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超聲測厚原理及影響因素分析

2020-09-24 09:06:26 108


超聲測厚原理及影響因素分析



超聲測厚儀分為共振式、脈沖反射式和蘭姆波式,一般常用的是脈沖反射式。


脈沖反射式測厚儀是利用探頭晶片發出的超聲波脈沖在工件中傳播時遇到異種介質界面就會產生反射這一原理進行的。


其工作原理是發射電路發出脈沖很窄的周期性電脈沖,通過電纜加到探頭上,激勵探頭中壓電晶片產生超聲波。


該超聲波在工件上下底面產生多次反射,反射波被探頭接收,轉變為電信號經放大器放大后輸入計算電路,由計算電路測出超聲波在工件上下底面往返一次傳播的時間,最后再換算成工件厚度顯示出來。


計算公式為:


( c- 工件中的波速;t-超聲波在工件中往返一次傳播時間)


測量中,經常采用機械或化學方法清除被測物表面的氧化皮,并在探頭與工件之間加入有利于超聲傳播的耦合劑(常用耦合劑有甘油、機油、水玻璃)。


根據超聲測厚的原理可以推斷出影響測厚精度的因素至少應包括被測物體內外部的質量狀態、儀器性能、耦合劑性質以及操作過程中的人為因素等幾個方面。


1.1 被測物體表面質量對測厚精度的影響


用超聲波測厚儀在常溫下對表面潔凈的碳鋼板和18-8不銹鋼管進行測厚,再對同一材質表面有氧化層和污垢層的試板進行測定,由于外部質量狀態改變前后所測數據對比對測量結果進行對比分析可以獲得以下結論:


a.探頭接觸處背面的氧化層和油垢層對壁厚實測值無明顯影響;


b.探頭接觸處表面的氧化層和油垢層對壁厚實測值有增加讀數的影響。


1.2 被測物體內部質量對測厚精度的影響


曾對公稱尺寸為φ68mm×l5mm的2N壓縮機水冷管U型彎頭圓弧部位進行過測量,多次實測的壁厚均為5.6mm,并認為是流體沖刷減薄,但拆下后,用尺測壁厚達12.4mm,后改用國產和進口測厚儀測量仍然是5.6mm。


再后來改用超聲波探傷儀進行測厚,發現在壁厚為4.8~7.2mm處有缺陷反射,底波降低了一半,由此可判斷測厚儀所測出的數值為缺陷所在深度,并不是真實的厚度。


通過大量試驗,還證實了其他物體內部質量缺陷同樣對測厚結果有直接影響。


其內容包括:材料晶粒各向異性、材料的合金成分、材料的金相組織分布及材料中的夾雜物等。


由此可得出以下結論:被測物體的內部質量缺陷對超聲測厚結果有直接影響。


1.3 儀器性能對測厚結果的影響


試驗表明,一般測厚儀測量帶涂層物體的厚度值時,測出厚度與被測點的實際厚度值差別較大。


使用數字式超聲波探傷儀并采用回波一回波法測量同樣物體得出的厚度值與實際壁厚基本一致。


也就是說,對于表面難于凈化的物體厚度測量,用數字式超聲波探傷儀的測厚結果比用普通超聲測厚儀所得測厚結果更精確。


1.4耦合劑對測厚結果的影響


實踐發現,測厚過程中所用耦合劑的耦合效果對測厚結果影響很大,尤其是高溫測厚。不同耦合效果的測厚誤差高達20%,且多數測厚數據大于實際值,這對判斷設備的安全性具有明顯的不安全因素。


所以,在不同測厚條件下,恰當地選用耦合劑和耦合操作技巧非常重要。


1.5 操作因素對測厚結果的影響


在高溫測厚試驗中,相同條件下測量的10mm碳鋼板,不同操作者測出的厚度誤差高達2mm。


對同一管道同一部位進行測厚時,探頭所放的位置不同,能造成厚度誤差達1mm。


保證測厚精度的若干措施


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2.1 測厚儀器及其配套件的選擇


a.對于表面容易凈化的物體測厚,選用數字式超聲波測厚儀,精度范圍應達到 H± 0.1mm(H-壁厚mm);對于表面不易凈化的物體測厚,宜選用數字式超聲波探傷儀。


b.采用直探頭直接接觸法,高溫下(大于100℃)的測量應采用適當的高溫探頭。


c.對圓管進行測厚時,應盡可能的選取直徑較小的探頭。


2.2耦合劑的選擇


應根據使用情況選擇合適的種類,當使用在光滑材料表面時,可以使用低粘度的耦合劑;


當使用在粗糙表面、垂直表面及頂表面時,應使用粘度高的耦合劑。高溫工件應選用高溫耦合劑。


其次,耦合劑應適量使用,涂抹均勻,一般應將耦合劑涂在被測材料的表面,但當測量溫度較高時,耦合劑應涂在探頭上。


2.3管道測厚固定架的應用


測厚時,要求工件表面光潔平整,達不到要求時,要進行打磨處理。


測量時,探頭放置要平穩,壓力適當。對管徑較小的管道,測厚時,應保證探頭平面與管壁垂直,減小誤差,并在每個測試位置上互相垂直的方向各測一次,需要時可以使用特制的管道測厚固定架。


對于管道中有沉積物,當沉積物聲阻抗與工件相差不大時,要先用小錘敲擊幾下管壁再測,防止誤判。


2.4異常測厚數據的處理


在測厚實踐中,偶爾出現某組數據偏離正常值是可能的。


在這種情況,應首先排除探頭與被測表面接觸不良所造成的測厚偏差,然后進行較大面積的重復核測。


若核測數據仍然偏離正常值,最好采用超聲波探傷儀或其它無損探傷手段檢測物件內部是否有1.2節所述的缺陷存在。


發現物件內部確有缺陷的按相應的檢驗規程進一步處理。


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