宋同樂

摘 ?要：該文以粗晶不銹鋼為研究對(duì)象，通過理論研究表明，超聲波在試件中的傳播聲速是影響超聲波測厚精度的關(guān)鍵參數(shù)。而超聲波在試件中的傳播聲速又受試件的材料與成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應(yīng)力影響。通過分析利用對(duì)比試塊確定聲速法、資料確定聲速法、利用試件本身確定聲速法，比較了3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，探討如何提高超聲波測厚儀的測厚精度。

關(guān)鍵詞：粗晶不銹鋼 ?超聲波測厚 ?精度 ?聲速

中圖分類號(hào)：TU31 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（b）-0058-02

超聲波測厚儀主要用于測量船體、油氣管道、高壓容器、鍋爐等的壁厚，以及大面積板材的厚度，被測材質(zhì)通常是鋼為代表的金屬類材[1]。目前使用的超聲波測厚儀大部分采用雙晶探頭，其原理是發(fā)射晶體間隔一定時(shí)間發(fā)射一次超聲波，經(jīng)試件的下表面反射至上表面并被探頭的接收晶體接收，通過測量超聲波在材料中的傳播時(shí)間，即可換算為試件的厚度，并以數(shù)字顯示。換算公式如下。

H=-υt-2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中：H為試件厚度;

ν為聲速;

t為超聲波在試件中往返一次的傳播時(shí)間。

對(duì)公式（1）進(jìn)行微分，可得：

ΔH=Δυ·-t-2+Δt·-υ-2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中：ΔH為厚度測量偏差，即試件測量厚度與實(shí)際厚度之差;

Δυ為聲速設(shè)定偏差，即試件設(shè)定聲速與實(shí)際聲速之差;

Δt為時(shí)間測量偏差，即超聲波在試件中往返一次的測量時(shí)間與實(shí)際傳播時(shí)間之差。

公式（2）即是厚度偏差與時(shí)間偏差及設(shè)定聲速偏差的關(guān)系式。公式表明，試件厚度的測量偏差主要來自傳播時(shí)間t的測量偏差Δt和超聲波經(jīng)過被測材料的聲速υ的設(shè)定偏差Δυ。目前的使用的數(shù)顯測厚儀采用穩(wěn)頻晶振動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來測量時(shí)間間隔t，其精度相當(dāng)高，對(duì)厚度的影響很小，可忽略。因此，公式（2）可簡化為：

ΔH=Δυ·-t-2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

公式（3）表明，試件厚度的測量偏差，即通常所說的精度，與超聲波經(jīng)過被測材料的聲速υ的設(shè)定偏差Δυ成正比。因此，如何使設(shè)定聲速更接近實(shí)際聲速，即如何確定檢測環(huán)境下的實(shí)際聲速成為提高超聲波測厚精度的關(guān)鍵。

1 ?聲速的影響因素

超聲波在試件中的傳播聲速與試件的材料及成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應(yīng)力相關(guān)。

1.1 材料及成分

超聲波經(jīng)過不同材料的聲速不同，如一般鋼材時(shí)的超聲波聲速約為5900m/s，不銹鋼的聲速大約為5740m/s。即使牌號(hào)相同的鋼，由于成分、晶體結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異，聲速也會(huì)不同[2]。

1.2 溫度

一般來說，固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低，測量顯示值比實(shí)際值大。例如，一般純鐵的聲速與溫度的關(guān)系如表1所示。

也有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，熱態(tài)材料每增加100℃，聲速下降1%。GB/T 11344-2008《無損檢測 接觸式超聲脈沖回波法測厚方法》也明確指出經(jīng)常使用的經(jīng)驗(yàn)法則如下：溫度升高時(shí)，對(duì)鋼壁厚測得的讀數(shù)是高的，每55℃增加大約1%厚度。因此，如果儀器在一塊相同材料且溫度為20℃上校準(zhǔn)好，則在表面溫度為460℃材料上測得的讀數(shù)，應(yīng)減少8%的厚度值。這種校正方法是對(duì)許多類型鋼材量取的平均值。其他校正方法必須對(duì)其他材料進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)測定。

1.3 組織均勻性

固體材料組織均勻性對(duì)聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快、晶粒細(xì)、聲速大;中心冷卻慢、晶粒粗、聲速小。這就造成了同一試件聲速差異。

對(duì)于一些粗晶材料，晶粒的粗大和組織的不致密造成聲速的極大衰減，衰減是由于材料對(duì)聲能的散射和吸收造成的，衰減的程度與晶粒尺寸和超聲頻率是有密切關(guān)系的，相同頻率下衰減隨晶粒直徑的增大而增大。對(duì)于不同頻率的衰減隨頻率的增大而增大。其次，由于晶粒粗大和異相組織的存在，將產(chǎn)生異常反射、即草狀回波或樹狀回波，使測厚出現(xiàn)錯(cuò)誤讀數(shù)，造成誤判。另外，隨著晶粒的粗大，金屬結(jié)晶方向上的彈性各向異性表現(xiàn)的更加顯著，從而使不同方向上的聲速造成差異，最大差異甚至可達(dá)5.5%，而且工件內(nèi)不同位置上組織的致密性也不一致，這也將造成聲速的差異，這些都將產(chǎn)生測量的不準(zhǔn)確。

2 ?聲速設(shè)定方法

聲速設(shè)定偏差直接決定厚度測量偏差，因此實(shí)際聲速的確定尤為關(guān)鍵。

2.1 利用對(duì)比試塊確定聲速法

超聲波在試件中的傳播聲速受試件的材料及成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應(yīng)力影響。若對(duì)測量精度要求較高時(shí)，可采用對(duì)比試塊確定法，即用相同材料的試塊，在相同溫度條件進(jìn)行測量，測量超聲波在對(duì)比試塊中的傳播聲度作為超聲波在試件中的傳播聲速。對(duì)比試塊的材料越接近于被測材料，測量就越精確。理想的對(duì)比試塊是一組被測材料的不同厚度的試塊，試塊能提供儀器補(bǔ)償校正因素（如材料的微觀結(jié)構(gòu)、熱處理?xiàng)l件、晶粒方向、表面粗糙等）。為了滿足最大精度測量的要求，一套對(duì)比試塊是很重要的。在大部分情況下，只要使用一個(gè)對(duì)比試塊就能得到足夠的測量精度，這個(gè)試塊應(yīng)具有與被測材料相同的材質(zhì)，相近的厚度。取均勻被測材料用螺旋測微儀測量后就能作為一個(gè)試塊。

2.2 資料確定聲速法

在一定的情況下，查已知材料的聲速表，可代替參考試塊，但這只是近似的代替一些參考試塊，在一些情況下，聲速表中的數(shù)值與實(shí)際測量有別，這是因?yàn)椴牧系奈锢砑盎瘜W(xué)特性有異，這種方法常只能作為粗略參考。

2.3 利用試件本身確定聲速法

利用對(duì)比試塊法可以確定試塊在某一溫度下的聲速，并應(yīng)用于試件檢測。但試塊的材料及成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應(yīng)力并不可能完全與試件相同。例如，由于粗晶不銹鋼的晶粒粗大，還可能造成晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有方向性，在不同的方向上，聲速將會(huì)少量變化。

3 ?結(jié)語

現(xiàn)場超聲波測厚往往受制于材料特性、儀器條件、對(duì)比試塊、環(huán)境等因素限制，造成測量精度偏低。該文以粗晶不銹鋼為研究對(duì)象，在理論研究的基礎(chǔ)上，列舉了超聲波在介質(zhì)中傳播聲速的影響因素，比較了利用對(duì)比試塊確定聲速法、資料確定聲速法、利用試塊本身確定聲速法的優(yōu)缺點(diǎn)。利用試塊本身確定聲速法克服了對(duì)比試塊與試件本身由于材料及成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應(yīng)力等因素造成的聲速偏差，精度更高，且不需要單獨(dú)制造對(duì)比試塊，在現(xiàn)場超聲波測厚檢測過程中更為適應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳利平.超聲波測厚儀測量精度的提高[J].造船技術(shù)，1991（3）：38-39.

[2] 陳衛(wèi)民.超聲波測厚儀示值失真因素分析[J].石油和化工設(shè)備，2017，20（6）：81-83.

[3] 許林.影響超聲波測厚儀示值的因素分析和改進(jìn)措施[J].綠色環(huán)保建材，2016（2）：136，138.