溫度對衍射時差法超聲檢測結果影響

張洪波　岳斌　鄧曉光　張燕南　趙文政

摘要：針對溫度變化引起超聲衍射時差技術（time of flight diffraction，TOFD）測量結果誤差的現象，以含不同預置缺陷Q235A試塊為測試樣品，采用TOFD超聲檢測技術，并結合A掃結果，研究不同溫度對缺陷檢測結果的影響。研究發現，當試塊表面溫度超過40°C時，底面小缺陷的檢測難度會提高，檢測結果的不穩定性提升;隨著試塊表面溫度繼續升高，TOFD測量缺陷的最小分辨率會降低到3mm，同時小缺陷波的A掃波形已經無法從背景噪聲中識別。通過比較不同溫度下縱波在固體介質中傳播速度，發現溫度升高導致縱波速度衰減，進而導致儀器分辨力的下降和實際測量誤差的增大。

關鍵詞：超聲衍射時差法;A掃;分辨力;溫度

中圖分類號：TG441.7

文獻標志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0041–05

The influence of temperature on the results of time of flight diffraction detection

ZHANG Hongbo1， YUE Bin1，2， DENG Xiaoguang1， ZHANG Yannan1， ZHAO Wenzheng1

（1. College of Quality and Technical Supervision， Hebei University， Baoding 071002， China; 2. Beijing Composite Materials Co.， Ltd.， Beijing 102101， China ）

Abstract： Aiming at the phenomenon that the change of temperature leaded to the measurement error of the time of flight diffraction （TOFD）， the TOFD ultrasonic testing technique was used to test the Q235A specimens with different prefabricated defects， and the A-scan outcomes were used to study the effects of different temperature on defect detection. The results show that the difficulty in detecting the small defects on the bottom surface is increasing as the surface temperature of the specimens exceed 40 °C， and the instability of the testing results will increase. As the surface temperature of the specimen increasing， the minimum resolution of TOFD in measurement defects will be reduced to 3 mm， and the small defect of A-scan waveform cannot be identified from the background noise. Compared with the propagation velocity of P-wave in solid medium at different temperatures， it is found that the P-wave velocity decays with the increase of temperature， which leads to the decrease of the resolution of the instrument and the increase of the actual measurement error.

Keywords： time of flight diffraction; A-scan; resolving power; temperature

0 引言

超聲衍射時差技術（time of flight diffraction，TOFD）具有可靠性好，精準度高等優點，是工業上最常用的焊縫無損檢測方法之一[1-2]。從20世紀90年代，TOFD檢測技術在國外逐步應用于核工業、石油、化工、電力的承壓設備和海上采油、鐵路、橋梁等鋼結構的焊接接頭檢測，直到21世紀初，國內開始研究和應用該技術[3]。文獻[4]提出了超聲檢測盲區及分辨率的計算和改善方法。文獻[5]通過釆用基于正交匹配追蹤的超聲信號稀疏技術精確測量波達時間，并結合合成孔徑聚焦成像與信號稀疏技術，提高TOFD成像的空間分辨率和質量。文獻[6]指出隨著溫度的升高，在固體介質中聲速會逐漸減弱，導致理論入射角和實際值之間的誤差增大，因此在高溫條件下，應提前進行聲速修正。文獻[7]測量不同溫度下超聲聲速，也發現溫度的升高導致超聲聲速減小。雖然國內外學者在TOFD檢測精度以及溫度聲速影響規律方面已經做出了很多貢獻，但在工業檢測領域，TOFD檢測數據受溫度影響的規律還有待進一步補充和完善。

國內基于TOFD的無損檢測標準主要依據是NB/T47013.10-2015《承壓設備無損檢測》[8]。該標準指出，采用常規探頭和耦合劑時，被檢工件的表面溫度應控制在0～50°C;超出該溫度范圍，可采用特殊探頭或耦合劑。然而，在實際檢測工作中，由于各種條件的限制，導致檢測標準與實際要求并不完全相符，極大影響了檢測結果的準確性及可信度。因此，探究非標準情況下，溫度對測量結果帶來的影響，可為工業現場測量精確度的評價和實際測量標準的補充提供依據。本次實驗測量溫度控制在20～70°C的范圍。

本文在不同溫度下，對含有8種預置缺陷的Q235A試塊進行測量。經過多次測量，尋找溫度與檢測結果之間的關系;同時基于溫度與超聲聲速的關系，揭示了TOFD分辨力與溫度的變化規律，為實際工作中小缺陷TOFD超聲檢測受溫度影響的研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗采用Q235A鋼材作為被檢對象并對其進行預置缺陷處理。間距40mm、直徑2mm的8個不同尺寸底面孔在49mm×30mm×400mm試塊的鋼材上分布，如圖1所示。其中，不同尺寸底面孔缺陷（15，12，10，8，6，4，3，2mm）分別以1～8標注。

1.2 實驗方法

在預定不同溫度（20，40，50，60，70°C）的恒溫干燥箱內，將含有預制缺陷的試件進行加熱，到達預定溫度后，保溫30min。隨后使用上海瑞龍儀表生產的XMD-200數顯溫度計（測溫范圍為–50～200°C，分辨率為0.1°C）對恒溫水浴槽內的溫度進行標定，最后在恒溫水浴槽（溫度衰減2°C/min）里進行缺陷深度的測量。測量儀器的現場布置如圖2所示。TOFD超聲設備采用奧林巴斯生產的OmniScanMX2（OMNI-M2-UT-2C），系統的采集頻率為100MHz，最小分辨率為1mm，頻率采集范圍為0.6～18MHz。基于標準NB/T47013.10-2015，探頭和楔塊分別采用3.5MHz的C546-SM探頭和折射角度為45°的TOFD-45-ST1楔塊，探頭間距控制在56.33mm[8]。此外，探頭與試件之間，探頭與楔塊之間均用超聲耦合劑耦合，并用掃查器將其固定。在測量過程中，為降低溫度引起的誤差，測量時間控制在1min內，此外每組8個缺陷分別進行10次重復性測量，并計算標準差。通過測得結果有效性來反應檢測的難易程度，進而描繪溫度對實際檢測過程帶來的影響。為保持數據的獨立性，每次測量前進行儀器校準，測量完畢重復上述流程[9]。

2 結果與討論

2.1 溫度對TOFD檢測結果的影響

試塊在20，40，50，60，70°C時的缺陷測量結果如圖3所示。在20°C時，從圖3（a）中可知不同缺陷的測量結果有效次數均為10次，測量結果的標準差在0.1上下浮動，表現出良好的穩定性。隨著溫度的升高，在40°C缺陷8開始出現無效測量（在圖3（b）用0表示），并且這種現象隨溫度增大而更加明顯，如圖3（c）～圖3（e）所示。在試驗溫度為50，60，70°C時，實驗結果的有效性次數分別為4、2、0。然而溫度對1～7號缺陷的測量結果有效性影響較小。在標準差方面，隨著溫度的升高，8號缺陷尺寸無法識別，1～7號測量結果的標準差呈現增大趨勢，測量結果穩定性越來越差。

2.2 測量圖譜結果分析

相對于B-scan，A-scan射頻信號能夠觀察各個波形之間的相互位置及讀出缺陷波形的信息，因此在對預置缺陷檢測時，A-scan信號圖像上能夠準確反應缺陷情況[10-11]。文獻[12]依據CS-1/20標準試塊平底孔（缺陷）的A-scan信號，進而獲得缺陷信息包括位置和幅度，結果證實了A-scan是判定孔洞類缺陷的一種有效方法。

在測量溫度為20°C和50°C時，缺陷-7和缺陷-8的A掃圖像如圖4所示。從圖4（a）與圖4（c）中可知，溫度的升高對于缺陷尺寸為3mm的A掃波幾乎沒有影響，然而缺陷尺寸為2mm的A掃缺陷波在溫度到達50°C時，缺陷的A-scan幅度較低，已無法從背景噪聲中有效識別，如圖4（d）所示。

2.3 試驗結果分析

從上述討論中發現，測量溫度的升高，小尺寸缺陷會越來越難以被識別，這一現象可以從聲學基本定律進行解釋[13]。各向同性固體的切變彈性系數μ和拉密常數λ可以用其楊氏模量E和泊松比υ來表征，引入勢函數可以求解其媒質的質點速度。對于橫縱波可以得出其傳播速度與該固體的拉密常數和密度有關，即：

式中：E——楊氏模量，Pa;

υ——泊松比;

CL——固體中傳播的縱波聲速，m/s;

CT——固體中傳播的橫波聲速，m/s。

根據《壓力容器與化工設備實用手冊》[14]可以知道，本次實驗的Q235A碳鋼在不同溫度下具體物理參數值如表1所示。

根據各個參數的實際物理值和公式（1）、（2）可得，Q235A碳鋼不同溫度與實際聲速的變化關系如圖5所示。在溫度升高的情況下，Q235A碳鋼中的橫波聲速和縱波聲速都出現了明顯的下降。已知V=λ·f，V為固體中聲波速度，λ和f分別為聲波傳遞的波長和頻率，因此聲速的下降導致波長的變長。TOFD超聲檢測儀器的分辨力的大小跟波長有關[15]，波長越短，其最小分辨力越高。所以溫度的升高引起波長增大，即儀器的分辨力降低，進而出現測量結果對小尺寸缺陷檢測的有效性降低的現象。

3 結束語

本實驗通過控制變量法，采用TOFD測量不同溫度下預置缺陷大小，結合A掃圖像結果和溫度與超聲聲速的關系，結果發現：試塊表面溫度升高會導致TOFD對小尺寸缺陷的檢出難度增高，同時測量結果的有效性降低;試塊表面溫度升高，整體測量結果誤差增大，不確定度變大，穩定性降低;溫度升高會導致縱波波長增大，進而引起儀器的分辨力由1mm（20°C）降低至3mm（70°C）。

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（編輯：莫婕）