超声波检测技术在焊管质量控制中的应用开题报告.doc

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设计（论文）

题目

焊管检测技术研究

设计（论文）

类型（划“√”）

工程设计

应用研究

开发研究

基础研究

其它

√

一、本课题的研究目的和意义

焊接是石油、化工、电站、核能和军工等工业部门的重要生产方法。

焊缝质量直接决定着焊管的使用安全和使用寿命，因此在制造和使用过程中的焊缝检测显得尤为重要。

无损检测技术主要包括射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、声发射等方法其中超声波探伤和射线探伤是检测焊管焊缝内部缺陷的主要手段。

超声波探伤以其探伤距离大、探伤装置体积小、重量轻、便于携带、检测速度快、检测费用低等优势，在焊管制造和在役检测工作中得到越来越多的应用。

超声波探伤的原理是通过对被测物体发射超声，然后利用其反射、多普勒效应、透射等来获取被测物体内部的信息并经过处理形成图像。

目前应用最多的是反射法。

反射法是基于超声波在通过不同声阻抗组织界面时发生较强反射的原理工作的，声波在从一种介质传播到另外一种介质的时候在两者之间的界面处会发生反射，而且介质之间的差别越大反射就会越大，所以对一个物体发射出穿透力强、能够直线传播的超声波，然后对反射回来的超声波进行接收并根据这些反射回来的超声波的先后、幅度等情况就可以判断出这个组织中含有的各种缺陷的大小、分布情况以及各种介质之间的对比差别程度等信息，从而判断出该被测物体是否有异常。

由于超声检测容易受到主、客观因素的影响，对检测人员的知识水平和判断能力有较高的要求。

针对超声检测技术显示不直观，探伤技术难度大以及探伤结果不便保存等技术难点，深入学习和掌握超声检测技术，在搞清原理、掌握使用的同时发挥创新精神探索超声检测过程中的出现的问题并加以解决。

在进行板材焊缝超声波探伤测试毕业设计的过程中验证所学理论、掌握设计、制造、技术文件编写的一般方法、掌握运用所学理论知识分析解决工程实际问题的一般方法、培养分析问题、解决问题和独立工作的能力。

二、本课题的主要研究内容（提纲）

（1）了解无损探伤的主要方法种类和原理；

（2）掌握焊管焊接的基本方法、焊接过程，了解焊接过程中需要注意的问题；

（3）学习超声波探伤的工作原理、方法，重点了解平板焊缝的超声波焊接方法；

（4）掌握某型号超声波探伤仪的使用方法，并能进行焊缝的缺陷探伤；

（5）使用超声波探伤仪检测给定的平板焊缝，能够检测出给定焊缝存在的缺陷，并进行相应的焊接缺陷分析；

（6）给出超声波探伤的基本流程和注意事项，并给出造型工件的缺陷种类；

三、文献综述（国内外研究情况及其发展）

无损探伤技术是检测压力容器焊缝内部缺陷的主要手段。

无损探伤是指利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态的所有技术手段的总称。

工业生产中常用的无损检测方法有射线检验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）和液体渗透检测（PT）四种。

其中射线探伤和超声波探伤是检测压力容器焊缝内部缺陷的主要手段。

超声波探伤以其探伤距离大、探伤装置体积小、重量轻、便于携带、检测速度快、检测费用低等优势，在压力容器制造和在役检测工作中得到越来越多的应用。

1、超声波的发展历程

超声波形成机理的研究始于19世纪初，但它在无损检测中的应用大约是从20世纪20年代才开始。

在30年代，超声波技术才广泛应用于无损检测。

在随后的1955年，超声波技术发展迅速，技术的进步促进了超声波设备的快速发展。

从20世纪80年代直到今天，计算机技术的进步使得超声波设备体积更小、性能更稳定、功能更强大。

最近几年，超声波测绘技术得到了极大的发展。

超声波探测试验中需要采集精确的数据，这种需求进一步推动了定量测量技术的发展。

同时，基于超声波能量形成和非接触检测技术的发展也促进了激光器和电磁传感器的技术进步。

如今，便携式设备中已经运用了相控阵式激光技术。

采用这种技术，单一发生器定时或定相发射的超声波元素阵列，能够精确截取被测对象的超声波波形。

2、超声波探伤技术

2.1什么是超声波探伤技术

超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

现在广泛采用的是观测声脉冲在材料中反射情况的超声脉冲反射法，此外还有观测穿过材料后的入射声波振幅变化的穿透法等。

常用的频率在0.5～5MHz之间。

2.2超声探伤技术的应用现状

超声波探伤方法主要应用于检测各种材料特性和状态。

它适用于试样

表面缺陷和内部异常的检测。

试样必须能够传播超声波能量并具有引入和

检测反射、透射、散射声波能量的几何结构。

到目前为止，已经应用或者提议应用的利用超声波探伤进行无损检查的方法有：

缺陷定量方法当量法（当量试块比较法、当量计算法、当量AVG曲线法）；测长法（相对灵敏度测长法、绝对灵敏度测长法、端点峰值法）；底波高度法；裂纹的检测方法表面波波高法；表面波波时延法（单探头法、双探头法）；端部回波峰值法；横波端角反射法；横波串列式双探头法；相对灵敏度法（6dB、10dB、20dB）；散射波法（衍射法）；损伤、劣化评价方法衰减法；音速法；临界角反射法光谱仪法；频率解析法等。

在实际的工程应用中使用最广泛的是便携式超声波检测仪。

由于它重量轻、便于携带、检测速度快、检测费用低等优势越来越受到业内人士的青睐。

常用的检验仪器为A型显示脉冲反射式超声波探伤仪。

根据仪器示波屏上反射信号的有无、反射信号和入射信号的时间间隔、反射信号的高度，可确定反射面的有无、其所在位置及相对大小。

超声波在介质中传播时有多种波型，检验中最常用的为纵波、横波、表面波和板波。

用纵波可探测金属铸锭、坯料、中厚板、大型锻件和形状比较简单的制件中所存在的夹杂物、裂缝、缩管、白点、分层等缺陷；用横波可探测管材中的周向和轴向裂缝、划伤、焊缝中的气孔、夹渣、裂缝、未焊透等缺陷；用表面波可探测形状简单的制件上的表面缺陷；用板波可探测薄板中的缺陷。

在A型探伤仪的基础上发展而成的B型、C型探伤仪，可得到不同方向反射面的信号，也可将B型、C型显示组合以得到材料的内部反射面的三维显示图。

3、超声探伤新发展

超声波探伤是一项成熟的技术，它有坚实的物理学理论基础和成熟的检测结果模型。

操作简单，便于携带的设备和一切齐全即可使用的计算机系统都在生产中广泛应用。

超声波探伤设备类型多样，比如手提式设备，便携且计算机化的多功能设备、工业生产应用的模块化系统以及研发所用实验室设备等，可满足用户不同的需要。

超声波无损探伤技术广泛应用于制造业的质量控制、验收试验和定期维修检查中，并且适用于各种材料的缺陷定位和确认。

超声波探伤在石油和航空航天工业中应用非常广，也常常应用在核电站和过程工业基础设施上。

通过人们的不懈努力，如今超声探伤技术有了更加长远的发展。

3.1超声衍射时差检测技术（TOFD）

TOFD是20世纪70年代由英国国家无损检测中心的MauricSilk博士首先提出,后经Silk博士和他的合作者经过大约10年的研究创造出了能够探测和确定缺陷尺寸的一整套检测方法。

20世纪90年代,TOFD技术在国外被广泛应用于核工业、电力、承压设备、铁路、桥梁等工程中的金属检测。

21世纪初,该技术在中国国内逐步得到应用。

TOFD检测是利用纵波在缺陷的端点产生衍射波,利用一发、一收2个探头得到未校正的A扫描信号,通过高频率的数字化采样形成可视缺陷图像,并能利用特有软件进行精确的数据分析。

其与常规脉冲回波超声检测相比有2个重要不同:

缺陷衍射信号与角度无关,检测可靠性和精确度不受角度影响;缺陷定量定位是根据衍射信号传播时差确定的,不依靠信号波幅。

常规超声检测使用的模拟探伤仪只显示A扫描波形,无法记录。

常规数字超声仪仅能存储检测参数和DAC曲线。

而TOFD设备可采用多通道同时扫查大厚度工件,并且在计算机和数字技术支持下采用复杂的数据采集系统,不仅能全过程记录信号,长久保存数据,而且能高速进行大批量信号处理。

TOFD主要用于缺陷检测,缺陷定量十分精确,远远高于常规手工超声波检测。

一般其对线性缺陷或面积型缺陷的测量误差小于1mm,对裂纹、未熔合缺陷高度测量误差只有零点几毫米。

另外,TOFD技术还用于缺陷扩展的监控,是有效且能精确测量出裂纹增长的方法之一。

在西方发达国家TOFD技术已发展成为一项专门的无损检测方法,美国甚至出现了替代射线检测的趋势。

有关的设备仪器、检测技术、检测标准也不断发展,范围不断扩大,对于产品质量、公共安全、提高效率方面具有重要意义。

英国已于1993年颁布了BS7706标准,1997年欧盟标准化协会推出了ENV58326标准,2004年美国颁布了ASTME2373标准,日本在2001年颁布了NDIS2423标准。

目前中国的TOFD4730标准已有草案出台,不久的将来会面世,TOFD技术将会得到更广泛的应用。

3.2超声相控阵检测技术

超声相控阵检测技术的应用始于20世纪60年代，最早应用于医学B型超声诊断设备。

近年来国外对超声相控阵关键技术的研究日趋活跃，例如在核工业、航空工业、锅炉压力容器等质量要求高的行业开始引入超声相控阵技术进行缺陷检测，对传统超声检测效果不太理想的奥氏体焊缝和复合材料也尝试进行超声相控阵检测。

一些国外公司如GE检测科技、R/DTECH、西门子、IMASONIC等已推出商业化便携式超声相控阵检测设备（见图1）和大型超声相控阵检测系统。

超声相控阵技术是将多个超声阵元排列成一定形状，每个超声阵元可独立控制，分别调整每个阵元发射接收的相位延迟，产生具有不同相位的超声子波束在空间叠加干涉，达到聚焦和声束偏转的效果。

超声相控阵技术可在不移动探头的情况下实现对波束的控制，主要分为两类：

（1）超声波束的方向控制；

（2）超声波束的聚焦。

合成的超声波束遇到目标后产生回波信号，到达各阵元的时间存在差异，按照回波到达各阵元的时间差对阵元信号进行延时补偿并相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，而其他方向的回波信号减弱甚至抵消。

超声相控阵技术在国外工业发达国家已进入实用化阶段。

近几年来,相控阵技术及其实际应用在我国也越来越受到人们的重视。

软件和硬件领域的重大进展以及在标准制定方面的进步,使得相控阵技术在工业上得到更广泛的应用。

相控阵技术同时也在很多新的市场和工业中找到了自己的位置。

与常规方法相比,相控阵技术的标准制定所需的时间要少得多。

相控阵技术是一项发展势头很强的技术,由于其具有手动超声和射线照相技术无法超越的明显优势,这项技术无论现在还是不远的将来都会带来巨大的机遇。

四、解决的关键问题

（1）根据给定的焊管，绘制距离-波幅曲线；

（2）针对给定的焊管焊缝进行探伤，判断缺陷类型，并分析形成原因，给出处理方法。

五、研究思路和方法

1、通过查阅文献，了解焊管的制造工艺；特别是焊接的原理和常见产生缺陷，缺陷产生原因和处理方法。

2、学习无损探伤的基本知识，特别是超声波探伤的原理、设备、注意事项，为熟悉检测设备做准备。

3、学习超声波探伤器的操作方法，包括精度校正、距离-波幅曲线绘制等。

4、针对跟定的板材焊缝，确定检测方法、检测步骤、计算检测跨距。

5、超声波探伤检测。

针对给定的板材焊缝，按照相关标准规定地方法进行检测，评定缺陷等级，判断缺陷类型，给出相关结论和处理办法。

六、本课题的进度安排

第1周～第2周：

阅读文献（包括英文文献翻译），查找资料，确定系统方案。

第3周：

提出系统总体设计方案，完成系统硬件框图

第4周～第5周：

单元电路的设计。

完成控制器外围芯片的配置、A.D转换器和信号采