張叢敏 黃羅飛 宋云望

（湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院宜昌分院 宜昌 443000）

超聲波測厚在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，尤其在特種設(shè)備制造、檢驗(yàn)檢測過程中，工件的厚度測定是控制產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和保障設(shè)備使用安全非常重要的一環(huán)。精確可靠的壁厚信息不僅可以幫助相關(guān)人員準(zhǔn)確的判定設(shè)備當(dāng)前的安全狀況，還為確定腐蝕速率、壁厚校核以確定設(shè)備的服役年限等情況提供重要的計(jì)算依據(jù)。常見的導(dǎo)致超聲波測厚產(chǎn)生誤差的因素有檢測表面粗糙度過大、工件晶粒粗大、工件內(nèi)部存在缺陷、探頭磨損、工件測厚面曲率半徑過小等[1]。筆者觀察到，特種設(shè)備檢驗(yàn)人員很容易忽視測厚面曲率半徑過小對(duì)測厚結(jié)果的影響，因此本文從這一角度出發(fā)，分析利用超聲波測厚儀在小曲率半徑的工件凹面、凸面進(jìn)行測厚產(chǎn)生誤差的主要原因，并提出減小誤差的辦法。

1 超聲波在小曲率半徑工件表面測厚產(chǎn)生誤差的因素

結(jié)合超聲波測厚的原理和雙晶探頭的聲場分布的特點(diǎn)，從圖1和圖2中觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，利用超聲波測厚儀在小曲率半徑工件凸面測厚時(shí)，測厚儀探頭沿中心線與工件表面線接觸（此時(shí)探頭隔聲層分割線與工件軸線相垂直），聲束直接傳入工件并反射回來，測量結(jié)果基本不受凸面形狀的影響。而用同樣的儀器和探頭在工件的凹面進(jìn)行測厚時(shí)，探頭端面邊緣線與工件線接觸，使探頭中心位置與工件表面形成一個(gè)空腔間隙，其內(nèi)部充滿測量時(shí)使用的耦合劑，聲束需先穿過空間間隙再進(jìn)入工件[2]。所以由初步分析可知，利用超聲波測厚儀在小曲率半徑工件的凸面測厚不會(huì)因工件的形狀產(chǎn)生誤差，在凹面測量時(shí)，會(huì)因?yàn)榭涨婚g隙的存在產(chǎn)生誤差，并且該誤差導(dǎo)致測量結(jié)果總是大于工件該位置的實(shí)際厚度。

圖1 超聲波測厚儀在小曲率半徑工件凸面測厚

圖2 超聲波測厚儀在小曲率半徑工件凹面測厚

設(shè)工件與探頭接觸的凹面曲率半徑為R，探頭端面半徑為r，空腔間隙高度為h，工件實(shí)際厚度為h0，工件、空間間隙中耦合劑的聲速分別為c0、c，厚度測量的絕對(duì)誤差為Δ；為了便于分析，不考慮超聲波脈沖在空間間隙耦合劑中、工件中傳播時(shí)聲波的折射、波形轉(zhuǎn)換等情況的影響，則可得到以下公式：

由式（1）可知，空間間隙高度h的大小跟工件與探頭接觸的凹面曲率半徑R、探頭端面半徑r有關(guān)。將式（1）帶入式（2）可得：

由式（3）可知，對(duì)一種材質(zhì)的工件使用特定的耦合劑在其凹面進(jìn)行厚度測定時(shí)，測量誤差Δ的大小也是跟工件與探頭接觸的凹面曲率半徑R、探頭端面半徑r有關(guān)。

1.1 空間間隙高度h與R、r的關(guān)系

由式（1）可知，h與工件被測面的曲率半徑R和探頭端面半徑r有關(guān)。對(duì)于某一檢測探頭，其r為固定數(shù)值，特種設(shè)備檢測常用的小直徑雙晶探頭端面尺寸有φ11mm和φ7.2mm兩種規(guī)格，對(duì)應(yīng)的r分別為5.5mm、3.6mm。

因此，選用φ11mm規(guī)格探頭則有：

選用φ7.2mm規(guī)格探頭則有：

利用相關(guān)軟件，可繪制出選用φ11mm、φ7.2mm兩種規(guī)格探頭的R-h函數(shù)曲線，見圖3。

圖3 R-h函數(shù)曲線

觀察R-h函數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)，在探頭規(guī)格確定的情況下，當(dāng)R的值較小時(shí)，h隨著R的增大急劇減小；當(dāng)R增大到一定值之后（函數(shù)曲線中R大約在100mm左右），h隨R的增大的變化就不再明顯，說明對(duì)小曲率工件凹面進(jìn)行測厚時(shí)，尤其要關(guān)注曲率半徑為100mm以內(nèi)的工件由于空間間隙產(chǎn)生的誤差。另外，對(duì)比兩條函數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)分別采用φ11mm的探頭和φ7.2mm的探頭，在曲率半徑相同的小曲率工件凹面測厚時(shí)，前者的空間間隙高度大約是后者的2.4倍，說明探頭的端面尺寸越小，空間間隙的高度就越小，而且探頭的端面尺寸對(duì)空間間隙高度的影響非常明顯。因此減小探頭直徑是減小空間間隙高度的有效辦法。

1.2 測厚誤差Δ與R、r的因素

已知鋼材中聲速c0約為5900m/s，超聲波測厚專用耦合劑聲速c約為1750m/s。將聲速值帶入式（3）可得：

對(duì)于φ11mm探頭則有：

對(duì)于φ7.2mm探頭則有：

將式（7）、式（8）的形式與式（4）、式（5）對(duì)比可知，在工件凹面測厚的絕對(duì)誤差Δ隨工件凹面曲率半徑R的變化關(guān)系，跟空間間隙高度h隨工件凹面曲率半徑R的變化關(guān)系相同，即Δ隨R的增大逐漸減小，R越小，測厚誤差Δ隨R的變化就越快，當(dāng)R增大到一定值時(shí)，測厚誤差Δ隨R增大的變化就不明顯。對(duì)比使用φ11mm的探頭和φ7.2mm的探頭的兩條函數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)在同樣的小曲率工件凹面測厚時(shí)，前者的測厚絕對(duì)誤差大約是后者的2.4倍，說明探頭的端面尺寸越小，測量誤差Δ就越小，而且探頭的端面尺寸對(duì)測量誤差的影響非常明顯。因此減小探頭直徑是減小測量誤差的有效辦法。

2 在小直徑管凸、凹面進(jìn)行實(shí)際測厚驗(yàn)證Δ與R的關(guān)系

為了驗(yàn)證上述分析過程和結(jié)論的正確性，實(shí)際選取了幾種常見規(guī)格的小直徑壓力管道，代替前面所述的小曲率半徑的工件，管子材質(zhì)為20。為了方便在管子內(nèi)部凹面測量，將管子從截面中心剖開一分為二，并排除分層等影響測厚結(jié)果的缺陷的存在，用現(xiàn)有超聲波測厚儀在管子凸、凹面一一進(jìn)行了測厚，記錄同一點(diǎn)內(nèi)外表面的實(shí)測厚度值。測厚儀型號(hào)Olympus 26MG，精度±0.01mm，在標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)合格。選用的探頭分別為：

探頭1，型號(hào)D791，頻率5MHz，測量范圍1～500mm，端面直徑φ=11mm；

探頭2，型號(hào)D798，頻率7.5MHz，測量范圍0.71～100mm，端面直徑φ=7.2mm。探頭均為新購置，無磨損。

耦合劑：測厚儀廠家提供，聲速1750m/s。

測量方法：在所選用的每根管子同一截面沿圓周方向選取三個(gè)點(diǎn)，經(jīng)表面處理露出金屬光澤，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)外表面分別測量三次取平均值，分別將得到的內(nèi)外三個(gè)點(diǎn)的厚度值取平均值作為該管子的內(nèi)外表面測厚的實(shí)測值。

依前述分析，在管子凸面實(shí)測壁厚為管子的真實(shí)厚度，實(shí)測絕對(duì)誤差Δ=凹面實(shí)測厚度-凸面實(shí)測厚度。

表1 常見規(guī)格的壓力管道用φ11mm探頭測厚時(shí)h、Δ的試算值及實(shí)測值（單位：mm）

根據(jù)R、Δ實(shí)測值，設(shè)實(shí)測絕對(duì)誤差，利用軟件作R-Δ擬合曲線（見圖4），得到擬合函數(shù)：

（注：擬合度因子為0.99768）

圖4 φ11mm探頭實(shí)測R-Δ擬合曲線

表2 常見規(guī)格的壓力管道用φ7.2mm探頭測厚時(shí)h、Δ的試算值及實(shí)測值（單位：mm）

根據(jù)R、Δ實(shí)測值，設(shè)實(shí)測誤差,利用軟件作R-Δ擬合曲線（見圖5），得到擬合函數(shù)：

（注：擬合度因子為0.99615）

圖5 φ7.2mm探頭實(shí)測R-Δ擬合曲線

由此，比較兩種規(guī)格探頭實(shí)測R-Δ擬合函數(shù)，即式（9）和式（10），發(fā)現(xiàn)用脈沖反射法在聲速為c0=5900m/s的鋼質(zhì)工件凹面測厚時(shí)，采用聲速c=1750m/s的耦合劑，實(shí)際測量的絕對(duì)誤差Δ與工件凹面曲率半徑R有如下近似數(shù)量關(guān)系：

3 小結(jié)

找到脈沖式測厚儀在小曲率半徑工件凹面測厚的誤差影響因素，得到R-Δ的具體關(guān)系在實(shí)際應(yīng)用中有重要的意義。特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一些缺陷，比如壓力容器內(nèi)部的局部腐蝕、局部機(jī)械損傷和表面氣孔、裂紋等缺陷，通常是先將缺陷作打磨消除處理，相應(yīng)位置打磨后就會(huì)形成一個(gè)圓滑過渡的凹面，凹面的曲率半徑一般都不大，該位置的剩余壁厚從外部測量比較麻煩時(shí)（比如有保溫和防腐層），就需要在凹面處直接測量出準(zhǔn)確的剩余厚度，以確定設(shè)備的安全狀況能否滿足使用要求。這時(shí)為了減小測量誤差，就應(yīng)盡量選用小尺寸的探頭，且盡量將缺陷位置打磨出大而平的凹坑（即提高凹坑的曲率半徑）。另外，借助一定的儀器設(shè)備測得凹坑處的曲率半徑，那么就可用式（11）近似計(jì)算出測量誤差，從而得到更為準(zhǔn)確的壁厚信息。

[1] 馬景鐸，馬天燕.如何正確使用超聲波測厚儀[J].工業(yè)計(jì)量，2010，20(S1)：206-207.

[2] 伏德貴.用超聲測厚儀測量曲面厚度[A].中國工程物理研究院科技年報(bào)（1998）[C].中國工程物理研究院科技年報(bào)編輯部，1998：2.

[3] 李行健，楊陶，陳緒躍.掌上多功能超聲波測厚儀的原理及實(shí)現(xiàn)方法[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2002(02)：49-51.

[4] 劉凱.正確選擇和使用縱波雙晶探頭[J].無損探傷，2005(02)：29-32.