粗晶不銹鋼超聲波測厚精度探討

宋同樂

摘 ?要：該文以粗晶不銹鋼為研究對象，通過理論研究表明，超聲波在試件中的傳播聲速是影響超聲波測厚精度的關鍵參數。而超聲波在試件中的傳播聲速又受試件的材料與成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應力影響。通過分析利用對比試塊確定聲速法、資料確定聲速法、利用試件本身確定聲速法，比較了3種方法的優缺點，探討如何提高超聲波測厚儀的測厚精度。

關鍵詞：粗晶不銹鋼 ?超聲波測厚 ?精度 ?聲速

中圖分類號：TU31 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（b）-0058-02

超聲波測厚儀主要用于測量船體、油氣管道、高壓容器、鍋爐等的壁厚，以及大面積板材的厚度，被測材質通常是鋼為代表的金屬類材[1]。目前使用的超聲波測厚儀大部分采用雙晶探頭，其原理是發射晶體間隔一定時間發射一次超聲波，經試件的下表面反射至上表面并被探頭的接收晶體接收，通過測量超聲波在材料中的傳播時間，即可換算為試件的厚度，并以數字顯示。換算公式如下。

H=-υt-2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中：H為試件厚度;

ν為聲速;

t為超聲波在試件中往返一次的傳播時間。

對公式（1）進行微分，可得：

ΔH=Δυ·-t-2+Δt·-υ-2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中：ΔH為厚度測量偏差，即試件測量厚度與實際厚度之差;

Δυ為聲速設定偏差，即試件設定聲速與實際聲速之差;

Δt為時間測量偏差，即超聲波在試件中往返一次的測量時間與實際傳播時間之差。

公式（2）即是厚度偏差與時間偏差及設定聲速偏差的關系式。公式表明，試件厚度的測量偏差主要來自傳播時間t的測量偏差Δt和超聲波經過被測材料的聲速υ的設定偏差Δυ。目前的使用的數顯測厚儀采用穩頻晶振動產生的時間標準信號來測量時間間隔t，其精度相當高，對厚度的影響很小，可忽略。因此，公式（2）可簡化為：

ΔH=Δυ·-t-2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

公式（3）表明，試件厚度的測量偏差，即通常所說的精度，與超聲波經過被測材料的聲速υ的設定偏差Δυ成正比。因此，如何使設定聲速更接近實際聲速，即如何確定檢測環境下的實際聲速成為提高超聲波測厚精度的關鍵。

1 ?聲速的影響因素

超聲波在試件中的傳播聲速與試件的材料及成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應力相關。

1.1 材料及成分

超聲波經過不同材料的聲速不同，如一般鋼材時的超聲波聲速約為5900m/s，不銹鋼的聲速大約為5740m/s。即使牌號相同的鋼，由于成分、晶體結構的細微差異，聲速也會不同[2]。

1.2 溫度

一般來說，固體中的聲速隨介質溫度升高而降低，測量顯示值比實際值大。例如，一般純鐵的聲速與溫度的關系如表1所示。

也有試驗數據表明，熱態材料每增加100℃，聲速下降1%。GB/T 11344-2008《無損檢測 接觸式超聲脈沖回波法測厚方法》也明確指出經常使用的經驗法則如下：溫度升高時，對鋼壁厚測得的讀數是高的，每55℃增加大約1%厚度。因此，如果儀器在一塊相同材料且溫度為20℃上校準好，則在表面溫度為460℃材料上測得的讀數，應減少8%的厚度值。這種校正方法是對許多類型鋼材量取的平均值。其他校正方法必須對其他材料進行經驗測定。

1.3 組織均勻性

固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表現較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快、晶粒細、聲速大;中心冷卻慢、晶粒粗、聲速小。這就造成了同一試件聲速差異。

對于一些粗晶材料，晶粒的粗大和組織的不致密造成聲速的極大衰減，衰減是由于材料對聲能的散射和吸收造成的，衰減的程度與晶粒尺寸和超聲頻率是有密切關系的，相同頻率下衰減隨晶粒直徑的增大而增大。對于不同頻率的衰減隨頻率的增大而增大。其次，由于晶粒粗大和異相組織的存在，將產生異常反射、即草狀回波或樹狀回波，使測厚出現錯誤讀數，造成誤判。另外，隨著晶粒的粗大，金屬結晶方向上的彈性各向異性表現的更加顯著，從而使不同方向上的聲速造成差異，最大差異甚至可達5.5%，而且工件內不同位置上組織的致密性也不一致，這也將造成聲速的差異，這些都將產生測量的不準確。

2 ?聲速設定方法

聲速設定偏差直接決定厚度測量偏差，因此實際聲速的確定尤為關鍵。

2.1 利用對比試塊確定聲速法

超聲波在試件中的傳播聲速受試件的材料及成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應力影響。若對測量精度要求較高時，可采用對比試塊確定法，即用相同材料的試塊，在相同溫度條件進行測量，測量超聲波在對比試塊中的傳播聲度作為超聲波在試件中的傳播聲速。對比試塊的材料越接近于被測材料，測量就越精確。理想的對比試塊是一組被測材料的不同厚度的試塊，試塊能提供儀器補償校正因素（如材料的微觀結構、熱處理條件、晶粒方向、表面粗糙等）。為了滿足最大精度測量的要求，一套對比試塊是很重要的。在大部分情況下，只要使用一個對比試塊就能得到足夠的測量精度，這個試塊應具有與被測材料相同的材質，相近的厚度。取均勻被測材料用螺旋測微儀測量后就能作為一個試塊。

2.2 資料確定聲速法

在一定的情況下，查已知材料的聲速表，可代替參考試塊，但這只是近似的代替一些參考試塊，在一些情況下，聲速表中的數值與實際測量有別，這是因為材料的物理及化學特性有異，這種方法常只能作為粗略參考。

2.3 利用試件本身確定聲速法

利用對比試塊法可以確定試塊在某一溫度下的聲速，并應用于試件檢測。但試塊的材料及成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應力并不可能完全與試件相同。例如，由于粗晶不銹鋼的晶粒粗大，還可能造成晶粒內部結構具有方向性，在不同的方向上，聲速將會少量變化。

3 ?結語

現場超聲波測厚往往受制于材料特性、儀器條件、對比試塊、環境等因素限制，造成測量精度偏低。該文以粗晶不銹鋼為研究對象，在理論研究的基礎上，列舉了超聲波在介質中傳播聲速的影響因素，比較了利用對比試塊確定聲速法、資料確定聲速法、利用試塊本身確定聲速法的優缺點。利用試塊本身確定聲速法克服了對比試塊與試件本身由于材料及成分、溫度、組織均勻性、表面氧化層及應力等因素造成的聲速偏差，精度更高，且不需要單獨制造對比試塊，在現場超聲波測厚檢測過程中更為適應。

參考文獻

[1] 陳利平.超聲波測厚儀測量精度的提高[J].造船技術，1991（3）：38-39.

[2] 陳衛民.超聲波測厚儀示值失真因素分析[J].石油和化工設備，2017，20（6）：81-83.

[3] 許林.影響超聲波測厚儀示值的因素分析和改進措施[J].綠色環保建材，2016（2）：136，138.