安全检测技术 第6章Word文件下载.docx
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反射波与透射波的比率取决于两种介质的声阻抗。
例如当钢中的超声波传到底面遇到空气界面时,由于空气与钢的声速和密度相差很大,超声波在界面上接近100%的反射,几乎完全不会传到空气中(只传出来约0、002%),而钢同水接触时,则有88%的声能被反射,有12%的声能穿透进入水中。
计算声压反射率R和声压透射率D的公式为Z2?
Z1R=Z2+Z1(6-1)
第6章生产装置安全检测2Z2D=Z2+Z1式中:
Z
1、Z2为两种介质的声阻抗。
(6-2)当倾斜入射时,除反射外,投射波会发生折射现象,同时伴随有波形转换。
假如介质为液体、气体时,反射波和折射波只有纵波。
斜探头接触钢件时,因为两者都是固体,所以反射波和折射波都存在纵波和横波,如图6-1所示。
第6章生产装置安全检测图6-1固体和固体间的折射和反射
第6章生产装置安全检测图中:
i入射角;
β反射角;
θ折射角。
此时,反射角和折射角的大小由两种介质中的声速决定。
折射角的计算公式为sinαLsinγLsinγs==C1CL2CS2式中:
C1入射波声速;
α入射角;
γ反射角;
L纵波;
S横波。
(6-3)
2、超声检测的优点
(1)适应范围广。
无论是金属、非金属,还是复合材料都可应用超声波进行无损检测。
(2)不会对工件造成损坏。
施加给工件的超声强度低,最大作用应力远低于弹性极限,不会对工件使用造成任何影响。
(3)仅需从一侧接近被检工件,便于复杂形状工件的检测。
(4)穿透能力强、灵敏度高。
能够检验极厚部件,不适宜检验较薄的工件,能够检出微小不连续性缺陷,对面积型缺陷的检出率较高,而对体积型缺陷的检出率较低。
(5)对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等参量较之其他无损检测方法有综合优势。
第6章生产装置安全检测(6)检验成本低、速度快,能快速自动检测。
(7)检测仪器体积小,质量轻,现场使用较方便。
(8)对人体及环境无害。
3、超声检测技术的局限性超声检测技术的局限性超声检测技术也有一定的局限性。
检测条件会限制超声技术的应用,特别在涉及以下因素之一时:
(1)试件的几何形状(尺寸、外形、表面粗糙度、复杂性及不连续性取向)不合适;
(2)不良的内部组织(晶粒尺寸、结构孔隙、夹杂物含量或细小弥散的沉淀物)。
6、1、2超声检测的方法
1、超声检测的基本方法1)脉冲反射法脉冲反射法是目前应用最为广泛的一种超声波检测法。
它的探伤原理是:
将具有一定持续时间和一定频率间隔的超声脉冲发射到被测工件上,当超声波在工件内部遇到缺陷时,就会产生反射,根据反射信号的时差变化及在显示器上的位置就可以判断缺陷的大小及深度。
图6-2为脉冲反射法原理图。
第6章生产装置安全检测图6-2脉冲反射法原理图
第6章生产装置安全检测2)共振法若某一频率可调的声波在被测工件内传播,当工件的厚度是超声波的半波长的整数倍时,将引起共振,检测仪器会显示出共振频率。
利用相邻的两个共振频率之差,按下式可计算出被测工件的厚度:
ccδ===22f02(fm?
fm?
1)
式中:
f0工件的固有频率;
fm、fm-1相临两共振频率;
c被检工件的声速;
λ波长;
δ工件厚度。
λ
第6章生产装置安全检测3)穿透法穿透法又叫透射法,它是根据脉冲波穿透工件后的能量变化来判断工件缺陷情况的。
穿透法检测可以用连续波,也可以用脉冲波,常使用两个探头,分别用于发射和接收超声波,这两个探头被放置在工件两侧。
若工件内无缺陷,超声波穿透工件后衰减较小,接收到的超声波较强;
若超声波在传播的路径中存在缺陷,则超声波在缺陷处就会发生反射或折射,并部分或完全阻止超声波到达接收探头。
这样,根据接收到超声波能量的大小就可以判断缺陷位置及大小。
第6章生产装置安全检测穿透法的优点是适于探测较薄工件的缺陷和检测超声衰减大的匀质材料工件;
设备简单,操作容易,检测速度快;
对形状简单、批量较大的工件容易实现连续自动检测。
穿透法的缺点是不能探测缺陷的深度;
不能检测小缺陷,探伤灵敏度较低;
对发射探头和接收探头的位置要求较高。
穿透检测法灵敏度低,也不能对缺陷定位。
第6章生产装置安全检测4)接触法接触法就是利用探头与工件表面之间的一层薄的耦合剂直接接触进行探伤的方法。
耦合剂主要起传递超声波能量的作用。
耦合剂要求具有较高的声阻抗且透声性能好,一般为油类,如硅油、甘油、机油。
图6-3为接触法探伤原理图。
第6章生产装置安全检测图6-3接触法探伤原理图
第6章生产装置安全检测5)液浸法液浸法就是将探头与工件全部浸入液体,或将探头与工件之间局部充以液体进行探伤的方法。
液体一般用水,故又称水浸法。
用液浸法纵波探伤时,当超声束达到液体与工件的界面时会产生界面波,如图6-4所示。
由于水中声速是钢中声速的1/4,声波从水中入射钢件时,产生折射后波束变宽。
为了提高检测灵敏度,常用聚焦探头。
第6章生产装置安全检测图6-4液浸法探伤
2、超声波探伤仪1)A型显示探伤仪A型显示探伤仪可使用一个探头兼作收发,也可使用两个探头,一发一收,使用的波型可以是纵波、横波、表面波和板波。
多功能的A型显示探伤仪还有一系列附加电路系统,如时间标距电路、自动报警电路、闸门选择电路、延迟电路等。
第6章生产装置安全检测2)B型显示探伤仪在A型显示探伤中,横轴为时间轴,纵轴为信号强度。
若将探头移动距离作横轴,探伤深度作纵轴,可绘制出探伤体的纵截面图形,这种方式称为B型显示方式。
在B型显示中,显示的是与扫描声束相平行的缺陷截面。
B型显示不能描述缺陷在深度方向的扩展。
当缺陷较大时,大缺陷后面的小缺陷的底面反射也不能被记录。
若将一系列小的晶片排列成阵,并依次通过电子切换来代替探头的移动,即为移相控制式或相控阵式探头,它们被广泛用于B型扫描显示和一些其他扫描方法中。
近年来,B型扫描显示已经在电脑式探伤仪中通过B型扫描程序得以实现。
第6章生产装置安全检测3)C型显示探伤仪C型显示探伤仪使探头在工件上纵横交替扫查,把在探伤距离特定范围内的反射作为辉度变化并连续显示,可绘制出工件内部缺陷的横截面图形。
这个截面与扫描声束相垂直。
示波管荧光屏上的纵、横坐标,分别代表工件表面的纵、横坐标。
若将B型和C型显示两者结合起来,便可同时显示被检测部位的侧面图和顶视图,此种方法被称为复二维显示方式。
在复二维显示中,常用多笔放电式记录仪描绘图形。
第6章生产装置安全检测4)连续波探伤仪对时间而言,连续波探伤仪发射的是连续的且频率不变(或在小范围内周期性频率微调)的超声波。
其结构比脉冲波探伤仪简单,主要由振荡器、放大器、指示器和探头组成。
检测灵敏度较低,可用于某些非金属材料检测。
第6章生产装置安全检测5)调频波探伤仪对时间而言,调频波探伤仪周期性地发射连续的频率可调的超声波,其工作原理与调频雷达类似,主要由调频器、振荡器、混频器、低频放大器和探头组成,由电表、耳机、喇叭或频率计指示。
当调频波进入工件并由缺陷返回后,其反射波与发射波的频率不同,经过混频器输出二者的差频,由指示器显示。
此类仪器现在已很少使用。
3、采用超声波检测技术时应注意的事项采用超声波检测技术时应注意的事项1)检测条件的选择在进行超声波检测之前,应了解被检工件的材料特性、外形结构和检测技术要求;
熟悉工件在加工的各个过程中可能产生的缺陷和部位,以作为分析缺陷性质的依据。
第6章生产装置安全检测2)检测仪的选择超声波检测仪是超声波检测的主要设备。
目前国内外检测仪种类繁多,性能也各不相同。
使用时应优先选用性能稳定、重复性好、可靠性高的仪器。
此外,检测前也应根据探测要求和现场条件来选择检测仪:
(1)对于定位要求高的情况,应选择水平线性误差小的仪器;
(2)对于定量要求高的情况,应选择垂直线性好、衰减器精度高的仪器;
第6章生产装置安全检测(3)对于大型零件的检测,应选择灵敏余量低、信噪比高、功率大的仪器;
(4)为了有效地发现表面缺陷和区分相邻缺陷,应选择盲区小、分辨率好的仪器;
(5)对于室外现场检测,应选择重量轻、荧光屏亮度好、抗干扰能力强的便携式检测仪。
第6章生产装置安全检测3)探头的选择根据检测目的和技术条件选择合适的探头,从探头的形式、探头的频率以及探头的晶片尺寸三个方面选择。
在选择探头频率时应注意:
对同种材料而言,频率愈高,超声衰减愈大;
对同一频率而言,晶粒愈粗,衰减愈大。
对于细晶粒材料,选用较高频率可提高检测灵敏度,因为频率高,波长短,检测小缺陷的能力强,同时频率愈高,指向性愈好,可提高分辨力,并能提高缺陷的定位精度。
但是,提高频率会降低穿透能力和增大衰减,因此,对粗晶和不致密材料及厚度大的工件,应选用较低的探测频率。
第6章生产装置安全检测4)检测方法和耦合剂的选择应针对工件的具体情况选择合适的检测方法,常用的检测方法有:
脉冲反射法、共振法、穿透法、接触法和液浸法。
探头与试件的耦合方式有:
液体耦合、空气耦合等。
另外,在一些特殊条件(如高温)下,还需要选择特殊的耦合剂。
对于应用最多的液体耦合,影响声耦合的主要因素有:
(1)耦合层厚度;
(2)表面粗糙度;
(3)声阻抗;
(4)工件表面形状等。
6、1、3生产装置的超声检测
1、钢壳和模具的超声波检测大型结构部件钢壳和各种不同尺寸的模具均为锻件。
锻件探伤采用脉冲反射法,除奥氏体钢外,一般晶粒较细,探测频率多为2~5MHz,质量要求高的可用10MHz。
锻件通常采用接触法探伤,用机油作耦合剂,也可采用水浸法。
在锻件中缺陷的方向一般与锻压方向垂直,因此,应以锻压面作主要探测面。
锻件中的缺陷主要有折叠、夹层、中心疏松、缩孔和锻造裂纹等。
钢壳和模具探伤以直探头纵波检测为主,以横波斜探头作辅助探测。
但对于筒头模具的圆柱面和球面壳体,应以斜探头为主。
为了获得良好的声耦合,斜探头楔块应磨制成与工件相同曲率。
钢壳的腰部带有异型法兰环,当用直探头探测时,在正常情况下不出现底波,若有裂纹等缺陷存在,便会有缺陷波出现。
其探伤情况如图6-5所示。
第6章生产装置安全检测图6-5异型法兰探伤
2、小型压力容器壳体的超声波检测、小型压力容器壳体的超声波检测小型压力容器壳体是由低碳不锈钢锻造成型的,经机械加工后成半球壳状。
对此类锻件进行超声波探伤,通常以斜探头横波探伤为主,辅以表面波探头检测表面缺陷。
对于壁厚3mm以下的薄壁壳体可只用表面波法检测。
探伤前必须将斜探头楔块磨制成与工件相同曲率的球面,以利于声耦合,但磨制后的超声波束不能带有杂波。
通常使用易于磨制的塑料外壳环氧树脂小型K值斜探头,K值可选,范围为
1、5~2,频率为
2、5~5MHz。
探伤时采用接触法,用机油耦合。
图6-6为探伤操作情况。
探头一方面沿经线上下移动,一方面沿纬线绕周长水平移动一周,使声束扫描线覆盖整个球壳。
在扫查过程中通常没有底波,但遇到裂纹时会出现缺陷波。
可以制作带有人工缺陷、与工件相同的模拟件调试灵敏度。
第6章生产装置安全检测图6-6小型球壳的探伤
3、复合构件检测某些结构件是将两种材料粘合在一起形成的复合材料。
复合材料粘合质量的检测,主要有脉冲反射法、脉冲穿透法和共振法。
两层材料复合时,粘合层中的分层(粘合不良)多与板材表面平行,用脉冲反射法检测是一种有效的方法。
用纵波检测时,若两种材料的声阻抗相同或相近,且粘合质量良好,产生的界面波很低,底波幅度较高。
当粘合不良时,界面波较高,而底波较低或消失。
若两种材料的声阻相差较大,在复合良好时界面波较高,底波较低。
当粘合不良时,界面波更高,底波很低或消失。
第6章生产装置安全检测当第一层复合材料很薄,在仪器盲区范围内时,界面波不能显示。
这时粘合质量的好坏主要用底波判别。
一般说来粘合良好时有底波,粘合不良时无底波。
但第二层材料对超声衰减大时,也可能无底波,如图6-7所示。
第6章生产装置安全检测图6-7第一层较薄时的探测(a)粘合良好;
(b)粘合不良
第6章生产装置安全检测当第二层复合材料很薄时,界面波(I)与底波(B)相邻或重合,如图6-8所示。
对于很薄的复合材料,也可用双探头法检测。
如用横波检测,可用两个斜探头一发一收,调整两探头的位置,使接收探头能收到粘合不良的界面波。
第6章生产装置安全检测图6-8第二层较薄时的探测(a)粘合良好;
4、结构件焊缝的检测、在科研生产过程中,经常遇到焊接结构件,如试验筒体、大型测试刚架、焊接容器和壳体等。
焊缝形式有对接、角接、搭接、丁字接和接管焊缝等。
超声波检测常遇到的缺陷有气孔、夹渣、未熔合、未焊透和焊接裂纹等。
焊缝探伤主要用斜探头(横波),有时也可使用直探头(纵波)。
探测频率通常为
探头角度的选择主要依据工件厚度。
在缺陷定位计算中,可以使用探头折射角的正弦和余弦,也可使用正切值,它等于探头入射点至缺陷的水平距离与缺陷至工作表面垂直距离之比。
一般说来,板材厚度小时选用K值大的探头,板材厚度大时选用K值小的探头。
仪器灵敏度调整和探头性能测试应在相应的标准试件上进行。
第6章生产装置安全检测例如:
某化工厂采用超声波检测技术,对由16MnR材质制造,壁厚24mm,工作压力
12、6MPa,工作介质为压缩氦气,9为射线检测的原理图。
第6章生产装置安全检测图6-9射线检测的原理图
第6章生产装置安全检测当一束强度为I0的均匀射线通过被检测试件(厚度为d)后,其强度将衰减为Id=I0e?
ud(6-5)式中:
u为被检物体的线吸收系数。
如果被测试件表面局部凸起,其高度为h时,则射线通过h部位后,其强度将衰减为Ih=I0eu(d+h)
(6-6)又如在被测试件内有一个厚度为x的线吸收系数为u′的某种缺陷,则射线通过x部位后,其强度衰减为Ix=I0e
[?
u(d?
x)
?
ux](6-7)式中:
u′为被检物体缺陷处的线吸收系数。
第6章生产装置安全检测由于u≠u′,则由式(6-5)、(6-6)、(6-7)可得Id≠Ih≠Ix(6-8)因而,在被检测试件的另一面就形成了一幅射线强度不均匀的分布图。
通过一定方式将这种不均匀的射线强度进行照相或转变为电信号指示、记录或显示,就可以评定被检测试件的内部质量,达到无损检测的目的。
2、射线检测的方法射线检测的方法射线检测的方法射线检测的方法主要有透视照相法、电离检测法、X射线荧光屏观察法和电视观察法以及正在发展中的工业射线CT(计算机层析成像)技术等。
照相法是指将射线感光材料(通常用射线胶片)放在被透照试件的后面接受来自透过试件后不同强度分布的射线。
因为射线强度与胶片乳剂的摄影作用在正常条件下成正比,所以胶片在射线作用下形成潜影,经暗室处理后,就会显示出物体的结构图像。
根据底片上影像的形状及其黑度的不均匀程度,就可以评定被检测试件中有无缺陷及缺陷的性质、形状、大小和位置。
图6-10为射线照相原理示意图。
第6章生产装置安全检测图6-10射线照相原理示意图
第6章生产装置安全检测2)电离检测法X射线通过气体时,撞击气体分子,使其中某些原子失去电子而变成离子,同时产生电离电流。
如果让穿过工件的射线再通过电离室,那么在电离室内便产生电离电流。
不同的射线强度穿过电离室后产生的电离电流也不相同。
电离检测法就是利用测定电离电流的方法来测定X射线强度的,根据射线强度的不同可以判断工件内部质量的变化。
检测时,可用探头(即电离室)接收射线,并转换为电信号,经放大后输出。
电离检测法检测原理如图6-11所示。
第6章生产装置安全检测图6-11电离检测法检测原理
第6章生产装置安全检测此法的特点:
能对产品进行连续检测,便于自动化操作,可采用多探头,效率高,成本低。
但它只适用于形状简单、表面平整的工件,在一般情况下对缺陷性质判别较困难。
因此,在探伤方面应用并不广泛,但可研制成各种专用的检测设备,如用于自动检查子弹壳的X射线装置。
该装置由德国塞福特公司研制,用于分选子弹壳,每小时可检测的子弹壳达7200个。
X射线束通过铅制狭缝后,透过子弹壳的X射线由探头接收。
探头采用闪烁探测器,由碘化钠晶体和光电倍增管组成。
当遇到子弹壳壁有缺陷时,则壁厚变薄,探头便输出一个较强的电信号,触发分选机构,从而自动将废品分选出来。
第6章生产装置安全检测3)荧光屏观察法荧光屏观察法是将透过被检测物体后的不同强度的射线投射在涂有荧光物质的荧光屏上,激发出不同强度的荧光来,成为可见影像,从荧光屏上直接辨认缺陷。
它所看到的缺陷影像与照相法在底片上所得到的影像黑度相反。
第6章生产装置安全检测图6-12荧光屏观察法检测示意图
第6章生产装置安全检测荧光屏观察法的相对灵敏度大约为7%左右。
它具有成本低、效率高、可连续检测等优点,适用于形状简单、要求不很严的产品探伤。
近来,对此装置进一步采用了电子聚焦荧光辉度倍增管配合小焦点的X光机,使荧光屏的亮度、清晰度有所增加,灵敏度达2%~3%。
在荧光屏上观察时,为了减少直射X射线对人体的影响,在荧光屏后用一定厚度的铅玻璃吸收X射线,并将图像再经过45的二次反射后进行观察,如图6-12所示。
从荧光屏上观察到的缺陷,如需要备查时,可用照相或录像法将其摄录下来。
第6章生产装置安全检测4)电视观察法电视观察法是荧光屏直接观察法的发展,实际上就是将荧光屏上的可见影像通过光电倍增管增强,再通过电视设备进行显示。
电视观察法的自动化程度高,而且无论静态或动态情况都可进行观察,但检测灵敏度比照相法低,对形状复杂的零件检查也比较困难。
第6章生产装置安全检测5)工业射线CT(计算机层析成像)技术射线照相一般仅能提供定性信息,不能用于测定结构尺寸、缺陷方向和大小。
它还存在三维物体二维成像、前后缺陷重叠的缺点。
CT技术是断层照相技术,又称计算机层析成像技术,它根据物体横断面的一组投影数据,经过计算机处理后,得到物体横断面的图像。
所以,它是一种由数据到图像的重建技术。
它比射线照相法能更快、更精确地检测出材料和构件内部的细微变化,消除了照相法可能导致的检查失真和图像重叠,并且大大提高了空间分辨力和密度分辨力。
第6章生产装置安全检测图6-13射线CT工作原理示意图
3、射线检测设备
3、射线检测设备现代工业射线照相检测设备器材主要由射线源、胶片和金属增感屏组成。
过程设备的射线检测对象主要是材质、壁厚、形状和尺寸不同的容器和管子的对接接头、对接焊缝和其他形式接头,T形和角接接头则需特殊的透照技术。
为保证过程设备的制造质量和安全使用,在制造阶段就要根据容器的结构特点,选用适当的射线设备、器材、几何布置和曝光条件,对被检焊缝进行透照检查。
为保证检测结果的有效性和可靠性,通常要对射线透照工艺和透照质量进行适当控制。
只有自身质量符合要求的射线底片,才有条件按标准对焊接质量进行评定和验收。
6、2、3生产装置的射线检测
1、射线检测技术在压缩机入口分液罐检测中的应用射线检测技术在压缩机入口分液罐检测中的应用采用射线检测技术可以对压缩机入口分液罐进行检测,其中,对容器环焊缝的检测难度相对较大。
在实际的检测过程中,可根据现场的具体情况,设计检测方案。
(1)对接环焊缝进行检测时,采用射线或轴向X射线机内透中心法(或偏心法)进行透照。
(2)容器对接纵缝进行检测时,采用定向射线机进行直缝透照。
2、射线检测技术在航空航天工业中的应用射线检测技术在航空航天工业中的应用射线检测技术中的CT技术在航空航天领域不但用来检测精密铸件的内部缺陷、评价烧结件的多孔性、检测复合材料件的结构并控制其制造工艺,而且近年来已将射线CT技术引入更高层次的探测对象。
美国肯尼迪空间中心就采用射线CT装置来检测火箭发动中的电子束焊缝、飞机机翼的铝焊缝。
该装置还能发现涡轮叶片内0、25mm的气孔和夹杂物,也可用来检测航天飞机发动机出口锥等。
3、射线检测技术在核工业中的应用射线检测技术在核工业中的应用CT技术的应用日渐增多,例如用来检测反应堆燃料元件的密度和缺陷,确定包壳管内芯体的位置,检测核动力装置及其零
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