淺談普通超聲波測厚儀在高溫界面的應(yīng)用

程小翠

摘 要：LA-30型超聲波測厚儀由于其使用方便、操作簡單、價(jià)格相對(duì)較低的特點(diǎn)，在特種設(shè)備檢驗(yàn)行業(yè)等到了很廣泛的應(yīng)用，但由于其探頭晶振片材質(zhì)原因，不能使用于高溫容器表面的壁厚測定，所以解決普通超聲波測厚儀不能在高溫壓力容器表面進(jìn)行壁厚測定的難題，對(duì)節(jié)約損耗，降低成本具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：超聲波測厚儀;高溫測厚

前言：TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定，金屬壓力容器定期檢驗(yàn)項(xiàng)目中，以壁厚測定等項(xiàng)目為主，壓力容器金屬厚度滿足強(qiáng)度要求是壓力容器安全保障的基本要求，所以在定期檢驗(yàn)中，準(zhǔn)確地檢測出壓力容器壁厚對(duì)壓力容器最終的安全等級(jí)評(píng)定尤為重要。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，在用壓力容器呈現(xiàn)高溫、高壓、高危害性的特點(diǎn)。對(duì)于高溫類壓力容器，一般檢驗(yàn)單位選擇使用超聲波高溫測厚儀進(jìn)行壁厚測定，但超聲波高溫測厚儀價(jià)格較高，高溫耦合劑易損耗，故研究如何使用普通超聲波測厚儀在高溫界面進(jìn)行壁厚測定存在一定現(xiàn)實(shí)意義。

一、超聲波測厚儀測厚原理

超聲波測厚儀是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭通過精確測量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測量。

測厚儀發(fā)射始脈沖波，t時(shí)間后第一次底面反射回波被接收到，兩者的時(shí)間差乘以聲速，再除以2，就是超聲波在工件一個(gè)單程傳遞的路程，即厚度值。

由于超聲波在空氣中難以傳播，因此探頭與被測面之間必須涂抹耦合劑、“擠掉”空氣間隙，使超聲波有效地傳播進(jìn)入被測件內(nèi)部，并獲得底面的反射號(hào)。該反射信號(hào)必須足 夠穩(wěn)定、明確、清晰，儀器才能辨識(shí)并進(jìn)行計(jì)算，從而顯示厚度值。

二、超聲波在異質(zhì)界面的傳播規(guī)律

測厚儀發(fā)射始脈沖波，由一種界面?zhèn)鞑サ搅硗庖环N界面，所以弄清楚超聲波在異質(zhì)界面的傳播規(guī)律是改變傳統(tǒng)容器壁厚測定方法的前提。

超聲波是超聲振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，其實(shí)質(zhì)是以波動(dòng)形式在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)。把充滿超聲波的空間，或在介質(zhì)中超聲振動(dòng)波及的質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)的范圍稱為超聲場。聲壓、聲強(qiáng)、聲阻抗是描述超聲場特征的幾個(gè)重要物理量，也就是超聲場的特征量。

超聲波在界面發(fā)生折射的能量分別用聲強(qiáng)反射率R1和聲強(qiáng)透射率T1表示，同時(shí)也用聲壓反射率R和聲壓透射率T來表示超聲波傳播特性。

超聲波垂直入射到單一平界面上，超聲波垂直入射界面時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與入射方向相反的反射波，和一個(gè)與入射波同方向的透射波，而波型沒有改變。

用角標(biāo)i、r和t分別表示入射、反射和折射。在垂直入射時(shí)介質(zhì)兩側(cè)聲波必須滿足兩個(gè)邊界條件：①一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓：Pi+Pr=Pt ②兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等，保持連續(xù)性：Vi+Vr=Vt

式中 Pi=ρ1C1Vi=Z1Vi

Pt=C2ρ2Vt=Z2Vt

Pr=-ρ1C1Vr=-Z1Vr

所以 公式一

公式二

其中R稱為聲壓反射率，T稱為聲壓透射率，Z稱為聲阻抗，Pr為反射聲壓振幅，Pt為透射聲壓振幅，Pi為入射聲壓振幅。

三、改變普通探頭與高溫容器表面接觸方式的可行性分析

經(jīng)上分析，由公式一、二知：①Z1<Z2時(shí)，入射聲壓和反射聲壓同相位，界面上反射波與入射波疊加類似駐波，故透射聲壓相當(dāng)于入射聲壓和反射聲壓之和，如水/鋼界面。②Z1>Z2時(shí)，入射和反射聲壓反相，總聲壓相抵消而減小，故透射聲壓很小，如鋼/水界面。③Z1>>Z2時(shí)，聲壓（聲強(qiáng)）幾乎全反射，透射率趨于0，如鋼/空氣界面。④Z1≈Z2時(shí)，反射率R≈0，T≈1，聲波基本不發(fā)生反射，全部透射。

故表明，在第④種聲波全透射情況下，當(dāng)滿足Z（外加特制墊片）≈Z（待測高溫容器），可以實(shí)現(xiàn)普通測厚儀在高溫容器表面的應(yīng)用。（實(shí)際壁厚測定時(shí)外加特制墊片的使用如下圖）

四、總結(jié)

在實(shí)際檢驗(yàn)的壁厚測定中，我們可以根據(jù)被檢容器材質(zhì)的不同，預(yù)先制備相同或者相近材質(zhì)的特制墊片（厚度盡量?。?，并且在壁厚測定過程中，保證探頭與墊片之間、墊片與待測容器表面間的良好耦合，基本可以實(shí)現(xiàn)普通測厚儀對(duì)高溫容器進(jìn)行壁厚測定。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭暉，林樹青.超聲檢測.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.