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1、 水下超声波探伤实验摘要第一章 绪论1.1为什么要研究水下超声波探伤1.2 水下超声波技术发展的历史及发展现状第二章 水下超声波探伤原理2.1超声波的基本性质2.2 超声波探伤的原理第三章 超声波探伤实验的设计第四章 结论参考文献第一章绪论1.1为什么要要研究水下超声波探伤随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设备和装备的运行、产品质量的保证、提高生产率、降低成本等领域发挥着越来越大的作用，无损检测也已经发展成为一门独立的综合性学科，而超声波探伤技术在无损检测领域内占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应用。而现代石油工业逐渐向海洋发展，对于水下超声波探伤技术的需求越来越大，因此
2、水下超声波探伤技术倍受各个海洋石油公司的青睐。 水下超声波检测(简称UWUT)是最重要的水下无损检测方法之一。海洋工程结构的水下安装或修理时需要进行大量的水下焊接, 焊缝的质量往往较陆上要差得多. 必须借助UWUT手段以检测焊缝内部的质量。在平台、海底管线等结构件的运行过程中, 为了掌握内部缺陷的扩展情况, 也要进行U W U T。超声波无损探伤有如下优点：1、适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；2、穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为12mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；3、缺陷定位较准确；4、对面积型缺陷的检出率较高；5
3、、灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；6、检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。随着中国石油行业逐步向海洋进军，水下技术的重要性日渐凸显，水下管道，水下作业机械装备等都需要定期检测，而这些检测极其依赖水下超声波技术，水下超声波技术的发展直接影响到未来海洋工业的发展。所以研究水下超声波探伤技术是非常必要的。1.2 水下超声波技术发展的历史及发展现状1.2.1 超声无损检测仪器的发展 超声检测仪器性能直接影响超声检测的可靠性，其发展与电子技术等相关学科的发展是息息相关的。计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能力，另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的定量、
4、自动读数、自动识别、自动补偿和报警。20世纪80年代，新一代的超声检测仪器数字化、智能化超声仪问世，标志着超声检测仪器进入一个新时代。超声无损检测仪器将向数字化、智能化、图像化、小型化和多功能化发展。在第十三、十四世界无损检测会议仪器展览会、1996年中国国际质量控制技术与测试仪器展览会、1997年日本无损检测展览会等大型国际会议会展中，数字化、智能化、图像化超声仪最引人注目，显示了当今世界无损检测仪器的发展趋势。其中以德国Krauthammer公司、美国Panametrics公司、丹麦Force Institutes公司与美国PAC公司的产品最具代表性。真正的智能化超声仪应该是全面、客观地反
5、映实际情况，而且可以运用频谱分析，自适应专家网络对数据进行分析，提高可靠性。提高超声检测中对缺陷的定位、定量和定性的可靠性也是超声检测仪器实现数字化、智能化急待解决的关键技术问题。现代的扫查装置也在向智能化方向发展。扫查装置是自动检测系统的基础部分，检测结果准确性、可靠性都依赖于扫查装置。例如采用声藕合监视或藕合不良反馈控制方式提高探头与工件表面的耦合稳定度以及检测的可靠性。从20世纪90年代以来，出现的各种智能检测机器人，已经形成了机器人检测的新时代及工程检测机器人的系列与商业市场。例如日本东京煤气公司的蜘蛛型机器人，移动速度约60m/h ，重约140kg，采用16个超声探头可以对运行状态下
6、的球罐上任意点坐标位置进行扫描。日本NKK公司研制的机器人借助管道内液体推力前进，可以测量输油管道腐蚀状况，其检测精度小于1mm。丹麦Force研究所的爬壁机器人，重约10吨，采用磁吸附与预置磁条跟踪方式可检测各类大型储罐与船体的缺陷。 1.2.2 超声无损检测技术的发展超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术, 体现在改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及设备服役的各个阶段和保证机器零件的可靠性和安全性上。世界各国出版的无损检测书籍、资料文献中, 超声探伤所占的数量都是首屈一指的。有关资料表明, 国外每年大约发表3000篇涉及无损检测的文献资料,
7、全部文献资料中有关超声无损检测的内容约占45%。在前几届世界无损检测会议论文集收录的论文中有关超声检测的论文数遥遥领先于其它检测方法, 特别是2000年10月在罗马召开的第十五届世界无损检测会议(WCNDT)收录的663 篇论文中, 超声检测就占250 篇。以上这些都说明超声检测在无损检测中的突出贡献与重要地位和研究势头, 所以超声检测一直以来都是研究的热点。于是, 随着电子学和计算机科学技术的飞速发展, 采用人工智能技术、自适应技术、机器人技术、相关技术、信息融合技术、激光技术和CADCAM 等技术与无损检测技术有机结合以实现复杂形面复合构件的超声扫描成像检测, 是近年来国外复合材料构件无损
8、检测领域研究的前沿课题。下面主要探讨超声成像技术、人工智能技术、自适应技术、机器人技术和相关技术在超声无损检测技术中的一些应用和理论分析。1.2.3 我国超声无损检测发展现状近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多具有国际先进水平的成果。许多不同用途的微机控制自动超声检测系统已经应用于实际生产。我国在这方面开展的主要研究有：计算机化超声设备；用户友好界面操作系统软件；超声数字信号处理，包括人工智能、神经网络、模式识别、相位补偿等；高频超声无损检测技术：各
9、种扫描成像技术：多坐标、多通道的自动超声检查系统：超声机器人检测系统：复杂构件的自动扫描超声成像检测(如5维以上多维探头调节结构等辅助设备的开发研究)等。这其中许多成果已经达到国际先进水平，这些研究为我国超声无损检测技术的持续发展提供了保证。无损检测的标准化和规范化，检测仪器的数字化、智能化、图像化、小型化和系列化工作也都取得了很大发展。我国已经制订了一系列国标、部标及行业标准，而且引进了ISO，ATSM、DIN、SS、BS、NF、JIS等一百多个国外标准。无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间存在很大差距。具体表现在以下几个方面: 1、检
10、测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术自动化、智能化、图像化的进展。由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，而年轻的检测人员虽拥有丰富的计算机等现代技术，却缺乏切实的实践经验.这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。特别像专家系统软件，以及有自动判伤。自动评定缺陷级别功能的软件编写应该引起足够的重视。组织一定的人力、才力对超声无损检测的现场经验进行收集和总结，不断充实检测理论和检测规范，把无损检测技术人员和计算机技术人员有机结合起来，才能开发出实用的无损检测软件。另外，应该树立对各类无损检测软件的正确观念
11、，任何软件都是依靠正确的检测方法、检测状态和在一定的适用范围限制下得到的结果。2、专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备利用率低。我国无损检测技术经过40年的发展，虽然应用已经遍及近30个系统领域，直接从事无损检测技术方面的人员已近20万左右，但是高技术专业人员较少。目前我国的投入不比日本少，国民生产总值只有日本的三分之一左右，这主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品报废所致。据测算，我国不良品的年损失约2000亿元。更严重的后果是产品的竞争能力差，影响产品进入国际市场。我们调研的几个大型机械制造企业，都拥有为数不少的无损检测设备，但由于对无损检测重要性认识不够，专门从事无损检测的
12、人员缺乏等因素，无损检测在生产中并未发挥其应有的作用。无损检测方面的书籍缺乏，很不利于无损检测后继人员的培养。3、对无损检测技术领域的信息技术应用缺乏重视。当信息技术和无损检测结合以后，人们就可以最大限度地从检测过程中获取大量信息。我国对无损检测信息技术的建设工作还处在相当薄弱的阶段。目前国内已经建立的无损检测专业网站或涉及无损检测技术范畴内容的网站的初步估算超过50个，但是专业的无损检测技术资讯综合网站少，仅有无损检测资讯网(http:/)几家，其余网站的内容大多局限于其自身的生产经营、服务业务等，范围相对比较狭窄。重视无损检测技术领域的信息技术应用，建立无损检测各类相关技术、设备仪器等方面
13、的专业的、综合性的资讯网站，是当前无损检测技术发展所必须的。要使超声检测的专业队伍技术水平普遇得到提高，就要认识到信息技术应用必要性。总之，当前迫切需要解决的问题是涉及实际工程应用中亟待解决的问题，如检测方法的规范化，判伤的标准化，检测和验收标准的制订，操作步骤的程序化.检测技术领域的信息化。另外.应该注重对无损检测人员资格进行全国统一的培训、鉴定和考核，力争使无损检测人员的培训与国际接轨。1.2.4 国际超声检测技术的发展历程和现状无损检测技术历经一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。超声无损检测技术(UT)作为四大
14、常规检测技术之一，由于其与其它常规无损检测技术相比，它具有被测对象范围广，检测深度大；缺陷定位准确，检测灵敏度高；成本低，使用方便，速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点，因而世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。目前，国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从NDI和NDT向NDE过渡。无损探伤(NDI)、无损检测(NDT)和无损评价(NDE)是无损检测发展的三个阶段。超声波无损探伤是初级阶段，它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下，发现其人眼不可见的内部缺陷，以满足工业设计中的强度求。超声无损检测是近20年来应用最广泛的术语，它不仅要检测最终产品，而且还要对生产过程的有关参数进行监测。超声
15、无损评价是超声检测发展的最高界，不但要探测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。本文建立在NDI的基础上，在过程装备制造与维护过程中，对焊缝进行有效检测，并进行缺陷分析和计算，从而对过程装备进行有效的安全评估。第二章 水下超声波探伤原理2.1 超声波的基本性质通常人耳能够听到的声波的频率范围在20-20000Hz之间，人们习惯上把频率超过20KHz的声波称为超声波。超声波本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖于两个条件，一是有做机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分的。超声波在介
16、质中传播的波形有许多种，用于探伤的有纵波、横波、表面波、板波等，其中最常用的是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤。纵波常用来探测钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的制品，而横波常用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制品。2.1.1 超声波的速度及波长 声波在介质中向前传播的速度，称为声速。对于不同种类的超声波，其传播速度不同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波形不同时，介质弹性变形的方式不同，速度也不一样。因此，超声波在介质中传播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。 超声波的频率、波长和
17、声速之间的关系如下: 其中为超声波的波长、c为超声波在介质中的的波速、为超声波的频率。可见，在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。2.1.2 超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫做超声波的衰减。超声衰减的三种主要原因:1、 声束扩散引起的超声波衰减2、 散射引起的超声波衰减3、由介质吸收引起的超声波衰减2. 2超声波探伤的原理超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连续性(即通常所说的缺陷)的一种方法。首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射
18、、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。 2.2.1超声波探伤方法的分类超声波探伤法的种类很多，根据声耦合方式可分为接触法和液浸法两大类，按声波传播方式可分为反射法和透射法两种。按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调频波等探伤方法。按波形分又可分为纵波、横波、表面波和板波等。在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法，TOFD法，相控阵扫查技术。2.2.2脉冲反射式超声探伤仪的原理 超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，利用被检工件底面或内部缺陷的反射回波探测反射
19、源的位置和大小的方法，称为脉冲反射法。纵波脉冲反射法工作原理如图2-1所示，一般只需要一个探头兼做发射和接收。超声探伤主要是判断工件材料有无缺陷，若有缺陷时，确定缺陷的大小和位置，进而评价其有无使用价值和修复的可能性。图2.1 脉冲法纵波探伤原理 1、判断缺陷的存在换能器发射的超声波在工件内部传播时，当遇到不同介质时，将发生反射。反射信号的强度与反射率R的大小有关，而反射率R只与入射介质和反射介质的材料有关。由于反射信号通过的声程是一定的，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射波，两者之间没有其它回波；当工件中有面积小于声束截面的小缺陷，则会在始波和底
20、波之间出现缺陷回波。缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中的位置，缺陷回波幅度的大小取决于缺陷在声束入射方向上的投影面积的大小，当有缺陷回波出现时，底波高度下降；当工件中缺陷大于声束截面时，全部声能被缺陷所反射，只有始波和缺陷回波，不会出现底波。2、缺陷的定位 由于超声波在介质的波速是一定的，则在图2.1中 (2-2)若知道工件长L的大小，则可以根据发射波到反射波与发射波到底波的时间的比值，来确定缺陷距探头的距离。若不知道L的大小，则可以根据声束和声波在介质中传播至缺陷所需时间和波速来定位缺陷。 (2-3)式中C为材料中的声速，为声波遇到缺陷时的来回传播时间。3、缺陷的定量假如缺陷尺寸小
21、于波长一半时，由于超声波的衍射作用而将不会产生明显的反射回波，从而无法探测缺陷，因此缺陷尺寸的最小检测极限为。工件或材料中的实际缺陷是多种多样的，其形状和性质也各不相同，而超声波的波长又比较大，要确定其真实大小是非常困难的，甚至不可能的，所以只能采用相对比较的方法，即用未知量(缺陷)与已知量(规定的人工缺陷)的回波振幅相比较的方法，来确定缺陷的当量大小，这就是超声探伤中的缺陷定量的基本原理。假设已经规定A处为已知量，以此处为参考，如图2.2图2.2 缺陷定量示意图则缺陷率为 ： （2-4）其中 缺陷波幅值 始波幅值 2.2.3 TOFD法Time Of Flight Diffraction(T
22、OFD)超声波衍射时差法，是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法，用于缺陷的检测、定量和定位。TOFD技术于20世纪70年代由英国哈威尔的国家无损检测中心silk博士首先提出，其原理源于silk博士对裂纹尖端衍射信号的研究。在同一时期我国中科院也检测出了裂纹尖端衍射信号，发展出一套裂纹测高的工艺方法，但并未发展出现在通行的TOFD检测技术。TOFD技术首先是一种检测方法，但能满足这种检测方法要求的仪器却迟迟未能问世。详细情况在下一部分内容进行讲解。TOFD要求探头接收微弱的衍射波时达到足够的信噪比，仪器可全程记录A扫波形、形成D扫描图谱
23、，并且可用解三角形的方法将A扫时间值换算成深度值。而同一时期工业探伤的技术水平没能达到可满足这些技术要求的水平。直到20实际90年代，计算机技术的发展使得数字化超声探伤仪发展成熟后，研制便携、成本可接受的TOFD检测仪才成为可能。但即便如此，TOFD仪器与普通A超仪器之间还是存在很大技术差别。世纪七十年代，由于工业发展的需求的不断增多，Mauric Silk博士（英国国家无损检测中心）率先提出了TOFD技术。自20世纪90年代，我国开始引进TOFD检测技术，到2005年，我国中科院武汉中科创新技术股份有研发出国产第一台TOFD专用检测设备。在TOFD系统的发展过程中，计算机和数字技术的应用起到
24、了决定性的作用。早期的常规超声检测使用的都是模拟探伤仪，用横波斜探头或纵波直探头做手动扫查，大多数情况采用单探头检测，仪器显示的是A扫波型，扫查的结果不能被记录，也无法作为永久的参考数据保存。自二十世纪九十年代起，模拟仪器开始慢慢演变为由计算机控制的数字仪器，随后数字仪器逐渐完善和复杂化，可以配置探头阵列，自动扫查装置，而且能够记录和保存所有的扫查数据用于归档和分析。TOFD检测需要记录每个检测位置的完整的未校正的A扫信号，可见TOFD检测的数据采集系统是一个更先进的复杂的数字化系统，在接收放大系统、数字化采样、信号处理、信息存储等方面都达到了较高的水平。衍射现象是TOFD技术采用的基本物理原
25、理。波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，根据惠更斯原理，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。TOFD技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。TOFD技术有如下优点：（1）一次扫查几乎能够覆盖整个焊缝区域（除上下表面盲区），可以实现非常高的检测速度； （2）可靠性要好，对于焊缝中部缺陷检出率很高；
26、（3）能够发现各种类型的缺陷，对缺陷的走向不敏感； （4）可以识别向表面延伸的缺陷； （5）采用D-扫描成像，缺陷判读更加直观； （6）对缺陷垂直方向的定量和定位非常准确，精度误差小于1mm； （7）和脉冲反射法相结合时检测效果更好，覆盖率100%。 TOFD技术有如下局限性： （1）近表面存在盲区，对该区域检测可靠性不够； （2）对缺陷定性比较困难；（3）对图像判读需要丰富经验； （4）横向缺陷检出比较困难； （5）对粗晶材料，检出比较困难； （6）对复杂几何形状的工件比较难测量。2.3 超声波探伤的设备与器材超声检测设备与器材包括超声检测仪、探头、试块、耦合剂等，其中仪器和探头对超声检测系
27、统的能力起关键性作用。了解其原理、构造和作用及其主要性能，是正确选择检测设备与器材并进行有效检测的保证。2.3.1 超声波探伤仪超声探伤仪是超声检测的主体设备，它的主要作用是产生电震荡并施加于换能器（探头）上，激励探头发射超声波，同时接收来自探头的电信号，将其放大后以一定方式显示出来，从而得到被检工件中有关缺陷的信息。超声波检测仪按其指示参量可以分为以下三类： 第一类指示声的穿透能量，称为穿透视检测仪。这种仪器发射频率不变的超声连续波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。这种仪器灵敏度低，且不能确定缺陷深度位置，须从两侧接近工件，目前已很少使用。第二类指示频率可变的超声连
28、续波在工件中形成驻波的情况，可用于共振测厚，但由于只适宜检查与检测面平行的缺陷，目前已很少使用。第三类指示脉冲波的幅度和运行时间，称为脉冲波检测仪。这类仪器通过探头向工件周期性地发射一持续时间很短的电脉冲，激励探头发射脉冲超声波，并接收从工件中反射回来的脉冲波信号，通过检测信号的返回时间和幅度判断是否存在缺陷和缺陷大小等情况，称为脉冲反射式超声检测仪。目前还出现了采用一发一收双探头方式，接收从工件中衍射回来的脉冲波信号，通过检测信号的返回时间来判断是否存在缺陷和缺陷大小等情况，称为衍射时差法超声检测仪，目前也在迅速的发展之中。脉冲波检测仪的信号显示方式可分为A型显示和超声成像显示，其中超声成像
29、显示又可分为B、C、D、S、P型显示等类。其中A型脉冲反射式超声检测仪是适用范围最广、最基本的一种类型。按缺陷显示方式分类，超声波探伤仪分为三种。A型：A型显示是一种波形显示，探伤仪的屏幕的横坐标代表声波的传播距离，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。B型：B型显示是一种图象显示，屏幕的横坐标代表探头的扫查轨迹，纵坐标代表声波的传播距离，因而可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C型：C型显示也是一种图象显示，屏幕的横坐标和纵坐标都代表探头在工件表面的位置，探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而当探头在工件表面移动时，屏上显
30、示出被探工件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。目前，探伤中广泛使用的超声波探伤仪都是A型显示脉冲反射式探伤仪。除了上述按照原理的差异分类以外，根据采用的信号处理技术，超声检测仪还可分为模拟式和数字式。目前使用的超声检测仪多为数字式。2.3.2 探头超声波探头是组成超声波检测系统的最重要组件之一。探头的性能直接影响超声检测能力和效果。下面介绍探头的工作原理、主要性能及其及结构。1） 压电效应某些晶体材料在交变拉压应作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。超声波探头中的压电晶片具有压电效应，当
31、高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能(机械能)，探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换为电能。不难看出超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转换，因此常把探头叫做换能器。2）探头的种类和结构直探头用于发射和接收纵波，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如板材、锻件探伤等。斜探头可分为纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头，常用的是横波斜探头。横波斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝、汽轮机叶轮等。当斜探头的入射角大于或等于第二临界角时，在工件中产生表面波，表面波探头用于探测表面或近表面缺陷。双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波
32、，另一块用于接收超声波。根据入射角不同，分为双晶纵波探头和双晶横波探头。双晶探头具有以下优点：a.灵敏度高b.杂波少盲区小c.工件中近场区长度小d.探测范围可调双晶探头主要用于探伤近表面缺陷。聚焦探头种类较多。2） 探头型号探头型号的组成项目及排列顺序如下：基本频率-晶片材料-晶片尺寸-探头种类-特征基本频率：用阿拉伯数字表示，单位为MHz。晶片材料：用化学元素缩写符号表示。晶片尺寸：用阿拉伯数字表示，单位为mm。探头种类：用汉语拼音缩写字母表示。探头特征：斜探头钢中折射角正切值（K值）用阿拉伯数字表示。2.3.3 耦合剂超声耦合是指超声波在检测面上的声强透射率。声强透射率高，超声耦合好。为了
33、改善探头与工件间声能的传递，而加在探头和检测面之间的液体薄层称为耦合剂。耦合剂可填充探头与工件间的空气间隙，使超声波能够传入工件，这是使用耦合剂的主要目的。耦合剂还有减少磨擦的作用。常用耦合剂有水、甘油、机油、变压器油、化学糨糊等。水的优点是来源方便，缺点是容易流失，容易使工件生锈，有时不易润湿工件。液浸检测中常使用水作耦合剂，使用时可以加入润湿剂和防腐剂等。甘油的优点是声阻抗大，耦合效果好，缺点是要用水稀释，容易使工件形成腐蚀坑，价格较昂贵。机油和变压器油的附着力、黏度、润湿性都较适当，也无腐蚀性，价格又不贵，因此是最常用的耦合剂。化学糨糊的耦合效果比较好，也是一种常用的耦合剂。2.3.4试
34、块试块是按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样。试块和仪器、探头一样，是超声波探伤中的重要工具。1）试块的作用a.确定探伤灵敏度超声波探伤灵敏度太高或太低都不好，太高杂波多，判伤困难，太低会引起漏检。因此在超声波探伤前，常用试块上某一特定的人工反射体来调整探伤灵敏度。b.测试探头的性能超声波探伤仪和探头的一些重要性能，如放大线性、水平线性、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头的入射点、K值等都是利用试块来测试的。a.调整扫描速度利用试块可以调整仪器屏幕上水平刻度值与实际声程之间的比例关系，即扫描速度，以便对缺陷进行定位。b.评判缺陷的大小利用某些试块绘出的距离-波幅-当量曲线（即实用A
35、VG）来对缺陷定量是目前常用的定量方法之一。特别是3N以内的缺陷，采用试块比较法仍然是最有效的定量方法。此外还可利用试块测量材料的声速、衰减性能等。2）试块的分类a.按试块来历分为：标准试块和对比试块。b.按试块上人工反射体分：平底孔试块、横孔试块和槽形试块等。3）焊缝探伤常用试块举例a.W试块 W试块是标准试块其结构尺寸如图2.3所示。W试块材质相当于我国20号钢，正火处理，晶粒度78级。在焊缝探伤中多用于仪器调试。b.RB-2试块 RB-2试块是GB11345-1989钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果中规定的焊缝检测用对比试块。结构尺寸如图2.4所示。RB-2试块主要用于厚度为8100m
36、m的对接焊缝检测，材质与被检材料的声学性能相同或相近。图2.3 W试块图2.4 RB-2试块2.4 横波斜探头探伤原理横波斜探头探伤技术是利用超声波倾斜入射到界面时，产生的波形转换现象，从而利用波形转换中产生的横波穿透工件，发现内部缺陷的。其原理图如图2.5所示。1-工件 2-焊缝 3-缺陷 4-超声波束 5-斜探头图2.5横波斜探头探伤原理为了发现缺陷和对缺陷的定性、定量，常用不同的移动方式。斜探头的扫查方式一般分为以下几类：单探头的扫查、特殊扫查及双探头扫查。2.4.1 单探头的扫查单探头扫查是用一个探头同时发射超声波和接收回波，根据探头不同移动方式，单探头扫查又可分为以下几类：a.锯齿形
37、扫查这是在焊缝探伤中经常使用的一种探头移动方式，即以锯齿形往复移动，每次前进的齿距宽度d不得超过晶片宽度，如图2.6所示。图2.6锯齿形扫查示意图b.转角扫查探头作原地转动的扫查方法。该法常与锯齿形扫查并用，当用锯齿形扫查探出缺陷后，需确定缺陷的方向和形状时，常使用这种扫查方法。c.环绕扫查探头以缺陷为中心作环绕运动。为了估判缺陷的形状常使用的方法。若探头环绕缺陷时反射波高度变化不大，一般估判为曲面状缺陷。但当探头靠近凸起的焊道发现缺陷波时，用此法估判缺陷形状是困难的。由于焊缝中的自然缺陷在多数情况下形状是复杂的，有一定的方向性，所以难以找到上述典型波形。d.左右和前后扫查将探头前后和左右移动
38、进行扫查。当在锯齿形扫描中发现缺陷波时，可以使用左右扫查来确定缺陷的长度；使用前后扫查来估计缺陷的自身深度。使用两种方法也可估判缺陷的形状。e.横方形扫查探头多次平行于焊缝移动，此法多用于自动化、半自动或在无法辨认真假反射波时，采用固定位置的一种扫查方式。f.纵方形扫查探头多次垂直于焊缝移动。2.4.2 特殊扫查a.斜平行扫查探头与焊缝成一定的角度斜平行移动。可以发现焊缝或热影响区的横向缺陷(如裂纹等)。此法多用于具有焊缝加强高的工件。b.焊缝上的扫查在焊缝加强高磨平的情况下，将探头放在焊缝上移动的一种扫查方法。从发现横向缺陷的能力来讲，它比平行扫查的效果好。(3) 双探头扫查双探头扫查是用两
39、个探头进行探伤，其中一个用于发射超声波，另一个用于接收回波，根据两个探头不同位置可分为以下几种：a.串列式扫查b.交叉式扫查探头分别置于焊缝的两侧或一侧，以便发现焊缝的横向或纵向缺陷。c.K型扫查两个探头置于焊缝的同一侧，并分别置于工件的两面，以便探测类似中部未焊透这类缺陷。d.V型扫查探头分别置于焊缝两侧并与焊缝垂直，可发现与探测面平行的缺陷。2.5 水下超声波检测的基本原理2.5.1 基本方法原理UWUT并不是简单地将陆上UT方法搬至水下的复杂环境。一些在陆上看似较简单的问题, 在UWUT 时都必须妥善解决。例如探头仪器的选择、测试、调节和灵敏度的设置问题, 如何进行水下观察、记录与判断等
40、问题。UWUT与陆上常规UT方法的基本原理是相同的, 以脉冲反射法和共振法为主, 脉冲反射法可用于水下探伤, 也可用于测厚, 数字显示共振法主要用于水下测厚。用该法进行检测时, 必须从超声回波显示角度建立潜水员与陆上技术人员之间的联系, 以帮助UWUT人员进行正确的判断。为此,UWUT通常采用水陆同步超声波检测系统。图2.7是典型的Wells Krautkrammer USM2型水陆同步超声波检测系统示意图, 超声回波显示器共有两个, 主机(控制显示器)沉浸于水下由潜水检测人员控制, 辅机(观察显示器) 置于水面之上由技术人员进行观察并帮助U W U T 人员判定缺陷, 验船师一般也通过辅机实
41、施监督。 图2.7 水陆同步超声波检测示意图 2.5.2 水下超声检测仪与探头与所有的UWNDT设备一样, UWUT设备必须符合有关规范、标准(如ASME 73一WA/OCT一18,BS 4994等)要求。通常仪器制造商或业主都需经过有关船级社的型式认可或单一仪器/ 装置认可。(1)水密性和耐水压性尤其是沉浸于水下的主控制显示器, 犹如一个压力容器, 其耐压壳体和聚丙烯窗口, 既要能在数十米水深条件下承受外部高压以防在工作深度被挤毁, 又能在水面环境下承受内部的超压力。(2)人员安全性所有的沉浸电器设备和装置,必须使潜水员尽可能地防止触电；一般说,通过潜水员身体的故障电流不得超过0.5mA(交
42、流)或2mA(直流)的“感受度”。(3)技术性能通常, 水下超声仪必须能应用脉冲反射技术和双探头技术,覆盖的最小频率范围为2-6MHz,在试验条件下,屏幕全幅值5%的回波能清晰地被探测。同时, 能从正面看到直接描绘基准曲线的平坦屏幕, 适用于纵波传感器、T/R传感器、45，60，70和80的斜探头。(4)环境适应性系统和部件必须适应其工作环境。(5)可操作性设备通常被设计成少按钮且容易识别, 便于操作和校准。每台UWUT设备都应有相应的操作手册(包括装备/仪器、应用范围限制条件以及影响该装备应用的设计准则的说明)和校准程序。将APIRPZXA级对比试块中1.6mmx1.6mmx38mm方槽反射的最大回波调整得到的DAC100%曲线定为基准灵敏度。灵敏度补偿量的确定通常考虑材质、曲率以及藕合等因素, 一般取12dB。(6) 综合校正每次探伤前后,都必须对探头的入射点,折射角及DAC曲线等进行校验。(7)藕合剂水下探测,海水为天然藕合剂。故所有在陆上进行的调节和测试,须采用海水藕合。