壓力容器用工業純鈦板材聲發射衰減特性

王瑞恩，張萬嶺，沈功田，李麗菲

（1.河北大學，保定 071000；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100013；3.北京航空航天大學，北京 100191）

目前在我國鈦的應用主要有兩個領域：由于鈦的密度小、比強度高的特點，鈦在航空航天領域得到廣泛的應用，代表性的合金類型是Ti6Al4V；另一方面鈦具有優異的耐蝕性，大量用于石化設備，代表性的合金類型為工業純鈦及耐蝕低合金鈦。據統計，我國鈦材產量的80%都用于石化設備，而包括熱交換器在內的容器類的用鈦量約占石化設備用鈦量的75%［1］。聲發射技術作為一種先進的無損檢測技術，在壓力容器的檢測中得到了廣泛的應用［2］。但從分析目前聲發射在鈦合金應用領域的研究發現，其主要應用方向集中在航空航天領域，而對工業領域使用的鈦材壓力容器聲發射特性研究很少，我國頒布的GB／T 18182—2000《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》標準也沒有給出鈦材的聲發射信號強度判據。為此國家“十二五”科技支撐項目中專門列出了一個研究任務開展對鈦材壓力容器聲發射特征研究。文章通過在現場對不同厚度的GR2鈦板材的聲發射衰減特性研究，為后期鈦制壓力容器的聲發射研究提供技術支持。

1 試驗儀器和材料

試驗儀器采用德國Vallen公司生產的8通道聲發射儀，傳感器型號為R150型，其中心頻率為150kHz，該儀器配套軟件可以同時采集記錄聲發射信號參數、波形數據，并可存儲、回放等。試驗材料選用同牌號不同厚度的3張鈦板材，具體情況見表1所示。

表1 GR2系列的板材情況

2 試驗過程

整個試驗過程參考GB／T 18182標準進行。由于信號發生器相對斷鉛而言所發出的信號穩定，故采用信號發生器作為模擬源，且發出的信號均為f＝1MHz的正弦信號，每觸發一次發出一個周期信號。耦合劑采用真空脂，由于板材均為水平置于地面，故傳感器不用固定，使用相同的力耦合在板材表面即可。聲發射儀器門檻值設置為50dB，采樣頻率5MHz，采樣點數8 192，預采樣3 200。試驗過程如圖1所示。

圖1 試驗過程模擬圖

1號探頭作為發射探頭，通過信號發生器發出信號；3號探頭作為監測探頭，距離發射探頭20cm，目的是實時監測發射探頭是否耦合良好；2號作為移動探頭，從距離發射探頭5cm處開始往后每隔一段距離測量一個點的幅度，每個點測量3～5次。

3 試驗結果及分析

3.1 波形分析

工程中大量使用的板狀結構其厚度遠小于其他兩個方向的尺寸，給予一定的激勵條件在其中形成的是板波（Lamb波）。而一般情況下，板中波的傳播是多階對稱波（即擴展波S）和反對稱波（即彎曲波A）的組合（這兩種波會相互耦合）［3］。但是在絕大多數現場AE檢測過程中，傳感器主要頻段大概是幾百千赫茲，為了簡化問題，認為在板中起主導作用的是最低階對稱波S0和反對稱波A0。當激勵源作用力方向與板平面垂直時，在板中主要產生彎曲波；當激勵源作用力方向沿板平面方向時，在板中主要產生擴展波［4］。而在該試驗中激勵源作用力方向與板平面垂直，所以在板中產生的主要是彎曲波。該板材典型的AE信號波形及頻譜如圖2所示。其中波形由幅度較小的彎曲波和幅度較大的擴展波組成，頻率有兩個峰值，分別是150和350kHz。

圖2 信號波形與頻譜圖

3.2 幅度分析

該組試驗主要目的之一是研究同種材質不同厚度情況下聲波幅度的變化趨勢。通過對板表面不同點處聲波幅度的測量，并且利用Matlab軟件對其數據進行擬合，得到幅度衰減情況如圖3所示。

圖3 幅度衰減曲線圖

從上圖可以看出，在100cm之前波幅的衰減非常明顯，在100cm之后其衰減趨勢逐漸放緩。而且隨著板厚的增加其衰減程度增加，20cm的板材在300cm范圍內衰減24dB左右，6cm的板材在300cm范圍內衰減只有12dB左右。所以按GB／T 18182標準，聲發射探頭的間距可以大于3m。

耿榮生等人在其文章中曾經推導出幅度與板厚的關系為［5］：

式中ζ0為接收信號幅度；F為外力作用力；б為泊松比；E為楊氏模量；ω為角頻率；h為板厚。

該公式說明接收信號的幅度與頻率和板厚的乘積成反比的關系。由于試驗中的信號取自于統一設置的信號發生器，所以外力作用力F假定不變；又由于試驗所用板材同為GR2系列，所以泊松比和楊氏模量也是一定的；至于頻率，通過分析發現，該三種厚度板材的接受頻率均在100～400kHz頻帶之間且很相似，故可以假設他們也是一致的。這樣就可以認為幅度的衰減隨著厚度的增加而增加，但并非線性關系。

3.3 波速分析

通過對三種板材每個點波速的計算，并且進行Matlab擬合，得到波速情況如圖4所示。

圖4 波速波動曲線圖

通過分析，在前100cm范圍內，由于距離較近，波速未拉開，波的傳播模式較復雜；但在前100cm范圍內，波速的波動隨著厚度的增加逐漸趨于平穩。而在100～300cm范圍內，三種板材的波速都逐漸趨向于3 000m／s左右。通過Vallen軟件中的Dispersion軟件對不同厚度鈦的波速進行模擬，得到圖5所示（箭頭所指）曲線。

由于該試驗中探頭使用的R150型，其中心頻率為0.15MHz，箭頭所指曲線即為最低階反對稱波 A0（彎曲波），它在0.15kHz處的波速為3 000m／s左右。該結果與試驗所測波速基本吻合。

4 結論

（1）試驗中三種不同厚度GR2板材的衰減程度從大到小依次為20，10，6cm。在300cm范圍之內，20cm厚板材衰減24dB左右，6cm厚板材衰減12dB左右，且在前100cm范圍內幅度的衰減趨勢較大，而在100～300cm之間衰減趨勢較為平坦。所以按GB／T 18182標準，聲發射探頭的布置間距可以大于3m。

（2）厚度對波速影響不是很大，三種厚度板材的波速在100cm范圍之內由于邊緣效應的影響波速波動范圍較大，但隨著厚度的增加，波速的波動逐漸平緩。100～300cm范圍內波速逐漸穩定于3 000m／s。

圖5 鈦材波速圖

［1］黃嘉琥.有色金屬制容器［M］.北京：化學工業出版社，2008（10）：235－236.

［2］沈功田，李金海.壓力容器無損檢測——聲發射檢測技術［J］.無損檢測，2004，26（9）：457－463.

［3］耿榮生，景鵬.聲發射波形分析技術在復合材料故障評價中的作用［J］.無損檢測，1999，21（7）：289－296.

［4］Prosser W H，Hamstad M A，et al.Reflections of wave in finite plates：finite elements modeling and experimental measurements［J］.Journal of Acoustic E－mission，1999，17（1－2）：37－47.

［5］耿榮生，沈功田，劉時風.模態聲發射基本理論［J］.無損檢測，2002，24（7）：302－306.