目前國內(nèi)外水浸式超聲波探傷技術(shù)的應(yīng)用較為普遍，也比較成熟，但通過幾年來的實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，水浸式超聲波探傷存在的問題也較多，本文將著重探討此方法的能量衰減現(xiàn)象。
由于被探鋼管浸在水里，當(dāng)超聲橫波在管壁內(nèi)鋸齒形傳播時，通過波型轉(zhuǎn)換，在鋼管表面與水的界面上，又轉(zhuǎn)換成折射縱波，這樣將會造成一部分能量損失，導(dǎo)致探傷靈敏度降低。
對此，我們用接觸法水耦合做了試驗，通過水浸法與接觸法的比較來探討這個問題。
1. 試驗條件
(1) 標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷樣管的規(guī)格為177.8mm X 12.65mm(外徑X壁厚)，長度為250mm,人工缺陷為內(nèi)外縱向N5刻槽(刻槽深度為鋼管公稱壁厚的5%), 位置分別在樣管的兩端且相差180°。
(2) 儀器為CTS-23型超聲波探傷儀，儀器水平線性和垂直線性均良好，狀態(tài)為增益最大、抑制關(guān)、中頻段、正向檢波方式、掃描量程在250mm檔級、重復(fù)頻率X2。
(3) 探頭為GZSA管材專用超聲波探頭。晶片直徑為Φ20mm,頻率2.5MHz,入射角為45°。
(4) 環(huán)境溫度為室溫。
2. 試驗過程
首先明確一個概念，兩個探頭晶片反方向同時發(fā)射超聲波，沿鋼管鋸齒形傳播，均可接收到對面探頭的發(fā)射波，從而得到回波信號，此信號假稱“通 波”。
其聲程為管子的圓周，但也可把它看作是單探頭在管子半圓周處的自發(fā)自收信號。
2.1 原始狀態(tài)
將探頭置于樣管上，找到人工缺陷，將一次通波B1調(diào)到5格，幅度為滿幅的90%,二次通波B2調(diào)到10格，幅度為滿幅的50%;—次缺陷波F1在2格處，幅度為滿幅的30%,二次缺陷波F2在7格處，幅度為滿幅的17%(圖1)。
圖一： 原始狀態(tài)示意圖
此狀態(tài)下，探頭中心線至人工缺陷的周向距離為85mm,衰減器讀數(shù)為38dB。我們將此狀態(tài)定為原始狀態(tài)，下面分三種情況進(jìn)行試驗。
2.2 第一種情況
在原始狀態(tài)下，用蘸水的濕布觸摸人工缺陷，此時波幅變化情況如圖2所示?？梢?，降至滿幅的75%(-l.6dB), F1 降至滿幅的27%(-0.9dB)；B2降至滿幅的30%(-4.4dB), F2降至滿幅的14%(-1.7dB)。在此情況下，通波及缺陷波較原始狀態(tài)均有所下降，說明這是能量衰減所致。
圖二：用濕布觸摸人工缺陷時的波幅變化圖
2.3 第二種情況
在原始狀態(tài)下，向人工缺陷處噴水，此時波幅變化情況見圖3?？梢姡珺1降至滿幅的50%(-5dB), F1降至滿幅的25%(-1.6dB);B2降至滿幅的10% (-14dB)，F(xiàn)2則幾乎無法辨別。
此種情況下，通波變化較大，一次缺陷波F1比第一種情況下降還要明顯，F(xiàn)2幾乎消失，這說明能量進(jìn)一步衰減。
圖三：向人工缺陷噴水時的波幅變化圖
2.4 第三種情況
將樣管浸入水中，根據(jù)浸水量及人工缺陷是否被水所浸分三種情況觀察波幅變化。
(1) 將樣管放入容器中，加水至樣管直徑的2/5 處，但人工缺陷未被水所浸。由于樣管僅長250mm,未采取堵住管端措施，所以樣管內(nèi)孔也被水所浸，此時波幅變化情況如圖4所示。可見, B1降至滿幅的40% (-7dB)，F(xiàn)1較原始狀態(tài)幾乎沒有變化;B2和F2全部消失。這是由于人工缺陷未被水所浸，故F1變化不大，但通波變化很明顯，且B2和F2已經(jīng)消失，說明樣管浸入水中后較前兩種情況能量衰減嚴(yán)重。
圖四：2/5樣管浸入水中時的示意圖及波幅變化圖
(2) 繼續(xù)加水至樣管直徑的1/2處,并保持探頭與人工缺陷相對位置不變，旋轉(zhuǎn)樣管使人工缺陷剛好浸入水中,此時波幅變化如圖5所示?？梢?，降至滿幅的30% (-9.5dB), F1降至滿幅的20% (-3.5dB);B2和F2同樣全部消失。在水量增加，且人工缺陷也被水所浸的情況下，B1與F1較原始狀態(tài)下降幅度驟增，更加證明了水浸探傷時能量衰減嚴(yán)重。
圖五：1/2樣管浸入水中時的示意圖及波幅變化圖
(3) 繼續(xù)旋轉(zhuǎn)樣管將人工缺陷完全浸入水中，此時探頭中心線距水面周向距離為42.5mm,波幅變化情況如圖6所示。可見，B1與上種情況相同，為滿幅的30%，F(xiàn)1則降至滿幅的10%(-9.5dB)，B1和F1均比原始狀態(tài)衰減9.5dB,由此可以看出水浸探傷能量衰減的嚴(yán)重程度。若樣管完全被水浸 沒，能量衰減會更加嚴(yán)重。
圖六：人工缺陷完全浸入水中時的示意圖及波幅變化圖
2.5 內(nèi)壁人工缺陷檢測試驗
若樣管完全浸入水中檢測其內(nèi)壁人工缺陷，一次通波B1和一次缺陷波F1較原始狀態(tài)分別衰減了12和6dB;二次通波B2和二次缺陷波F2完全消失。試驗過程這里不再贅述。當(dāng)然這只是試驗，在水浸法自動線探傷設(shè)備實際探傷中，鋼管內(nèi)孔不允許充水，否則無法進(jìn)行探傷。
3. 能量衰減的原因分析
我們通過以上試驗，直觀地發(fā)現(xiàn)了缺陷波波幅和通波波幅的下降情況，從而得出能量衰減的結(jié)論。理論上分析，水浸超聲波探傷中，聲波在管壁內(nèi)傳播能量衰減是很嚴(yán)重的，因為水的聲特征阻抗遠(yuǎn)小于鋼，故聲波從水向鋼和從鋼向水的往復(fù)透射率很小［1］;又因為聲波在管壁內(nèi)鋸齒形傳播時，每次反射都伴隨著波型轉(zhuǎn)換(圖7)，而在水中轉(zhuǎn)換成的超聲縱波又完全被水吸收，這就更顯著地增大了超聲衰減，也就是說，鋼管水浸超聲波探傷時部分聲能被損耗了［2］。
圖七：鋼管浸入水中聲波傳播情況
上述試驗結(jié)果表明，若鋼管外表面浸水 (內(nèi)孔為空氣)，用水浸法探傷缺陷回波信號要比接觸法低4dB,若鋼管內(nèi)孔也充水,則缺陷回波信號要低6dB。因此在靈敏度調(diào)整時必須注意這一現(xiàn)象。
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