料中声阻抗有差异的微小界面作为反射面产生的反射),也和材料噪声干扰缺陷检测,故采用较低的0.
6、52.5MHZ的频率比较合适,主要是提高信噪比,减少晶粒反射。,此外应考虑检测目的和检测效果,如从发现最小缺陷能力方面,可提高频率,但对大工件因声程大频率增加衰减急剧增加。对粗晶材料如降低频率,且减小晶片尺寸时,则声束指向性变坏,不利于检测远场缺陷,所以应综合考虑。,3. 晶片尺寸选择: 原则:晶片尺寸要满足标准要求,如满足JB/T4730-2005要求,即晶片面积500mm2,任一边长25mm。,其次考虑检测目的,有利于发现缺陷,如工件较薄,则晶片尺寸可小些,此时N小。铸件、厚工件则晶片尺寸可大些,N大、0小。发现远距离缺陷能力强。,考虑检测面的结构情况 如对小型工件,曲率大的工件复杂形状工
7、件为便于耦合要用小晶片,对平面工件,晶片可大一些。,4. 斜探头K值选择: 原则:保证声束扫到整个检测断面,对不同工件形状要具体分析选择。 尽可能使检测声束与缺陷垂直,在条件许可时,尽量用K大些的探头。薄工件K大些,厚工件K可小些。 根据检测对象选K: 如单面焊根部未焊透,选K=0.7-1.5,即在K=0.84-1时检测灵敏度最高。,第三节 耦合与补偿,耦合就是实现声能从探头向工件的传递,它可用探测面上声强透过率来表示耦合的好坏,声强透过率高,表示声耦合好。,一、耦合剂在工件与探头之间表面,涂敷液体、排除空气,实现声能传递该液体即耦合剂。 实际耦合剂声阻抗在1.52.5106公斤/米2,而钢声
8、阻抗为45106公斤/米2。所以靠耦合剂是很难补偿曲面和粗糙表面对探测灵敏度的影响。 水银耦合效果最好,声阻抗为:19.8106kg/m2与钢接近,但有毒、很贵,故不推荐。,对耦合剂的要求: 对工件表面和探头表面有足够浸润性,并既有流动性,又有附着力强,且易清洗。 声阻抗大,应尽量和被检工件接近。 对人体无害,对工件无腐蚀作用。 来源广,价格低廉。 性能稳定。,二、影响声耦合的主要因素 3.耦合层厚度d: 在均匀介质中: 最好:d=n 即半波长整数倍时声压透射率为1,几乎无反射,声能全部透射。好象耦合层不存在。 最不好:d=(2n+1) 即四分之一波长奇数倍时,声压透射率最低,反射率最高。,此
9、时相当于钢保护膜直探头探测钢件。根据均匀介质中异质薄层对声波的反射特性,其声压反射r为: 在非均匀介质中,根据教材1.37式,当d=n时和d=(2n+1) , 且Z2= 时,声强透射率最大,超声检测大多情况满足次种条件。,由式可看出:当耦合层d=时,r=0、t=1,灵敏度可以保证,但发射反射 脉冲后面干扰振荡增加,也影响缺陷检测,故实际上常使用d0的光滑工件使耦合层d0,效果好。 如果再增加耦合层厚度,可以使界面波和工件多次反射波分得很开,探伤图,形变得很清晰,如控制在底面回波在第二次界面回波前出现,对缺陷判断有利(这是水浸探伤中的水层耦合原理)。,为使耦合层耦合效果好,由教材1.36式和1.
10、37式可知,则必须使r0,此时t1,或T= 达最大,即声能从探头全部透到工件,则由声压反射率表示式知,r0得Sin 0,即d0或d0,但d0,即工件表面越平整,耦合剂层厚d越接近零,耦合越好。,4.工件表面粗糙度影响 由上面均匀介质中异质薄层对声波的声压反射率表示式可知d0时,可得r0。耦合效果越好。表示工件表面光洁度越光越好,表面粗糙度越差。则d越大耦合越差。但是当表面太光后探头和工件之间耦合层由于表面张力吸附作用,变成真空使探头移动困难。同时因真空不能传播声波,使耦合变差。 一般工件要求粗糙度Ra=6.3m,5.耦合剂声阻抗影响 一般液体耦合剂声阻抗均比工件声阻抗小,故对同一探测面(光洁度
11、相工件 材质相同)声阻抗越大的耦合剂耦合效果越好。,6. 工件表面形状影响 平面工件耦合最好。 凸曲面和凹曲面均耦合不好。 在实际工作中,T最大处声压透射率为平面接触时,透射率一半时的曲率半径 为声耦合临界曲率半径R0。,则:R0=0.45fD2Zt/C0Z0(1+Zt/Zm) f频率,D晶片直径,Zt保护膜或斜透声楔声阻抗, Z0耦合剂声阻抗,Zm工件声阻抗,C0耦合剂声速。,当工件曲率半径R与临界曲率半径R0比较R/R0=1时,修正值2.5dB以下, R/R01时,可不修正,此时修正值为2.5dB以下,当R/R01时要修正,可用实测修正。,大致值为: R/R0 = 0.5 0.3 0.2
12、0.1 1 4 5dB 7dB 9 dB 15dB 2.5dB 0dB,三、表面耦合损耗测定与补偿 1. 耦合损耗测定 试块和工件在材质、反射体、探头、仪器相同条件下,仅表面光洁度不同测出相同反射体(声程相同)回波高度dB差。声程不同时,应对声程变化引起的dB差进行修正。,2. 补偿 将试块上反射体回波高调至某高h,再提高测得的dB值,即为补偿。 利用底波反射横波耦合损耗测试实例:,用两个相同规格斜探头,作一发一收方式先在试块上相对探测,分别测得两探头相距一跨距和二跨距时底面回波高H1和H2,在示波屏上作出H1和H2连线。再将两探头在工件上相对探测,同样分别测得两探头相距一跨距和二跨距时底面回
13、波,高h1和h2,在示波屏上作出h1和h2连线。则H1和H2连线位于h1和h2连线上方,这是因为工件表面粗糙耦合差引起的结果,则此两线高度差即为表面耦补偿差dB值。 当试块厚度小于工件时,h1位于H1和H2中间,当试块厚度大于工件时,H1位于h1和h2中间。,第四节 探伤仪调节,一、扫描线比例调节 1.纵波:以工件厚度声程为基准调节,一般将工件二次底波调节10格。 (直探头)一般将工件一次底波调节5格。 多次反射:Bn。根据工件厚和反射次数决定。,2.横波 声程调节法常用于 直探头 管座角焊缝 斜探头 T型焊 可用IIW和IIW2试块法来调节。,水平法 CSK-IA法(利用R100,R50)
14、横孔试块法(CSK-IIIA和CSK-IIA或薄板试块法)。,深度法 CSK-IA(利用R100,R50) CSK-IIIA、IIA。,二、探伤仪灵敏度调节法 1.试块法 根据工件探伤灵敏度要求。 将探头对准标准试块上人工缺陷探测使波高达到某基准波高(如50%高), 再根据工件厚度、要求、调节衰减器达到要求的灵敏度,这方法要注意下到几点: 试块和工件材质不同,衰减不同的补偿。 试块和工件表面粗糙度不同的补偿。,试块反射体声程和工件检测灵敏度要求声程不同引起补偿(扩散、材质)。 试块反射体和工件检测灵敏度要求的反射体种类不同引起补偿。,2.工件底波法调整灵敏度 要求: 工件底面和探测面平行。 工
15、件底面和探测面形状相同,且规则。 dB=20lg 工件底面和探测面形状不同。 如带中心孔的轴或筒体外表面或内表面探测。,A dB =20lg +10lg B dB =20lg 10lg 特点:方便、不用试块 不考虑表面补偿 不考虑材质衰减(底面缺陷和底波声程相同) 方法:只要求出底波高与要求的检测灵敏度反射法之间回波高度差。,第五节 缺陷位置测定,一、纵波(直探头)缺陷定位: 将缺陷波在扫描线上刻度与所调比例对比求得缺陷波声程。,二、表面波探伤缺陷定位: 根据缺陷波前沿位置按所调扫描线比例确定缺陷离探头距离。,三、横波平面工件缺陷定位: 9.声程比例调节 定出水平距离Lf=nTfSin和深度d
16、f=nTfCOS,二次波df=2T-nTfCOS。,10.按水平比例调节 定出:水平距离Lf=nTf可直接在扫描线上读出深度df=nTf/K,二次波 df=2T-nTf/K。,11.按深度比例调节 定出:水平距离Lf=KnTf 深度:df= nTf 二次波:df=2T nTf,四、横波周向探测 1. 外园周向探测 离外表深度 H=R-,弧长, L,=,tg-1,式中:d为扫描线上显示的平板工件深度。 H为曲面工件上缺陷离外表面实际深度。 R 为工件外半径。 K为探头K值。 为缺陷离探头外表面弧长。,L,2. 内壁周向探测 h= r = tg-1,L,特点:hd L L 式中:r为工件内半径。,
17、3. 最大探测壁厚 探头在筒体外表面探测时,主声束与内表面相切时筒体的壁厚即为最大探测壁厚Tm。此时探头折射为:,Sin=(R、r分别为筒体外、内半径) 则 即TmR,4. 声程修正系数和跨距修正系数m。 当探头在外园探测时,设平板工件跨距 AH=2Ttg 工件上横波一次波声程 AG=式中T工件板厚,探头折射角。, 设 AE 为厚度为T的平板工件一次横波声程, 为工件上外园面一跨距弧长,则: = m =, AE,经整理得 = m=,一般: 1.1时可不作修正,则1.1时修正条件,可求得: K=1.0 r/R0.86 K=2.0 r/R0.96 K=2.5 r/R0.975 由上式可得到,和T/
18、D关系曲线 m和T/D关系曲线 实际应用时可查图,可求出缺陷靠近内壁(一次)和外壁(二次)的水平跨距和缺陷位置。 实际缺陷位置仍用前面外壁探测公式,本节只起是否要修正来说。,第六节 缺陷大小测定,一、当量法 适用于小于声场的缺陷的当量测定。 12.当量试块比较法 方法:将人工缺陷(试块上标准反射体)与工件中自然缺陷回波比较,定出 的缺陷当量。,要求: 加工一系列不同声程,不同形状(平底孔或横孔),不同尺寸(直 径不同)试块,将自然缺陷声程与试块上声程相近的反射体比较。,试块与工件材质相近或相同,光面光洁度,工件形状相同或一致。 探测条件一致,仪器、探头、灵敏度一致。 优点:直观,测得当量值较明
19、确。 缺点:要做大量试块,成本高。 对X3N时做试块不易,故仅在X3N时应用。,13.当量计算方法 当量:不同类型和不同大小的工件中的任何缺陷反射回波高与同声程的某 标准(规则)反射体的反射回波高相同时,则该标准(规则)反射体的类型和尺寸即为该缺陷的当量。 由于实际缺陷的几何形状,表面状况、方向,缺陷性质各不相同,其声吸 收、声散射比标准规则几何反射体复杂的多。,一般实际缺陷总比所定的当量值大35倍,或更多。 当量计算方法: 利用规则形状反射体回波声压(第二章中介绍的几种)与缺陷回波声压(缺 陷波高dB值)进行比较得到缺陷当量。 基本公式:(各标准反射体回波声压) 大平底:,平底孔: 长横孔:
20、 短横孔: Lf短横孔长,Df短横孔直径。 球孔:,园柱曲面:PC= 凸面 r内半径 PC= 凹面 R外半径。,考虑材质衰减应均乘上:e- 式中:P=2P0Sin 在X3N时 P= 具体计算: 用公式计算:应根据缺陷波高与所定探伤灵敏度比较或和底波高比较,再与探伤灵敏度比较。,计算时应考虑: 材质衰减。 如题中不考虑,就不管。 如题中告诉衰减,要弄清是双程还是单程的。 是否要不同孔型之间相互换算。 如灵敏度为平底孔,题中要求求出长横孔当量,这要互换。 X3N近似准确。, 用AVG图计算,可直接查得缺陷相对大小G,再乘探头晶片尺寸DS则可得缺陷尺Df。 用实用当量曲线可在曲线上直接查得缺陷当量直
21、径。,二、测长法: 适用于缺陷尺寸大于声束截面时的缺陷。 指示长度:根据缺陷波高,用探头移动距离的方法。按规定方法测得的缺陷长称指示长度。,特点:由于工件中实际缺陷取向、性质、表面状态均影响缺陷回波高度。故指示长度一般小于或等于实际长度(此时所用dB值即缺陷波最高波下降dB值6dB时),当dB6dB时,一般将缺陷测大,即指示长度大于实际长度。,1. 相对灵敏度测方法 相对灵敏度法是以缺陷最高回波为基准,使探头沿缺陷长度方向两端移动,使缺陷波下降一定的dB值。常用6dB(半波)、12dB(波高)、20dB(全波消失)。, 6dB法(半波) 适用于: 缺陷只有一个高点 缺陷基本垂直声束 缺陷沿探头
22、移动方向基本均匀 缺陷长度大于声束截面,指所用波束截面 这里指6dB波束截面, 端点6dB法:一般将缺陷测大 缺陷有多个高点时,用端部6dB法即使端部波高下降6dB。 关键:确定端部缺陷回波峰值(最高值),找到了缺陷端部峰值后,和6dB法同样操作。,2. 绝对灵敏度法 探伤仪在规定灵敏度条件下沿缺陷方向移动(不管缺陷最高在何值)。使缺陷波下降至规定的位置如评定线,如JB/T4730 中区缺陷规定降到测长线即为绝对灵敏度法。 特点: 测长是与缺陷最高波多少无关。, 缺陷长度(指示长度)与缺陷波高和所规定的测长值位置有关,如缺陷波高只比规定测长灵敏度高3dB,即为3dB测长,一般将缺陷测短。 如缺
23、陷波高比规定测长灵敏度高20dB,即为20dB测长,一般将缺陷测大。,3. 端点峰值法:一般将缺陷测少。 在探头移动过程中发现缺陷有多个高点,则将缺陷两端点最大波高处探头位置的距离作为端点峰值法指示长度。 关键:寻找端点峰值位置。 以上测长法适用:长条形缺陷, 对于缺陷回波包络线只有一个极大值的缺陷,可用最大波高衰减法,常用6dB法。 对缺陷回波包络线有多个极大值缺陷,可用端点6dB法或端点峰值法。 对条形气孔、未焊缝等宜用6dB法。 对裂纹、未熔合、条形夹渣等宜用1012dB法。对小于10mm缺陷宜用3dB法。(标准规定指示长度小于10mm,以5mm计)。, 对中间粗、两端细或细长缺陷(裂纹
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