超聲波探傷技術(shù)的發(fā)展及在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測故障診斷中的應(yīng)用

王偉軍

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

電廠設(shè)備的大部分零件長期處于高壓、高溫、蒸汽介質(zhì)中，應(yīng)力腐蝕、蠕變、氫蝕、疲勞等引起的老化問題較為突出。在對設(shè)備進(jìn)行維修、壽命評估等方面，超聲技術(shù)是目前最常用、使用最廣的一種方法。超聲技術(shù)在薄管到厚管、表面到內(nèi)部的缺陷檢測中具有快速、現(xiàn)場檢查、分析方便、自動化程度高等諸多優(yōu)勢。超聲檢測材料的缺陷檢測，超聲信號通常很弱，變化也很小。為了精確地捕獲和分析這些微小的信號，需要高性能的測量系統(tǒng)。

1 影響超聲波探傷法所存在的因素

超聲檢測影響因素主要有定位和定量分析兩方面。

1.1 定位因素

1.1.1 波束方向發(fā)生偏離

若波速與探測器指定輻照方向不符，則會造成測距精度偏差。產(chǎn)生誤差原因有探頭質(zhì)量問題、被檢對象狀況、被檢物體材料、受檢對象內(nèi)應(yīng)力、被檢表面形狀、被檢物品邊界環(huán)境、工作溫度、斜楔底表面磨損等。在檢測過程中，被檢對象狀態(tài)主要是由于檢測結(jié)果粗糙，會造成探針與其之間接觸不良，從而產(chǎn)生錯誤。由于被檢物體材料不同，在超聲波探傷中，由于材料不同，會造成不同結(jié)果。被測物體內(nèi)應(yīng)力也是造成測量誤差一個因素，當(dāng)物體內(nèi)部有很大內(nèi)應(yīng)力時，會引起超聲速度和方向變化，從而產(chǎn)生偏差。如果不能準(zhǔn)確地掌握探針，會使探針表面形狀發(fā)生變化，使超聲波速方向發(fā)生變化，從而引起測量誤差。在被測物體邊緣處，有可能出現(xiàn)側(cè)壁干擾，引起超聲場壓力改變，從而造成定位精度偏差。工作環(huán)境差異對測量精度影響也很大，在介質(zhì)變換時，超聲波傳播速度會發(fā)生變化，從而影響到定位波速。斜楔底部磨損是由于長時間使用探針不能及時替換，造成斜楔厚度和形狀變化，使波速出現(xiàn)偏差。

1.1.2 數(shù)據(jù)讀取不準(zhǔn)

在進(jìn)行缺陷定位時，若用基準(zhǔn)法測量出缺陷水平與縱向距離，則會有一定誤差，從而造成定位上錯誤。其中，視差是造成測量誤差重要因素之一。

1.1.3 儀器的性能存在缺陷

如果測量水平線不準(zhǔn)確，就會造成測量結(jié)果偏差。在設(shè)備調(diào)試中，如果不正確校正，也會造成錯誤。

1.2 定量因素

1.2.1 性能影響因素

影響測量精度因素主要包括儀表和探測器，其性能好壞直接影響計量準(zhǔn)確率。不管是儀器縱向直線度、衰減器精度、頻率、折射角、探針形狀，或者晶圓大小，都會對回波高度產(chǎn)生直接影響。因此，在超聲波探傷中，首先，應(yīng)選用合適設(shè)備和探頭；其次，要注意頻率、晶片大小、探頭形狀、折射角度等。

1.2.2 耦合與衰減的影響

在超聲檢測中，當(dāng)回波參數(shù)較高時，其耦合介質(zhì)超聲阻抗性能和耦合層厚度都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生重要影響。當(dāng)檢測對象和儀表耦合狀況有差別時，應(yīng)引起重視，這會造成計量準(zhǔn)確率偏差。首先，若被測對象表面有粗糙或不均勻狀況，也會導(dǎo)致耦合不良。其次，要注意介質(zhì)衰減，如在測量精度較高或工作量較大時，應(yīng)測量衰減所需系數(shù)，在計算時要考慮衰減問題，以減少因衰減而產(chǎn)生誤差。

1.2.3 缺陷的影響導(dǎo)致誤差

在超聲波檢測時，對被檢測對象內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，其缺陷形狀具有非恒定性和多樣性，若不能準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測，很容易產(chǎn)生錯誤。在缺陷位置上，也有可能會有錯誤，在現(xiàn)實中，超聲入射方向并不一定與缺陷位置保持一致，這就會造成錯誤。

2 超聲波探傷技術(shù)在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測故障診斷

2.1 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

利用激光超聲波探傷技術(shù)在同一部位通過測量物體表面位移或振動速度，使物體表面成為傳感器，無論激光在被測物體法線方向上進(jìn)入，都不會產(chǎn)生明顯影響。激光作用于機(jī)械裝置表面使其產(chǎn)生高能量脈沖激光，受輻射區(qū)溫度升高使其局部熱膨脹形成局部應(yīng)變，當(dāng)激光功率密度達(dá)到某一數(shù)值時超聲會被激發(fā)，而當(dāng)超聲波在機(jī)械裝置中發(fā)生故障時會被反射到機(jī)器表面。連續(xù)激光光束照射到機(jī)械裝置表面，因超聲波在機(jī)械裝置中傳播，包括缺陷導(dǎo)致超聲波回波傳播，會導(dǎo)致機(jī)械裝置表面微介質(zhì)振動，而連續(xù)激光反射光束會產(chǎn)生多普勒頻率影響，所以它反射光束含有超聲波信息，可以利用光學(xué)干涉技術(shù)對其進(jìn)行解調(diào)，以獲取在機(jī)器中傳輸超聲波信息，達(dá)到對機(jī)械裝置進(jìn)行超聲波監(jiān)測目的。

2.2 故障診斷

系統(tǒng)由激光超聲波發(fā)生裝置激光接收裝置以及控制和信號處理三部分組成。激光超聲監(jiān)測機(jī)械設(shè)備故障系統(tǒng)方框圖，采用激光超聲波發(fā)生器對激光選定脈沖Nd:YAG激光器進(jìn)行監(jiān)測。激光光束由光纖傳輸?shù)奖O(jiān)視器，二者相隔不能超過400mm，實際工作中，由于探測區(qū)域外部環(huán)境較差，所以使用光纖可以使激光發(fā)生器處于較為清潔、易于控制的環(huán)境中。

2.2.1 激光超聲波接收裝置

利用干涉技術(shù)，將激光在物體表面進(jìn)行反射或散射，從而達(dá)到探測超聲波目的。為得到相位信息，必須把連續(xù)光束和干涉光束進(jìn)行重疊。在干涉測量中，信號光束在輸出端相位差會被轉(zhuǎn)換為幅度改變，這種改變可以用低噪聲探測和模擬放大器進(jìn)行記錄。構(gòu)成這一部分主要設(shè)備是連續(xù)激光源（例如，光干涉計），在這種情況下，需要連續(xù)激光發(fā)射頻率與探測用脈沖激光頻率有很大不同，連續(xù)激光是單一，并且波長是完全一致。

2.2.2 控制和信號處理

控制與信號處理部主要包括一臺存儲式示波器光電變換電路（電腦和顯示器）。其中光電監(jiān)測電路是以光電技術(shù)為核心，通過傳輸、存儲、控制、計算、顯示、光電監(jiān)測電路為基礎(chǔ)。由于光監(jiān)測器接收到訊號很弱，且訊號經(jīng)常被噪聲所掩蔽，所以要處理這種訊號必須經(jīng)過預(yù)處理，才能把訊號中訊號放大至訊號所需訊號。利用不銹鋼薄板、無縫鋼管等材料，對超聲波回波進(jìn)行分析。用超聲波回波測量不銹鋼薄片厚度。鋼板樣品厚度為2.75mm。相鄰超聲波回波脈沖之間間距約為△=0.85微秒，而樣品厚度是相鄰波峰脈沖之間超聲波傳播距離，而在不銹鋼板上以橫向波形式傳播，以V=3230m/s速度，不銹鋼板厚度為T=2.74mm，誤差率為8=0T/T=0.36%無縫鋼管超聲波監(jiān)測波形，見圖7。在無縫鋼管試樣上開矩形槽切口，其缺陷寬度為3mm，缺陷深度為1mm。通過監(jiān)測信號可以很好地反映出無縫鋼管缺陷。

2.3 新型技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

傳統(tǒng)故障診斷算法采用基于符號流推理技術(shù)進(jìn)行專家系統(tǒng)研究，然而，在專家系統(tǒng)中知識邏輯獲得難度較大同時還存在部分難以克服的困難及難以實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，它適應(yīng)性強(qiáng)、容錯能力強(qiáng)、并行運(yùn)算能力強(qiáng)，能夠處理大量數(shù)據(jù)，因此，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性模式識別問題處理，就成為有效方法。

2.3.2 脈沖反射法

脈沖反射法是將超聲波信號通過探測物體內(nèi)部，再通過反射方式探測出物體表面缺陷。脈沖反射法是常見缺陷回聲方法，利用示波器所顯示缺陷波形來進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測方法，它的基本測量方法如圖1所示。

圖1 沖反射示意圖

從圖1可以看出，在樣品正常情況下，超聲可以平穩(wěn)地傳遞到下表面，而示波器中僅顯示出兩種信號。如樣品中有瑕疵，在下表面回波之前，示波器下表面回波有缺陷見圖1。在這種監(jiān)測中，一般在示波器上存在表面波B，底面回波D，缺陷F，以及其它因素造成無缺陷回波，從而影響對故障正確判別。在這種情況下，必須利用超聲波反射、折射、波形變換等原理對其進(jìn)行相應(yīng)校正，以實現(xiàn)對缺陷的準(zhǔn)確監(jiān)測。

2.3.3 TOFD法

TOFD法指焊縫缺陷監(jiān)測中通過測量缺陷上下兩端繞射波傳播時延差異，實現(xiàn)對焊縫缺陷定位和定量分析。因此，從另一方面來說，用缺陷上下兩端衍射波時間差異來進(jìn)行定量監(jiān)測，通常被稱作TOFD。TOFD法是近年來國外許多工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用先進(jìn)技術(shù)，尤其是在信息技術(shù)飛速發(fā)展今天，TOFD法得到迅猛發(fā)展。利用TOFD法可以實現(xiàn)實時自動測試。它探測前端設(shè)備（掃描和探針）可做得很小，不僅能在焊接時候?qū)ぜM(jìn)行監(jiān)測，且還能在使用中進(jìn)行檢驗為工業(yè)應(yīng)用提供便利。另外，這種方法具有良好重現(xiàn)性可對缺陷發(fā)育進(jìn)行監(jiān)控。但在實際監(jiān)測中，TOFD方法在樣品上下都有探測盲區(qū)，并且當(dāng)缺陷高度傾斜時，縱向掃描難以探測到。因此，在實際檢驗中TOFD法往往與其他無損技術(shù)相結(jié)合，以確保檢驗精度與精度，例如，與脈沖反射法結(jié)合，可以實現(xiàn)對焊縫缺陷監(jiān)測。目前TOFD法主要規(guī)范有英國BS7706和歐洲ENV583-6兩種。其監(jiān)測原理見圖2。

圖2 TOFD探傷原理圖

從圖2可以看出，具有相同頻率、角度和大小發(fā)射探測器和接收探測器以相等間隔布置在焊縫兩側(cè)，發(fā)射探測器發(fā)出超聲波在樣品中傳播，并通過缺陷末端衍射波來監(jiān)測缺陷本身高度。在無缺陷處只會產(chǎn)生橫向和底部反射波形，而在缺陷處也會產(chǎn)生繞射波。因此，通過監(jiān)測曲線上各信號滯后，可以獲得缺陷深度和高度。

3 結(jié)語

綜上所述，本文以超聲波探傷技術(shù)的發(fā)展及在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測故障診斷中的應(yīng)用為研究方向，旨在為我國超聲波探傷技術(shù)在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測故障診斷中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與幫助。