1. 序言
1.1 壓力容器裂紋類缺陷的危害性
壓力容器不同程度地存在著裂紋類缺陷，斷裂力學(xué)研究證明，帶有尖銳邊緣的平面缺陷（如裂紋）危險(xiǎn)性最大。同時(shí)還證明受壓部件中平面缺陷穿過(guò)壁厚的徑向長(zhǎng)度、缺陷距表面及與其它缺陷的距離等都是關(guān)鍵性的重要尺寸，而平行于部件表面的裂紋長(zhǎng)度是次要的。據(jù)統(tǒng)計(jì)鍋爐壓力容器的損壞大部分是由于工件內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展所引起的，英國(guó)曾對(duì)10萬(wàn)個(gè)容器進(jìn)行調(diào)查，運(yùn)行一年共發(fā)生132件破壞事故，按事故原因統(tǒng)計(jì)，由于裂紋擴(kuò)展造成的破壞占總數(shù)的比例高達(dá)89.3%。因而對(duì)裂紋的檢驗(yàn)和監(jiān)控顯得極為重要。
1.2 裂紋高度的超聲檢測(cè)方法
1.2.1 6db法
6db法是超聲測(cè)量長(zhǎng)度的傳統(tǒng)方法，通常是探頭找到最大峰值后向相反的二個(gè)方向水平移動(dòng)使回波峰值下降一半時(shí)的波束中心線距離即為長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度稱為指示長(zhǎng)度但并非裂紋的真實(shí)長(zhǎng)度。這種方法可以用來(lái)測(cè)高，但是誤差較大。
1.2.2 表面波延時(shí)法
對(duì)表面開口的裂紋可采用表面波延時(shí)法來(lái)測(cè)量裂紋深度，該法主要是通過(guò)裂紋對(duì)表面波的延時(shí)作用來(lái)計(jì)算裂紋的深度。但當(dāng)缺陷內(nèi)含油或水等液體時(shí)，表面波有可能跨越缺陷開口，使測(cè)試誤差大大增加。此外，缺陷的端部太尖銳接收到超聲波信號(hào)很低甚至接收不到。缺陷表面過(guò)于粗糙也會(huì)造成誤差增大。
1.2.3 端點(diǎn)衍射波法
超聲波入射到裂紋面上時(shí)，根據(jù)惠更斯原理，在裂紋尖端會(huì)形成次波源而產(chǎn)生衍射稱為衍射波，超聲端點(diǎn)衍射法是通過(guò)測(cè)量裂紋端點(diǎn)衍射回波的延遲時(shí)間差值來(lái)求得裂紋高度的。但是衍射波的強(qiáng)度很弱難發(fā)現(xiàn)，所以用衍射波測(cè)量裂紋高度有較大的難度。
1.2.4 端點(diǎn)反射波法
入射波入射到裂紋的端點(diǎn)，有一部分將沿著原路反射，稱為端點(diǎn)反射回波如圖1所示。端點(diǎn)反射回波法是通過(guò)測(cè)量主聲束入射到裂紋頂端時(shí)，所產(chǎn)生的端點(diǎn)回波聲程計(jì)算裂紋的高度，從方法上說(shuō)是比較正確較為可行的方法。
1.3 端點(diǎn)反射波法的應(yīng)用現(xiàn)狀
在模擬超聲探傷儀上用端點(diǎn)反射法測(cè)量裂紋的高度，通常采用深度校準(zhǔn)即利用回波聲程在垂直方向上的投影長(zhǎng)度進(jìn)行定位。操作工藝的特點(diǎn)是要用試塊進(jìn)行深度線性校準(zhǔn)，其實(shí)質(zhì)是一種同高比較法因此其準(zhǔn)確度與儀器線性、試塊精度和操作工藝有很大的關(guān)系。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，將回波信號(hào)數(shù)字化能得到回波聲程的精確量值。通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型能得到包括垂直高度在內(nèi)的各種數(shù)值，這是本文研究的主題。
2. 數(shù)字信號(hào)處理端點(diǎn)回波聲程測(cè)量裂紋自身高度方法的研究
2.1 數(shù)字處理端點(diǎn)回波聲程的原理和應(yīng)用
常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)回波聲程的測(cè)定是通過(guò)屏幕上回波所處位置的水平量值來(lái)?yè)Q算的，由于波形的跳動(dòng)、波形峰值的判斷誤差、線性調(diào)節(jié)精度等原因，測(cè)定的聲程值誤差很大。數(shù)字信號(hào)處理端點(diǎn)回波聲程（w）是通過(guò)計(jì)算機(jī)A / D轉(zhuǎn)換，將回波的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)聲速和樣點(diǎn)數(shù)精確計(jì)算得到的。
我們研制了超聲信號(hào)分析儀和分析軟件，能將常規(guī)探傷儀的回波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，建立了計(jì)算不同狀態(tài)下裂紋自身高度的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化處理得到了裂紋自身高度精確的測(cè)量結(jié)果。
2.2 不同狀態(tài)裂紋自身高度的計(jì)算方法
2.2.1 垂直表面開口裂紋
如圖2所示，對(duì)于垂直表面開口裂紋，其自身（垂直）高度為h，端點(diǎn)回波與根部回波聲程分別為w1、w2，探頭折射角為β，工件厚度為T，則：
h = （w2- w1）×cosβ
=（w2- w1）× （T / w2）
=（1- w1/ w2）×T －－－－－－（1）
不用β值，表面開口裂紋自身高度用（1）式計(jì)算可得到較高的精度。
2.2.2 垂直表面的內(nèi)部裂紋
如圖3所示，對(duì)于垂直表面的內(nèi)部裂紋，如果上端點(diǎn)和下端點(diǎn)都是由一次波探測(cè)到（如圖3，A），一次波聲程分別為W1和W2，則其自身高度h為：
h = （w2- w1）×cosβ －－－－－－（2）
如果上端點(diǎn)是由一次波探測(cè)到，而下端點(diǎn)是由二次波探測(cè)到（如圖3，B），設(shè)一、二次波的總聲程為L(zhǎng)2。如果工件厚度為T，那么L2中一次波聲程為：T/ cosβ； 二次波聲程為：L2-（T/ cosβ）；則：
W2 = L2-2 ×（L2-（T/ cosβ）） －－－－－－（3）
2.2.3 傾斜的內(nèi)部裂紋
如圖4所示，對(duì)于有傾角的的內(nèi)部裂紋，如果上端點(diǎn)和下端點(diǎn)都是由一次波探測(cè)到（如圖4，A），一次波聲程分別為W1和W2，則其自身高度h為：
hˊ= （w2- w1）×cosβ －－－－－－（4）
如果上端點(diǎn)是由一次波探測(cè)到，而下端點(diǎn)是由二次波探測(cè)到（如圖4，B），且工件厚度為T，那么總聲程L2中一次波聲程為：T/ cosβ；總聲程L2中二次波聲程為：L2-（T/ cosβ）；則：
W2 = L2 - 2 ×（L2-（T/ cosβ）） －－－－－－（5）
hˊ= （w2- w1）×cosβ
利用公式（1）－－（5）進(jìn)行聲程的數(shù)字化處理，為提高h(yuǎn) 的測(cè)量精度，工件厚度T和探頭K值必須精確測(cè)量。
3. 超聲信號(hào)分析儀和分析軟件
超聲信號(hào)分析儀實(shí)際上是一臺(tái)帶有采樣裝置（頻率為30兆）和超聲信號(hào)接入裝置的工控計(jì)算機(jī)，具有計(jì)算機(jī)的全部功能。超聲信號(hào)從CTS-22型超聲波探傷儀接入。
分析軟件采用可視界面技術(shù)，在 WINDOWS環(huán)境下均可運(yùn)行，軟件設(shè)計(jì)以 JB 4730-94 標(biāo)準(zhǔn)為依椐。
4. 研究結(jié)果
4.1 模擬裂紋定量測(cè)量分析
線切割模擬裂紋試塊如圖2、圖3、圖4所示，用超聲信號(hào)分析儀和分析軟件對(duì)其自身（垂直）高度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量了64個(gè)不同類型的線切割模擬裂紋，實(shí)測(cè)結(jié)果與誤差如表1所示。
4.2 自然裂紋定位定量測(cè)量分析
總共制作了38塊自然裂紋（有表面開口裂紋和埋藏裂紋）試塊，用端點(diǎn)反射回波數(shù)字信號(hào)測(cè)量法對(duì)其全部檢測(cè)，并將其中七塊（試塊為板、管，缺陷性質(zhì)為表面和埋藏）解剖驗(yàn)證，所得數(shù)據(jù)如表2和表3：
解剖驗(yàn)證的方法如下：
（1） 用常規(guī)超聲檢測(cè)方法對(duì)裂紋進(jìn)行定位，在試塊表面用細(xì)鉆頭打上標(biāo)記，顯示裂紋長(zhǎng)度和位置；
（2） 對(duì)試塊采用MO絲（10-15絲）進(jìn)行線切割，切割方向垂直于焊縫，間距為1-2mm，且將每一薄片編號(hào)；
（3） 對(duì)裂紋自身高度最高處及附近切片進(jìn)行表面拋光處理，并用讀數(shù)顯微鏡觀察、測(cè)量裂紋二端點(diǎn)間的垂直高度值（測(cè)量數(shù)據(jù)見表3），對(duì)自身高度最高處切片做低倍照相記錄；
�。�4） 上述試塊端點(diǎn)反射法測(cè)量結(jié)果，用B顯示軟件顯示裂紋的位置和各項(xiàng)數(shù)值，比較實(shí)際誤差并作誤差分析（因篇幅有限，只發(fā)表二個(gè)試件的低倍照相和B顯示，見圖5和圖6）；
注：1. *有B顯示；
2. 15#試塊焊縫根部裂紋表面開口狀態(tài)十分復(fù)雜底部反射波很雜，操作者較難正確判斷缺陷波，故造成較大的操作誤差。
4.3 試塊解剖裂紋測(cè)量結(jié)果與端點(diǎn)反射法測(cè)量結(jié)果的比較
圖7 顯示了試塊解剖后裂紋實(shí)際測(cè)量結(jié)果與端點(diǎn)反射法測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系，圖中粗線表示的是實(shí)際測(cè)量得到的最小垂直高度與最大垂直高度之間的范圍。由于自然裂紋面不是規(guī)則的矩形面，其高度起伏變化。所以解剖測(cè)量到的和系統(tǒng)檢測(cè)到的高度都有一定的隨機(jī)性，所測(cè)高度只是其中的一部分，精確的確定檢測(cè)誤差是很困難的。我們按以下三種情況分析檢測(cè)誤差：
（1） 如果系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果在最小垂直高度與最大垂直高度之間，我們認(rèn)為系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果符合實(shí)際狀況；
（2） 如果系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果小于最小垂直高度，我們認(rèn)為系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果具有負(fù)誤差；
�。�3） 如果系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果大于最大垂直高度，我們認(rèn)為系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果具有正誤差；
各號(hào)試塊系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系及檢測(cè)誤差如圖7所示，圖中表示的是絕對(duì)誤差。
5. 結(jié)論與展望
�。�1） 采用聲程數(shù)字處理技術(shù)的端點(diǎn)反射回波法，對(duì)提高裂紋自身（垂直）高度測(cè)量精度是非常有效的。具有原理簡(jiǎn)單、測(cè)量重復(fù)性好、操作方便快捷和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于自身（垂直）高度大于等于2mm的平面型缺陷（裂紋類），其測(cè)量精度（平均絕對(duì)誤差）可控制在1mm以內(nèi)，相對(duì)誤差隨高度的變化而變化。其精度優(yōu)于模擬超聲探傷儀的深度定位法[1]；
�。�2） 自行研制的超聲信號(hào)分析儀和分析軟件不僅具有模擬超聲儀器和一般數(shù)字式超聲儀器的功能，還具有頻譜分析、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和報(bào)告編輯功能（將另文發(fā)表）；
�。�3） 試驗(yàn)研究表明探頭質(zhì)量對(duì)檢測(cè)精度有一定的影響[2]；
（4） 利用超聲信號(hào)分析系統(tǒng)，可以擴(kuò)大試驗(yàn)研究范圍，特別是薄壁材料（如小口徑管焊縫）的超聲檢測(cè)方面的研究。
6. 參考文獻(xiàn)
[1] 姚 力 《焊縫缺陷超聲波定量檢測(cè)方法探討》 《無(wú)損探傷》1998年 NO,2:11
[2] 陳永強(qiáng)等 《超聲換能器性能對(duì)檢測(cè)質(zhì)量的影響》 《無(wú)損檢測(cè)》1999年NO,11:494
