高温压力容器与管道在线超声波检测技术的研究
摘 要
在压力容器和压力管道生产过程中的质量控制、在役检验等领域中，超声检测技术作为重要的检测手段已得到了广泛应用。但由于条件所限，对于大量工作在50℃―450℃温度下的压力容器和管道的在线超声波检测，还需要进一步研究。随着温度的变化，材料中超声波的声速、声压值会发生变化，掌握温度对超声波参数的影响，对高温状态下超声波检测具有重要意义。压力容器与管道焊缝的超声波探伤一般使用横波，木文主要讨论在50- 450℃温度之间，超声横波速度随温度变化的规律。通过试验，给出了横波速度随温度变化的关系式，用以修正不同温度下缺陷的实际位置、大小。
关键词：高温；超声波检测；焊缝；横波声速
Abstract
In the field of quality control and in-service testing in pressure vessel and pipeline production, ultrasonic inspection technology has been widely applied as an important testing means for a long time. But unfortunately, due to limitation of conditions, there is not yet a systematic research at home on the online ultrasonic detection of weld defects of pressure vessels and pipelines in high temperature environment. The velocity and sound pressure value of ultrasonic beam in the material will change with temperature. It was of important significance to know the temperature effect on ultrasonic test parameters. Because the shear wave is usually used for UT of welds of pressure vessels and pipelines, in this paper the change law of velocity and amplitude of ultrasonic shear wave with temperature was discussed at 50 ~ 450℃.Through tests, the relational expression was given for the change of shear wave velocity with temperature, which is used to correct the actual position and size of the defects at different temperature。
Key words: high temperature; ultrasonic testing; weld; shear wave velocity
第1章 绪论
1.1 压力容器和管道技术
1.1.1 压力容器和管道技术进展
压力容器与管道是具有爆炸危险的特种承压设备，随着科学技术的进步和工业生产的需要，压力容器和压力管道的使用范围日益广泛。上个世纪20年代合成氨生产的发展，40年代核能源的开发，60年代以后石油化工与新能源的研究和应用等，扩大了压力容器与管道的使用范围，提高了压力容器与管道的使用参数。目前，压力容器与管道己经成为化工、化肥、石油化工、煤化工、电力、城镇燃气、轻工、医药、冶金、军工等领域中的重要设备。
压力容器与管道技术是一门应用技术，对使用安全的要求，是压力容器与管道技术的一个显著特点。使用安全涉及到材料、设计、制造、安装、检验、使用、管理等诸多环节，是一门多学科交叉的技术领域。压力容器与管道的失效，一般是由多种因素综合作用而引起的，其中三个主要因素是:设计不合理、操作不正确以及在关键部位存在缺陷。压力容器与管道在制造和使用过程中，由于焊接工艺、压力加工、热处理、机械加工应力水平、腐蚀环境等原因，将不可避免地产生各种缺陷。且随着设备大型化和高强钢的使用，产生缺陷的可能性随之增加，因而造成的后果将更为严重。
1.1.2 我国压力容器与管道现状
自上个世纪90年代以来，由于全球原油资源的劣化，我国石油加工和能源行业承受了前所未有的压力。腐蚀性介质与运行条件的相互作用使得承压设备经受了很大的考验，正在运行的130万台压力容器和数万公里压力管道损坏程度加剧。这类压力容器与管道存在着各种焊接缺陷、结构缺陷、材料缺陷，使用时产生的裂纹等，再加上长期超期服役造成的材料损伤，潜在危害性极大，使得它们的安全性显得尤为重要。
国内从70年代末开始逐步制订和完善各类质量控制法规标准，并开展了以断裂力学为基础的缺陷评定与寿命预测工作，在一定程度上减少了事故的发生。压力容器与管道事故从七、八十年代的205起/年降低到90年代初期的90起/年，但形势仍不容乐观，近几年事故再度上升达到150起/年，恶性爆炸事故时有发生。
高温压力容器与管道在线超声波检测技术的研究
1996年，合肥通用机械研究所等单位对部分石化企业的在用压力容器与管道安全状况的调查表明，当前影响化工设备安全运行的突出问题有：80年代中期以前投用的数十万台压力容器严重先天不足，仍然存在大量的超标缺陷，即使是经过缺陷评定的压力容器与管道，在新的运行条件，包括介质作用下，其高度、长度有可能变化和发展；部分石化企业中存在着相当数量的业已达到设计寿命的超期服役压力容器，有很多还是在高温条件下长期超期服役；压力容器与管道带缺陷监控使用时，没有可靠的监控措施，无法在运行中对缺陷进行有效的检测与监测。如何运用无损检测的方法，正确地复查并了解其扩展趋势和扩展后的形态、尺寸，以判断容器和管道能否继续使用，是保证压力容器与管道安全运行的关键问题。
高温下压力容器与管道失效形式比较复杂，在设计时也难以进行控制。如高温下长期使用材料的蜕化，蠕变开裂，蠕变疲劳断裂，塑性棘轮变形等等，因此，高温环境作用下，压力容器与管道的失效概率也是很高的。长期在高温、高压下操作的设备和管道存在高应变应力部位，这是设备、管道的最薄弱部位，极易萌生裂纹并快速扩展导致设备、管道失效，严重影响整个装置的长周期安全运行，是石油化工、化工行业的重大安全隐患。1994年胜利油田发生多起稠油热采注蒸汽管道爆炸事故，损失达3000万元，2000年7月首钢蒸汽管道爆炸，死亡7人，1999年3月，美国德州一炼油厂由于高温临氢管线阀门破裂致使加氢反应器爆炸，损失惨重，类似爆炸在韩国、印度也相继发生。我国近两年类似管线开裂事故也屡有发生，此外石化企业几十家延迟焦化的焦碳塔由于长期在交变温度载荷下使用产生热疲劳与蠕变破坏的事例也常见报道。
要解决上述设备的失效分析和预防问题，首先是检测、监控危害性缺陷。我国无损检测界早己将超声技术、射线技术、磁粉与渗透技术用于压力容器的缺陷检测。但是上述的研究仅仅局限在常温下缺陷的检测，对于高温问题很少涉及。我国“九五”、“十五”及科技部社会公益基金项目中，均设立专项研究在用压力容器的爆炸预防与安全监控技术，其中高温设备的无损检测技术研究是其重要的内容。
西气东输工程管道为大口径厚壁管，管径1 000—1 200m m.壁厚10—12mm.采用美国和加拿大针对输气管道研究的全新自动超声波检测技术—超声相控阵技术。近几年来.该技术己经发展成熟。与超声相控阵检测技术相比，射线检测存在的缺点有：①裂纹和未熔合类缺陷容易漏检。②成木高、检测速度JR③检测结论与操作人员有关.有可能误判或漏检。④不能准确测定缺陷自身高度.因而不能采用断裂力学分析方法。⑤射线辐射危害人体健康。
根据Auto CAD输入的焊缝轮廓或在早己设置好的焊缝轮廓上输入相应的参数，超声相控阵系统能自动计算设置系统参数。该技术使用的探头盘内包括两个线形相控探头。分别置于焊缝两侧，其检测时间约为4mm。可实时判断焊缝中缺陷的性质以及是否合格，同时还可完成数据储存。
超声相控阵检测技术不但可对缺陷进行扫查及定量，还可估判缺陷性质。它把焊缝分割成深度方向为2mm左右的小区域.这些区域包括了焊缝根部、钝边、热焊区、填充区和盖帽区。同时采用普通和特殊扫查方法。当缺陷回波信号超过记录门槛时，回波数据的颜色会发生改变，以引起操作者的注意。可从环向位置标志读出缺陷的位置。缺陷长度可用屏幕上的光标精确地测量。在TC扫描图像上能用光标测量缺陷的精确深度。判断缺陷性质时可考虑①在某区域.使用回波高度、缺陷数量、波的传播时间和衍射波时差法来对缺陷性质进行估判。②选用TC扫描图像。③信号的动态回波。
压力容器与管道在高温运行状态下，无法采用射线技术进行检测；外表面缺陷的检测，主要采用磁粉、渗透和电磁检测方法。对于315℃以下的铁磁性材料，可以利用干磁粉检测技术检测表面和近表面缺陷；奥氏体不锈钢表面缺陷，采用特殊渗透、显像技术可以在250℃以下进行渗透检测，但灵敏度如何还需要进一步确定；目前比较热门的电磁检测方法(包括涡流、磁记忆、漏磁)，由于探头无法适应高温状态，水冷式探头无法做到便携式检测，要适用于在用压力容器与管道的现场高温环境，还有待进一步的研究和探讨:超声波技术是高温状态下检测表面、埋藏缺陷最适用的方法，但在使用中由于耦合剂耐热性能、声能衰减、声场特性变异、探头适用性等困难，难以实现对缺陷的有效检测，存在相当一些问题需要研究解决。
1.2 无损检测技术
无损检测诊断技术是一门新兴的综合性应用学科，它是在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价。
无损检测诊断的目的在于定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许负荷、寿命或剩余寿命；检测设备(构件)在制造和使用过程中产生的结构不完整性及缺陷情况，以便改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保证设备安全、高效可靠地运行。
无损检测一般有三种含义，即无损检测NDT (Nondestructive Testing)，无损检查NDT ( Nondestructive Inspection )和无损评价NDE ( Nondestructive Evaluation)。目前，所说的无损检测大多指NDT。但是，近年已逐步从 NDT和NDI向NDE过渡，也即用无损评价来代替无损检测和无损检查。一方面是NDE包含了NDI和NDT;另一方面NDE还其有更广泛的内容，它要求无损检测工作者有更宽广的知识面、更扎实的基础和更强的综合分析能力。
无损检测诊断NDTD (Nondestructive Testing Diagnostic)不但要检测设备(构件)有无缺陷，而且要判断缺陷的性质、部位、分布及危害程度，还要对其寿命、使用性能、缺陷的发展趋势等进行预测、监控和评价，它为保证材料构件和设备的高质量、高性能和高可靠性提供了一种重要监视手段。近年来，无损检测诊断技术得到工业界的普遍重视，特别是在航空航天、石油化工、核电站、铁道、舰艇、建筑、冶金等领域得到广泛应用，并取得了显著的经济效益和社会效益。
微电子学和计算机等现代科学技术的飞速发展推动了无损检测诊断技术的迅速发展。它涉及的领域不仅局限于无损检测和试验，还涉及到材料的物理性质、制造工艺、产品设计、断裂力学、数据处理、模式识别等多种学科，和专业技术领域。据统计，已经应用于工业现场的各种无损检测诊断方法已达70余种。特别是激光、红外、微波、超声、声发射、工业CT、工业内窥镜等无损检测诊断方法越来越被人们重视[1][2]。
设备制造期间进行无损检测的目的是确保设备在使用前不存在严重缺陷，并满足设备制造的质量要求；使用期间定期检测的目的则是为了发现使用过程中有无新生缺陷，及时提醒用户对设备进行维修，以确保设备和人员的安全。
无损检测的应用与发展，对提高压力容器与管道的安全性，经济合理地制造与使用压力容器起着重要的作用。自上个世纪20年代焊接代替铆接制造压力容器以来，压力容器与管道的焊接技术有了很大的发展。现在几乎所有的压力容器与管道都由焊接制造和安装。焊接技术的进步提高了焊接接头的质量，降低了制造成本，并满足生产发展所需各种材料、大型与重型压力容器的焊接要求。日前焊接的加氢反应器筒体壁厚达350mm，单台重量达1450t，核电站反应堆压力壳最厚焊缝已达600mm。设备的复杂化、设计的新颖性、新材料的不断应用，都给无损检测技术带来了新的要求。
压力容器与管道中的大部分制造缺陷都是因焊接而产生，其焊接接头质量的好坏，将直接影响结构的可靠性。焊接缺陷对设备的影响，主要是在缺陷周围产生应力集中，严重时使原缺陷不断扩展，直至破裂。同时，焊接缺陷对疲劳强度、脆性断裂以及抗应力腐蚀开裂都有重大的影响。随着压力容器和压力管道的安全性和整体可靠性问题的日益突出，需要对压力容器和管道焊缝的缺陷尺寸和缺陷特征进行更精确的定量判断，对无损检测的要求也越来越高。
采用无损检测手段对焊缝缺陷进行检测，主要是射线、超声波、涡流、渗透、电磁检测技术。射线技术对体积性缺陷较为敏感，形成的缺陷影像比较直观，但对平面类缺陷如裂纹有方向性限制，并且难以判断缺陷的自身高度，对于厚壁构件射线检测的效果不太理想。由于射线照相有人身安全问题，需要增加昂贵的防护措施，使用不方便，尤其在现场更是如此；涡流和电磁检测技术只能探测表面和近表面缺陷，无法得知埋藏的内部缺陷的情况；渗透检测技术只能探测表面开口的缺陷；相对而言，超声波检测技术对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋藏深度、性质等参量较之其它无损检测方法具有综合优势，特别是对于裂纹类平面缺陷的检测灵敏度较高。
由于超声检测具有灵敏度高、设备轻巧、操作方便、速度快、成本低等优点，英国于1965年在BS1500压力容器标准中率先对新制造的压力容器采用超声检测，以后美国对核压力容器的在用检验也采用超声检测作为最有效的检测技术。上个世纪60年代后期，随着断裂力学在压力容器与管道上的应用，采用断裂力学评价缺陷对结构的危害性得到了压力容器与管道行业的普遍认同。断裂力学按照“合于使用”条件对压力容器和管道进行评估，不仅仅是在用压力容器与管道中允许保留一定数量和尺寸的“超标”缺陷继续使用，制造过程中的一些“超标”缺陷也可以允许保留，对缺陷尺寸的要求更为迫切，超声检测技术的发展也因此得到了更为迅速的发展 [3][4]。
超声检测虽然灵敏度很高，但其检测结果易受很多因素影响，可靠性还不能满足安全要求。因此不断地研究改进超声检测方法，以提高其检测各类压力容器与管道结构的可靠性，扩大其应用范围，对于压力容器与管道的安全生产，压力容器与管道技术的发展具有重要意义。
1.3 高温超声横波检测遇到的问题
不同的温度下，材料中超声波的声速、声压发生变化，随着温度的升高，超声波的速度降低，声波幅度衰减显著变大。因此，在高温超声波横波检测时，随着温度的变化，影响检测灵敏度和检测精度的因素包括探头、楔块、祸合剂、材质等[5]。美国ASTM E587规定：检测温度大于52℃时，应使用耐热耦合剂；标定检测条件的温度与被检工件的温度差异应限制在14℃以内。在固体介质中，当不考虑边界影响时，声速：
（1）
（2）
式中：μ—刚性摸量；
高温压力容器与管道在线超声波检测技术的研究
E —弹性模量；
ρ—密度；
υ—泊松比。
声速是表征材料声学特性的重要参数，借助声速可以推算出材料的其它一些物理参数。现代科学技术的高速发展导致了新材料以及相关的新工艺的进展日新月异，为了掌握新材料或用新工艺处理材料时其在高温下的弹性常数、以及其弹性常数随着温度变化的规律，从中了解材料结构的信息、相变和物理性能，许多研究工作者用各种方式在不同温度下测量超声波的传播速度，从而确定各向同性或各向异性材料的弹性常数。
材料的弹性模量随不同的温度发生变化。因此，不同的温度下超声波的声速也会产生变化，随着温度的升高，超声波的传播速度将随之降低。有文献指出，当钢的温度低于500℃时，钢的声速随着温度升高而减慢，其变化与杨氏模量随着温度升高而减小的趋势相近。泊松比随着温度升高而增大的变化则比较不明显，影响声速变化的主要是杨氏模量。纵波声速随温度变化率平均约为0.8m/s℃，当钢的温度T在0℃—400℃范围内时，钢材中横波声速与温度的关系可由经验式C=Ca－aT表示，式中Ca=3241 m/s, a=0.5333；还有文献认为[6]：当钢的温度下在-10℃ — 80℃之间变化时，横波声速降低0.4m/s℃。
在压力容器和管道焊缝的超声探伤中，由于声速发生变化时几乎所有与超声探伤有关的参数均会随之发生变化，声速是测量传播距离、确定缺陷位置的最重要参数之一。显然，对于超声无损检测技术来说，了解声速随着温度的变化具有十分重要的意义。
1.4 本文需要解决的问题
实际检测中，焊缝缺陷在超声波仪器荧光屏上显示出来的数据是回波幅度、深度、水平位置和声程，这些数据与楔块中的声速、工件中的声速、探头的频率、耦合层厚度、工件的衰减密切相关。随着温度的变化，所有这些参数都将发生变化，因而关于缺陷位置、尺寸的测量都与常温下的检测以及在常温下进行仪器标定的情况不同。因此，在不同温度下，对整个检测系统检测精度和影响因素进行研究，并由此指导50℃—450℃运行条件下焊缝缺陷的在线超声波检测是很有意义的工作，本文主要解决的问题：压力容器和压力管道用碳素钢在高温环境下(50—450℃范围内)横波声速的变化规律。
第2章 超声波检测技术
2.1 高温超声波检测概述
在国内外关于压力容器和压力管道生产过程中的质量控制、在役检验等领域中，超声波检测技术早己作为重要的检测手段得到了非常广泛的应用。但是，在石油炼化、电力行业，很多设备在高温下工作，设备在高温运行状态下的情况，例如设备是否存在缺陷，缺陷是否扩展，缺陷尺寸是否在安全容限范围内，缺陷的扩展速率，设备的寿命预测等等是人们日益关注的重要问题。虽然超声波检测技术在这些方面还可以发挥更大的作用，但遗憾的是，由于条件所限，对于大量的工作在50℃-450℃温度下的压力容器和管道的在线超声检测，国内尚未开展系统的研究，目前国内所做的工作主要是：高温状态下的厚度测量。高温超声波检测国外做过许多工作。早期主要研究炼钢厂产品的高温检测，如热钢板、高温锻件的超声波检测，开发了用水冷却的超声波探头，电磁声探头。由于钢板、锻件的超声波检测主要采用纵波，所以集中研究高温状态下超声纵波的声速、衰减特性等[7]。W.Morgner等人于1987年对室温至80℃下锻件中超声纵波的速度和衰减进行了研究。John A.Brunk于1988年进行了温度轻微变化对超声波斜入射检测的影响试验，温度范围为35℃-60℃。 M.Engblom于1989年在16℃-93℃范围内，用自动超声波检测方法(C-扫描)对43台容器的腐蚀情况进行了检查。 M.A.Mahmoud于1985年进行了250℃下不同耦合剂超声波特性的比较[8]。目前德国K.K公司，美国泛美沪（Panamatrics）公司、Sonavation公司等，已有商用高温探头、高温耦合剂出售，但高温超声波横波检测技术应用中的一些问题未见报道，对运行在50℃-450℃温度下的压力容器和压力管道的在线超声波检测和监控缺乏必要的数据，难以形成标准规范性文件推广应用。
2.2 超声横波检测原理
超声检测是指超声波与工件相互作用时，通过对反射、透射和散射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征并进而对其进行评价的技术。
在均匀介质中，声波前进时方向是不变的，但在遇到介质的边界或遇到障碍物时，将会出现散射。这里，边界或障碍物代表不同的介质。对于声波来讲所谓各向同性的均匀介质是指其声学性质相同。介质的密度和介质的弹性常数是表达声学性质的两个关键参数。两种介质不同，意味着两者密度不同、弹性常数不同，或两个参数均不同。对工件进行检测时，超声波束发射到工件中遇到缺陷时将会被部分“反射”回来，从有无反射波则可以来判断是否存在着缺陷；从反射波传播的时间则可以判断缺陷所在的位置。此外，还可以由此判断或推测所检验的缺陷的大小、形状、取向等。
在一般情况下，缺陷并不是一个理想平面，形状往往是不规则的，因此入射声波并不是受到镜面反射，而是向各方向散射。这些现象与缺陷的大小有关，如果缺陷的尺寸比超声波的波长小很多，则它们对超声波的传播几乎没有影响；如果缺陷的尺寸小于超声波的波长，则超声波到达缺陷后将成为新的波源向四周发射声波；如果缺陷的尺寸与波长近似，则超声波将发生不规则的反射与透射，其中与入射方向相反的部分被超声波探头接收，通常称为反射波。当缺陷的尺寸比波长大得多时，则有入射波的反射与透射，其中，如果缺陷的声阻抗与周围介质差别很大，在界面上将没有超声波的透射，仅产生超声波的反射和衍射。有的学者用散射来表示入射波遇到缺陷时所出现的全部响应[9]。
当超声波从一种固体介质倾斜入射到另一种固体介质(界面)的时候，将产生超声波的反射、折射和波型转换现象，图2.1为超声纵波从一种固体介质倾斜入射到另一种固体介质的时候发生的反射和折射现象。除了反射纵波L1和折射纵波L2之外，还会发生波型转换产生反射横波T1和折射横波T2。
图 2.1 纵波斜射入示意图
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按照几何声学的反射、折射定律，可以知道：
（1）
（2）
式中：A1—纵波入射角；
A3—横波反射角；
B2—纵波折射角；
B1—横波折射角；
CL1—纵波在第一介质中声速；
CL2—纵波在第二介质中声速；
CT1—横波在第一介质中声速；
CT2—横波在第二介质中声速。
如果纵波在第一介质中的声速CL1〈纵波在第二介质中的声速CL2,则由公式（1） 可知B2>A1,并且成正比关系。当B2=90℃时，纵波入射角称为第一临界角。当入射角大于第一临界角时，第二介质中只有折射横波存在。如果第二介质中的横波声速CT2大于第一介质中的声速CL1,那么，B1>A1,当入射角A1增大到一定程度时，B2=90℃,第二介质中既没有折射纵波，也没有折射横波，此时的入射角称为第二入射角。
目前常用的超声横波换能器，是将纵波倾斜入射到界面上，使得入射角位于第一临界角和第二临界角之间，通过波型转换来实现横波检测的。选择换能器楔块材料，使得楔块中的纵波声速小于所检测工件中的横波声速，有CL1
A1。超声波横波检测示意图如图2.2所示。在超声波换能器设计时，要在芯片背面粘附阻尼块以消除芯片背面发射的声波和界面反射波的影响，并利用楔块的形状减小界面反射波的干扰，这样，在实际检测过程中，可不再考虑界面反射波对芯片的影响。
高温压力容器与管道在线超声波检测技术的研究
图2.2 横波检测示意图
对于宏观缺陷的检测，常用频率为0.5M-25MHz的短脉冲波以反射法进行。为适应不同类型工件及不同的质量要求，可选用的波型有纵波、横波、兰姆波、瑞利波等。垂直入射的纵波探伤和倾斜入射的横波探伤是超声波探伤中两种主要的方法。纵波探伤主要能发现和探测面平行的或较大的稍有倾斜的缺陷，而对于垂直于探测面或探测面斜度较大的缺陷就难于发现，但横波探伤对这类缺陷比较敏感，特别是对于检测类似于表面开口的裂纹类缺陷更具优势。此外，纵波探伤要求工件有比较规则的形状，横波探伤对这方面的要求可以低一些。在同一材料中横波速度约为纵波的一半，因此对同一频率的超声波波长也可约减小至一半，故而指向性、分辨力更好[10]。
目前，压力容器与管道焊缝缺陷的超声波探伤一般使用超声横波。当然，也有为了不同检测目的，采用其它波型进行检测，包括斜入射的纵波检测。以下本文将就超声横波的检测进行研究和探讨。
2.3 超声波声速测量方法
本节介绍两种常用的声速测量方法的原理。其一是通过测定试样的厚度与声波在通过该厚度时的传播时间，然后利用公式(3)进行计算。一般利用超声探伤仪和探头作为超声发射与接收装置，将探头固定耦合在试样上某一点，再将超声探伤仪的波形输入示波器，测量一次底面反射与二次底面反射之间的传播时间。
(3)
式中： V为纵波声速；
d为试样厚度；
2t为声波在试样厚度方向一次往返的传播时间。
第二种测量声速的方法是利用在水槽中的试样下面放置声反射板，利用测量声波在反射板与探头之间的反射时间以及水的声速来确定试样的声速。通过计算推导，可得到公式(4)，由公式(4)可见，被测材料的声速只与水的声速、放置试样前后声反射板界面反射时间差及试样第一次底面与第二次底面反射时间差三个值有关，与试样的厚度无关，因此称这种方法为与厚度无关反射板测速法，即TIRP法(the thickness independent reflector plate)。
（4）
式中：V为材料纵波声速；
c为水的声速；
为放置试样前后声反射板界面反射时间差；
2τ为试样第一次底面与第二次底面反射时间差。
两种声速测量方法的比较由于第一种方法是利用试样的已知厚度除以传播时间来获得声速，因此这方法测量声速的精度依赖于厚度的准确性，因此称为基于厚度测速法。这种方法的特点是简单，容易实现，但测量误差较大，只适用于厚度误差极小的试样，因此有很大的应用局限性。这种方法比较常见于逐点测量声速。
第二种方法(即TIRP法)从原理上分析，其声速测量结果与试样厚度无关，测量精确性取决于水的声速、放置试样前后声反射板界面反射时问差及试样第一次底面与第二次底面反射时间差三个值的测量精度，因此具有较广泛的应用前景。TIRP法的特点是对测量设备要求高，对耦合的水温控制严格，测量精度高，适于工程声速C-扫描应用。为了对比两种声速测量方法结果的区别，J．Roth用两种方法在同一种花瓣形陶瓷试样上得到声速C-扫描图(如图2.3)，图2.3 a为第一种方法得到的C-扫描图，图2.3b为TIRP法得到的C-扫描图[11]。对比可见，TIRP法得到的C-扫描图可以看出花瓣形，第一种方法得到的C-扫描图却看不出花瓣形，即TIRP法对声速变化的分辨能力高，这是试样厚度不均引起声速测量结果的误差，这种误差直接影响测量图象的质量。
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图2.3同一种陶瓷试样上用两种方法得到的声速C-扫描图
（a）基于厚度测速法；(b)TIRP法
第一种声速测量方法的应用目前第一种声速测量方法普遍应用于确定材料声速，选择有代表性的各点，通过测量该点的厚度和声传播时间，即可计算出该点的声速。有些材料，由于热处理制度的差异造成材料密度的差异，通过测量材料的声速就可以监测热处理制度的执行情况，如温度的高低、保温时间的长短。另外，在薄板兰姆波检测中，画出相速度和群速度曲线的前提是获得板材中纵波声速和横波声速，第一种测量方法适于这些声速的测量。结合超声C-扫描成象技术，用声速值的大小做为显示图象的量值，可以做出同一厚度不同声速值材料的C-扫描图象，但这种方法声速值的测量是通过测定试样的厚度与声波在通过该厚度时的传播时间，然后用两者之比来进行计算得到的，声速测量精度依赖于厚度的准确性[12]。
国外将TIRP法上应用于陶瓷基和金属基复合材料等的无损评价，例如NASA研究中心用于研究测量陶瓷的密度分布，R．Generazio利用TIRP法测量SiC陶瓷声速与密度的对应关系来反映其烧结过程中孔隙率的变化情况，另外TIRP法也可用于评价聚乙烯的密度分布。由于不受厚度限制，测量精度高，测量范围大，TIRP法不仅可以同时在不同厚度试样上测量声速，结合超声C-扫描成象技术，也可做出高质量的声速C-扫描图。对比第一种测量方法而言，在测量误差及应用范围等方面，TIRP法有很大的优势。第一种声速测量方法(基于厚度测速法)简单容易实现但测量误差较大，有很大的应用局限性。第二种方法(即TIRP法)对测量设备要求高，对耦合严格高，其优点是测量结果与试样厚度无关，适于工程超声声速C-扫描成象技术，本文由于条件所限选用第一种声速测量法。
第3章 高温下横波声速变化
3.1 引言
从理论上说，在任何温度下的超声波速度都可通过计算求得，即脉冲波的传播距离除以脉冲波传播时间。但实际上，由于精确地测量传播时间非常困难，而且测量系统的种种误差也会限制高精度的测量。
在高温环境下准确测量超声横波在材料中的速度更是一项困难的工作。D.K.Mak等于1993年采用直接接触法，在圆柱形铝、钢、铜棒上测出超声横波在200℃以下的传播速度，认为横波速度随着温度上升呈单调下降，在钢中下降斜率为-0.75m/s℃ ,但这个数值依赖于纵波速度的测量，具有纵波、横波测量的双重误差，而且，由于没有做到更高的温度，文献对更高温度下综合因素造成的影响认识不足。J.-D.Aussel和J.-P.Monchlin, C.B.Scruby和B.C.Moss分别在1988年和1993年采用激光超声方法，在高温环境下非接触测量压电陶瓷和钢中的超声波速度，结果表明:碳钢和不锈钢中的超声波速度随温度升高而降低，在700℃以下，碳钢中纵波速度下降斜率为-0.88m/s℃;横波速度下降斜率为-0.71 m/s℃。由于横波的回波幅度较低，信噪比很差，误差较大，因而，横波速度的试验数据是根据纵波速度计算出来的，并且，没有讨论由于温度变化对横波检测造成的影响。Jen, C-K, Tackitt, Kirk D．， Hirao, M．等人分别用不同测量方法测量高温下超声波速度，并讨论了声速与材料常数的关系。
试误差，建立高温环境下超声横波探伤方法。本文采用相对速度的测量方法，即测量随着温度变化，与室温相比，压力容器与压力管道用碳钢中超声横波相对速度的变化。
3.2 固体介质中的声速表征
对于固体介质，可以用6个应变分量来描述形变，用6个应力分量来描述应力。如果研究的是产生小形变的情形，应变和应力具有线性关系。广义胡克定律把应力和应变的关系表示为如下形式：
高温压力容器与管道在线超声波检测技术的研究
式中Cij (i, j=1, 2, 3, 4, 5, 6)为弹性系数，它决定于固体介质的弹性性质。式中有36个弹性系数，但实际上36个弹性系数并不是完全独立的。因为弹性能是应变的单值函数，所以可以证明弹性系数具有对称性Cij=Cji，这样独立的弹性系数就变为21个。对于具有对称性的晶体，独立的弹性系数还可以减少，如三方形晶体如石英，弹性系数减少为5个，立方形晶体弹性系数减少为3个，对于各向同性固体如金属等其弹性系数减少为2个，此时，广义胡克定律可简化为：
(3-2)
这里λ和μ为拉梅常数，它们与各弹性系数Cij之间的关系为：
(3-3)
其它弹性系数等于零，μ称为切变弹性系数，又叫切变弹性模量，它的物理意义是比较明显的，如切应变产生切应力等。但λ的物理意义不明显，因此，习惯上用另外两个物理意义比较明确的量:杨氏模量E和泊松比ν来表示其弹性性质。拉梅常数λ和杨氏模量E与泊松比ν的关系为：
(3-4)
(3-5)
固体中声波方程，如果用速度矢量 表示，则有：
(3-6)
按照矢量分析，一般的矢量场可以表示成标量梯度和矢量旋度之和，令 ，且 ；其中 必为标量势， 为矢量势。代入(3-6)式，可以分离标量势 和矢量势 而得到两个独立的方程：
(3-7)
(3-8)
对于矢量势还可以用其分量来表示：
（3-7） 式中，声波的传播速度为： ；
（3-8） 式中，声波的传播速度为： 。
实际上，标量势φ描述的是以速度CL传播的膨胀波，而矢量势 描述的是以速度CS传播的等体积波。对于平面波，由 标志的波常称为纵波，由 标志的波常称为横波，纵波和横波比膨胀波和等体积波更为大家熟知，但严格讲，它们只适用于平面波这种特殊形状的波[13]。由纵波CL和横波CS与弹性模量的关系，还可以建立以下关系式(以K表示体积弹性模量)：
(3 - 9)
(3-10)
(3-11)
测量弹性模量的方法很多，对于金属材料，一般采用悬丝耦合弯曲共振法来测定，弹性模量E与试样的固有频率、试样尺寸、质量有如下关系：
（圆棒试样）
式中 m—试样质量；
L—试样长度；
d—试样直径；
f—试样基频固有频率；
K—修正系数。
但随着新材料的大量出现，很多人采用测量声速的方式推算弹性模量。本文采用高温试验装置测量横波声速的变化，并与按弹性常数计算出的横波声速CS进行比较。
3.3 实验准备
3.3.1 高温试验装置
制作高温试验装置。试验台面为宽400 x长400 x厚40mm钢板，沿长度方向并排钻8个φ15mm深孔，内插8根电阻式加热器，合计功率8千瓦，热电偶式温度计直接联接在钢板台面上，试验台面四周包覆以绝热材料。试验时温控器可以自动控制试验台面温度，预先设定温度上、下限，当试验台温度达到上限时，温控器关闭加热装置，当试验台温度达到下限时，温控器打开加热装置。
3.3.2 试样准备
制作R45mm半圆形试样，材质为Q235A钢，试样形状和尺寸见图3.1。化学成分见表3.1。
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图3.1半圆试件及尺寸
表3.1试件主要化学成分（%）
C
Si
Mn
S
P
0.18
0.22
0.50
0.035
0.031
3.3.3 超声波传感器及高温祸合剂选择
超声检测中耦合剂的作用就是排除探头和工件之间的气隙，实现两者之间的声能有效传递。高温下耦合剂：具有较高的工作温度区间，黏度随温度的变化小，高温下不易流失；挥发性小利于高温下长期工作；成份稳定，高温下长期工作时物理化学性质不发生变化。经过分析本试验采用美国泛美公司(Panametrics)生产的高温楔块，型号分别为：
(1) ABWVHT-5T-45℃/60℃(480℃、φ13mm)；
(2) ABWVHT-7T-45℃/60℃ (480℃、φ10mm)；
以及超声波探头芯:540S-SM(2.25MHz)和A549S-SM(2.25MHz)；
高温耦合剂分别选用进口耦合剂：Sono900， Sono950和Panamatrics F(260℃)，Panamatrics E(540℃)。
3.3.4 试验说明
试验在高温装置上进行，示意图见图3.2。
图3.2横波声速测试装置简图
超声波仪器通过探头芯发射2.25MHz超声纵波，通过不同角度的高温楔块进入试样，经过波型转换以横波方式在试样中传播，到达半圆试样(半径R)表面时发生反射，沿原路返回被超声波探头接收。测量声波来回传播的时间t，己知声波传播的路程2R,则声速可以简单表示为：
(3-12)
在高温环境下，当考虑试样的热膨胀时，(3-12)式改写为：
(3-14)
式中α(T)—为考虑试样热膨胀系数后，对声程进行修正的一个与温度T有关的函数[14]。或者，按照D.K.Mack[15]的做法，把(3-12)式改写为：
(3-14)
(3-15)
式中：η—与温度有关的线膨胀系数；
R—室温To时的试块半径。
测试时，首先按照常温下碳素钢的超声横波特性，预设声速值Vso为3230m/s，在常温下调整好仪器扫描时基线，例如，使R为45mm的半圆试块柱面最大回波正好位于45mm声程位置。在不同温度下测量同一试块的声程，按照(3-14)式求出不同温度下的声速。
(3-16)
式中： — 温度T情况下实测的声程。
3.4 随温度变化横波声速的变化情况
3.4.1 测试结果
不同温度下的声速见表3.2。
表3.2不同温度下声速表
温度℃
15℃
40℃
50℃
100℃
150℃
200℃
横波声速m/s
3229.4
3186.5
3150.2
3135.6
3115.2
3038.6
温度℃
250℃
300℃
350℃
400℃
450℃
横波声速m/s
3012.8
2976.2
2938.1
2759.8
2734.5
随着温度变化横波声速的试验曲线见图3.3。
高温压力容器与管道在线超声波检测技术的研究
图3.3随温度变化横波声速曲线
3.4.2 压力容器用碳钢中横波声速随温度变化规律
根据表3.2中数据按照回归直线法回归出线性方程：
(3-17)
式中：Vs 为不同温度下的横波声速；
Vo 为回归常数=3248m/s；
A 为随着温度增加，声速变化斜率(1.0497m/s℃ )；
T 为温度(℃)。
按照公式(3-17)计算的横波声速见表3.3。随着温度变化声速的变化情况见图3.4。
表3.3按公式3-17计算的横波声速(m/s)
温度℃
15
40
50
100
150
200
声速m/s
3231.9
3205.7
3194.2.
3143.0
3089.2
3037.4
温度℃
250
300
350
400
500
声速m/s
2984.8
2932.6
2879.5
2829.1
2775.3
图3.4随着温度变化声速的变化曲线
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3.4.3 热膨胀效应引起的误差分析
对Q235A钢，从材料手册[16]上可以查到，不同温度下的线膨胀系数见表3.4。
表3.4不同温度下的线膨胀系数
温度℃
100℃
200℃
300℃
400℃
500℃
η，10-6K-1(与20℃相比)
12.01
12.49
03.28
13.84
14.30
如果不考虑热膨胀的影响，测量声速会有一定的偏差，这个偏差的数值可以用(3-18)式估计。当不考虑仪器系统误差和测试误差时，有：
(3-18)
式中： — 考虑热膨胀时试样尺寸的变化， = η(T－ )R
— 由热膨胀引起的速度测量误差
计算几个不同声程处的误差值有助于了解由热膨胀引起的误差情况，其误差分析如表3.5所示。
表3-5由热膨胀引起的误差分析
温度℃
20mmδR mm
100mmδR mm
速度误差 δVs（m/s）
100
200
300
400
500
0.019
0.045
0.075
0.105
0.137
0.096
0.226
0.372
0.527
0.683
3.0
6.9
11.1
14.6
18.6
由式(3-18)和表3.5可以看出，当计入热膨胀的影响时，在500℃以下，速度测量的相对误差在0.1% ~ 0.7%之间。而声程误差基本上在10-1mm量级。显然，由热膨胀引起的误差相对而言是比较小的，在压力容器与管道焊缝缺陷的超声检测中，对缺陷位置和尺寸的影响不大。
3.4.4 横波声速实测值与计算值的比较
在无限大各向同性的固体弹性介质中，由波动方程可以推导出:
下面根据几种常用压力容器用钢的弹性常数计算CL和CS，与实测的结果进行比较。弹性常数的数据来自材料手册[16]。
从表3.6 ~ 3.7所列出的数值可以看出，横波声速随着温度升高而降低的趋势是相同的。根据弹性常数和声速公式计算值得出的变化率在0.6 ~ 0.7m/s℃之间，与本文实测值有一定偏差。
事实上，手册中的弹性常数也是测量出来的，存在测量误差。实测声速值与预设声速、仪器调节、读数误差、试样加工、材质成分、热处理状态均有关系，重要的是随着温度的升高，超声波探伤时能根据声速的变化对缺陷位置进行准确的修正，并达到足够的检测精度，以满足高温检测的需要。
表3-6 16MnR弹性常数和声速的计算值（ρ=7.58×103kg/m3）
温度
℃
弹性模量
105MPa
泊松比
σ
剪切模量
104MPa
CL
m/s
CS
m/s
室温
100
200
300
400
500
2.09
2.07
2.01
1.93
1.85
1.72
0.280
0.286
0.294
0.307
0.333
0.249
8.20
8.04
7.77
7.21
6.95
6.87
5778
5792
5767
5756
5885
5074
3232
3200
3146
3030
2975
2958
表3-7Q235A弹性常数和声速的计算值(ρ=7.86×103kg/m3)
温度
℃
弹性模量
105MPa
泊松比
σ
剪切模量
104MPa
CL
m/s
CS
m/s
室温
100
200
300
400
500
2.12
2.09
2.01
1.93
1.84
75
0.228
0.291
0.294
0.288
0.283
0.289
8.23
8.09
7.77
7.50
7.19
6.77
5873
5854
5819
5604
5438
5343
3205
3178
3114
3060
2996
2907
3.5 本章小结
压力容器与压力管道焊缝缺陷的超声探伤方法是直接接触法探伤，各国标准规范都采用超声横波检测方法检测焊缝缺陷，并对缺陷进行定性、定量。在高温状态下，直接接触法超声波探伤有一定的难度，所以，多年以来只有少数人研究高温直接接触法超声波探伤，文献较少，有关技术问题也很少涉及。很少有人研究焊缝缺陷的超声横波探伤方法以及随温度变化对检测精度造成的影响。本章我们通过高温试验装置，测定了随温度变化压力容器和压力管道用碳钢中横波声速的变化规律；分析了造成测量误差的原因。取得如下成果：
(1)建立高温试验装置，测量不同温度下压力容器和压力管道用碳钢中的横波声速。根据测量结果，建立横波声速回归方程：
用公式(3-6)可以计算室温 — 450℃范围内横波声速的变化规律。
(2)分析了由热膨胀引起的对声速测量、声程测量造成的测试误差:
综上所述，本章通过试验，建立了高温环境下压力容器与管道用碳钢中横波
高温压力容器与管道在线超声波检测技术的研究声速的测量方法，探讨了高温环境下碳钢中横波声速的变化规律；讨论了热膨胀引起的测试误差；解决了部分工程上急需解决的高温环境下焊缝缺陷的超声横波检测技术问题。
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[16] 潘家祯主编．压力容器材料实用手册一碳钢及合金钢[M]．北京：化学工业出版社，2000
致 谢
感谢我的导师梁宏宝教授，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
感谢实验室的赵玲老师以及师兄师姐，这片论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你们的细心指导。而你们开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个新的实验室。
感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一辈子的。
感谢我的爸爸妈妈，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！
