基于超声检测的表面开口裂纹测深试验对比研究*

0 前言

裂纹是一种危险性缺陷，它不仅严重地削弱了工件的承载能力和抗腐蚀能力，还因裂纹末端呈尖销状缺口，易导致应力集中，成为各种断裂的源头。根据断裂力学相关理论，应力强度因子是决定裂纹是否扩展的重要因素，其取值与载荷、裂纹尺寸（长度、深度）有关，在裂纹最深处有最大值，当裂纹的深度超过其允许临界尺寸时，裂纹发生失稳扩展造成破坏。因此，裂纹深度是含缺陷设备安全评估计算的重要参数[1]。

相关研究表明，在相同拉应力下，工件中的埋藏型裂纹比表面型裂纹允许的尺寸要大，因而表面开口裂纹更具危险性，在实际检测中常见于工件几何、结构和载荷不连续处，如焊缝熔合线、热影响区等部位，应用渗透和磁粉检测方法能够有效发现表面裂纹并测量其长度，但对其深度测量难度较大。目前，超声检测技术是对裂纹深度进行定量测量的重要技术手段，包括基于常规超声的端点衍射法、爬波检测法等等，近年来随着计算机技术和信号处理技术的发展，衍射时差法、相控阵检测技术等新型超声成像检测技术应用不断成熟，具有检测精度高、检测结果直观等优点。本文通过试验分析，对比研究上述几种超声检测技术对表面开口裂纹深度测量的精度和可靠性。

要高度重视理工科学生党员的发展和培育，坚持“成熟一个，发展一个”。严格理工科学生入党各阶段的程序，对入党申请人、入党积极分子、发展对象的情况仔细摸底，定期谈话，除学业和生活外，关注其思想状况。理工科学生往往会花更多精力专注学业，对除学习外的其他活动投入或关注不够。通过兼任学生干部、组织集体活动、参与公益类志愿服务活动等多种形式，可以对理工科学生党员进行综合能力培养，并通过座谈会、个别学生谈话、任课教师评价等多渠道、多视角考察学生的学习、生活、人际交往、思想状况等综合素养，保证学生党员质量，使理工科学生党支部成为一支有吸引力的队伍。

1 表面开口裂纹超声测深方法

超声检测技术是一种主动检测技术，它利用材料声阻抗的不同，声波在通过不同材料时会发生反射、折射以及衍射等不同形式的能量损耗，通过检测回波信号的能量损耗情况即可得到缺陷的细节信息，其实质是缺陷和检测声场之间相互作用的描述与表征[2]。本文采用以下4种超声检测方法进行裂纹测深试验研究。

（1）端点衍射法

超声波在均匀的介质中传播，如遇到裂纹等缺陷尖端时，根据菲涅尔—惠更斯原理当裂纹尖端的尺度与所用超声波的波长可相比拟时，将在裂纹的边缘激发衍射波，该现象延迟了超声波到达接收探头的时间，裂纹愈深，则延迟的时间愈长，通过测量裂纹尖端衍射信号的延迟时间来确定裂纹深度，称为端点衍射法。由于测量的是超声波的传播时间而不是脉冲振幅，所以测量结果具有受外界的干扰因素少、测深精度高、可靠性和重复性好的特点[3-4]。

与传统的超声波探伤不同，超声相控阵（Phase Ar⁃ray，简称PA）检测通过各阵元发出声束的有序叠加可以灵活地生成偏转及聚焦声束，不需更换探头即可完成对目标区域的高分辨率检测，且其特有的线性扫查、扇形扫查、动态聚焦等工作方式可在不移动或少移动探头的情况下对工件进行高效率检测，例如基于端点衍射法的测深原理，利用相控阵探头在同一位置通过声束偏转，即能实现在不同角度下测量裂纹端角反射信号和尖端衍射信号的时间差来评定裂纹的深度尺寸，该方法称为绝对声时法。与传统的单晶片超声检测相比，超声相控阵的声束更灵活、检测速度更快、分辨率更高、适用于形状复杂的零部件检测[10-11]。

当纵波从第一介质以第一临界角附近的角度（有机玻璃/钢界面，约27°）入射于第二种介质内，就会在第二种介质中激发爬波。爬波引起的质点振动是纵波和横波的叠加，它以接近纵波的速度传播，速度变化范围为0.8 c～0.9 c（c为纵波声速），其最大辐值方向与表面成一小角度，几乎垂直于被检工件的厚度方向，因此对于垂直性裂纹有较好的检测灵敏度，并具有受工件表面刻痕、不平整、凹陷等不连续干扰较小的特点[5-6]。研究表明，应用爬波检测技术能发现工件上深0.5 mm、长1 mm的微小裂纹，信号显示明显，且容易辨别[7]。

本次试验得到的测深数据见表1，检测数据的误差分析比较如图6所示。

信息化是做好预算绩效管理工作的基础性工作之一。打破监管业务链条各环节的“信息孤岛”和“数据烟囱”，将项目库信息、预算执行进度监控信息、预算执行动态监控信息、绩效运行管理信息和预算绩效有关问题整改落实信息整合起来分系统“一窗化”展示，使预决算、绩效、财务、资产日常资源互联互通，实现系统间、系统不同部门间的横向和纵向比对，将极大提升预算绩效事中跟踪监控工作的效率。浙江专员办围绕部门预算绩效监管的规定，根据以往监管实践，着手开发了部门预算监管“自运转”操作系统，力求使信息数据涵盖绩效目标管理、绩效运行监控、绩效评价管理、评价结果应用等各环节，努力探索预算绩效信息化监管的有效路径。■

衍射时差法（Time of Flight Diffraction Technique，简称TOFD），依靠超声波与缺陷端部的相互作用发出的衍射波来检出缺陷并对其进行定量分析，其方法原理主要采用一发一收两个探头，其发射探头发射横向纵波，沿表面传播的一束声波和工件背面的镜面反射被接收探头接收，要形成固有参考信号，横向纵波遇到缺陷后在缺陷两端产生衍射波，根据衍射信号传播时差就可判定缺陷深度（或高度）的量值。TOFD技术具有很高的缺陷检出率（高达70%至90%），并可保存图像，检测数据完整、直观[8-9]。

现制作材质为20号钢的碳钢试板两块，规格400 mm×350 mm×20 mm，利用线切割分别在试板表面切割出深度1～5 mm以及6～10 mm的切槽，深度步进为1 mm，模拟实际检验中不同深度的表面开口裂纹缺陷，试板规格如图1所示。

（4）相控阵检测法（PA）

（2）爬波检测法

2 表面开口裂纹测深试验对比研究

前不久，湖南省沅江市茶盘洲镇湖南大润鸿生物科技有限公司的羊肚菌基地传来好消息：由中国农业科学院麻类研究所农产品加工微生物遗传改良与应用创新团队开展技术指导的羊肚菌林下栽培模式取得成功——在洞庭湖区滩地的杨树林下，套种的羊肚菌长势喜人。

在实际检测中，真实缺陷的实际形态、现场环境远比试验预设的情况复杂，应充分考虑技术条件、精度要求、预算成本等因素，合理选择有效的裂纹测深方法，当条件限制无法采用超声检测法，可灵活应用其他无损检验方法测量裂纹深度，例如电位法、涡流检测法、微磁裂纹检测方法等。

  

图1 模拟表面开口裂纹的人工切槽试板

裂纹测深试验过程中，爬波法和衍射时差法检测面与切槽开口位于同一侧，而端点衍射法和相控阵检测法则从人工切槽开口背面进行检测。与常规超声相比，衍射时差法和相控阵检测方法操作简单、便捷，检测图像包含的信息丰富，利于缺陷的识别和定量测量，提高了检测精度。以下罗列了4种超声测深方法的部分检测图像，如图2～6所示。

利用模拟退火粒子群算法对LED植物光源的布局进行优化，首先需要对给定粒子的速度和位置进行初始化设置，计算出粒子群中每个粒子的目标函数值，然后更新粒子的个体最优值和全局最优值，对粒子的个体最优值进行SA领域搜索，并更新个体最优值，最后更新粒子群的全局最优值，判断全局最优值是否满足算法的终止条件。若满足则输出最优解，得到LED植物光源的最优排列方式；若不满足则继续执行对粒子的个体最优值SA领域搜索等步骤。模拟退火粒子群算法的总体流程如图2所示。

  

图2 端点衍射法得到的检测波形（切槽深7 mm）

  

图3 爬波法得到的检测波形（切槽深7 mm）

  

图4 相控阵检测图像（切槽深7 mm）

  

图5 TOFD检测数据图谱（切槽深6～10 mm）

（3）衍射时差法（TOFD）

 

表1 表面开口裂纹测深试验数据mm

  

切槽深度测量数据检测方法1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0端点衍射法相控阵检测法（PA）爬波检测法衍射时差法（TOFD）--0.5 1.1--1.8 2.2 1.9 1.9 2.7 3.0 2.9 3.1 3.4 4.1 3.9 4.1 4.8 4.9 4.8 5.1 5.4 6.0 5.9 6.3 6.3 7.0 6.9 7.3 7.7 7.9 8.3 8.3 8.7 9.0 9.0 9.1 9.6 10 9.9 10.3

  

图6 测深试验数据相对误差比较及最大误差拟合

根据以上图表可知，随着切槽深度增加，应用4种超声检测方法得到测深数据相对误差呈下降趋势。端点衍射法、衍射时差法、相控阵检测法主要通过检测裂纹尖端的衍射波测量裂纹深度。对于深度为1 mm的切槽，正处在衍射时差法上表面检测盲区。在应用端点衍射法对该切槽深度进行测量时，由于其端部和根部距离非常近，产生衍射波与根部反射波几乎同时出现，由于衍射波强度较弱，在A型信号中各种波形贴在一起难以辨别，对测量精度影响较大。由表1可知，应用端点衍射法以及衍射时差法均未能获得1 mm切槽的有效检测数据，而爬波因其对表面及近表面缺陷十分敏感，可对1 mm切槽进行较准确地测深。

蓝蓝似有同感，点了点头，用眼睛扫描着洞壁上画着的开拓者的研发历程，以及鸣梭星、云织星、猎影星的简史。几百年来，在别人看来百无一用的机器人却把这个偌大的洞穴打造成了一个巨大的历史博物馆，或者说是历史迷宫。橙橙拉着紫丁儿停在了一组奇怪的图案前，惊奇地打量着那上面他们所熟悉的战舰，那是地球人才拥有的战舰。小小的战舰有的飘在云上，有的在云洞里巡游，有的则底朝上挂在云下——确切地说是头朝下飘在云团下。

当切槽大于1 mm时，4种超声检测方法均能得到有效测深数据。考虑到测量数据具有一定的离散性，现将上述方法对2 mm至10 mm切槽测深数据的相对误差取均值进行排序比较，结果为端点衍射法（7.79%）＞TOFD法（3.33%）＞爬波法（2.52%）＞相控阵法（1.75%）。可知，相控阵检测法所获得试验数据相对误差最小，测深数据精度最优。

3 结论

本文应用端点衍射法、爬波检测法、衍射时差法、相控阵检测法对人工切槽试板进行表面开口裂纹测深试验对比研究，在实际操作过程中，衍射时差法和相控阵检测操作简单、便捷，与常规超声A型信号相比，检测图像更有利于缺陷的识别和定量分析，提高测深精度。

根据试验数据，随着裂纹深度增加，测深数据误差总体呈下降趋势。端点衍射法、衍射时差法和相控阵检测方法主要通过检测裂纹尖端的衍射波确定其深度，试验中对深度1 mm以上的切槽测量较准确，经误差比较可知相控阵检测法的测深精度最优。爬波检测法对设备要求简单，只需将超声波探伤机连接爬波探头即可实施开展，试验中对深度为1 mm的切槽测量有明显的优势。

应用端点衍射法、爬波检测法、衍射时差法、相控阵检测法对两块试板上共10道人工切槽缺陷进行测深检测，常规超声检测设备采用CTS-9009超声探伤机，连接爬波探头（PB2.5P8×12，K=3.66）以及斜探头（2.5Z14×14，K=1）进行端点衍射法及爬波法检测；衍射时差法则采用HS810便携式双通道TOFD检测仪，采用5 MHz的φ6直探头一对，楔块角度为63°，探头中心距为37 mm，探头前沿经测量为24 mm，延迟为5.6 μs；相控阵检测采用Phascan-32/128检测仪，采用5L16-0.6×10一维线阵探头，共有16个晶片，扇扫角度范围45°～70°。

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参考文献：

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干丝瓜→去皮→水洗→碱煮 （10%NaOH，98℃，2 h）→漂白 （10%H2O2、过氧化氢稳定剂，50℃，2 h）→水洗→燥干至恒重 （100℃）

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［3］王春艳，柯常波，陈铁群.表面开口裂纹高度的超声无损测定［J］.压力容器，2008，25（12）：49-52，58.

思雨又突然意识到，这根长发丝已经把欣竹牵扯进来了。这也很糟糕。想到这，思雨更加害怕了。如果这样，那真的就不是一根长发丝的事了。想到这，思雨找了个理由，匆匆买了单，逃也似地离去。

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本算例按照除氧器有效容积分别为 3min、4min和5min的锅炉最大连续蒸发量时的给水消耗量进行分析。给水下降管管径暂按Φ610×15，管长 25m。计算结果如下：

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