壓力容器用工業(yè)純鈦板材聲發(fā)射衰減特性

王瑞恩，張萬嶺，沈功田，李麗菲

（1.河北大學(xué)，保定 071000；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

目前在我國鈦的應(yīng)用主要有兩個領(lǐng)域：由于鈦的密度小、比強度高的特點，鈦在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，代表性的合金類型是Ti6Al4V；另一方面鈦具有優(yōu)異的耐蝕性，大量用于石化設(shè)備，代表性的合金類型為工業(yè)純鈦及耐蝕低合金鈦。據(jù)統(tǒng)計，我國鈦材產(chǎn)量的80%都用于石化設(shè)備，而包括熱交換器在內(nèi)的容器類的用鈦量約占石化設(shè)備用鈦量的75%［1］。聲發(fā)射技術(shù)作為一種先進的無損檢測技術(shù)，在壓力容器的檢測中得到了廣泛的應(yīng)用［2］。但從分析目前聲發(fā)射在鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，其主要應(yīng)用方向集中在航空航天領(lǐng)域，而對工業(yè)領(lǐng)域使用的鈦材壓力容器聲發(fā)射特性研究很少，我國頒布的GB／T 18182—2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》標準也沒有給出鈦材的聲發(fā)射信號強度判據(jù)。為此國家“十二五”科技支撐項目中專門列出了一個研究任務(wù)開展對鈦材壓力容器聲發(fā)射特征研究。文章通過在現(xiàn)場對不同厚度的GR2鈦板材的聲發(fā)射衰減特性研究，為后期鈦制壓力容器的聲發(fā)射研究提供技術(shù)支持。

1 試驗儀器和材料

試驗儀器采用德國Vallen公司生產(chǎn)的8通道聲發(fā)射儀，傳感器型號為R150型，其中心頻率為150kHz，該儀器配套軟件可以同時采集記錄聲發(fā)射信號參數(shù)、波形數(shù)據(jù)，并可存儲、回放等。試驗材料選用同牌號不同厚度的3張鈦板材，具體情況見表1所示。

表1 GR2系列的板材情況

2 試驗過程

整個試驗過程參考GB／T 18182標準進行。由于信號發(fā)生器相對斷鉛而言所發(fā)出的信號穩(wěn)定，故采用信號發(fā)生器作為模擬源，且發(fā)出的信號均為f＝1MHz的正弦信號，每觸發(fā)一次發(fā)出一個周期信號。耦合劑采用真空脂，由于板材均為水平置于地面，故傳感器不用固定，使用相同的力耦合在板材表面即可。聲發(fā)射儀器門檻值設(shè)置為50dB，采樣頻率5MHz，采樣點數(shù)8 192，預(yù)采樣3 200。試驗過程如圖1所示。

圖1 試驗過程模擬圖

1號探頭作為發(fā)射探頭，通過信號發(fā)生器發(fā)出信號；3號探頭作為監(jiān)測探頭，距離發(fā)射探頭20cm，目的是實時監(jiān)測發(fā)射探頭是否耦合良好；2號作為移動探頭，從距離發(fā)射探頭5cm處開始往后每隔一段距離測量一個點的幅度，每個點測量3～5次。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 波形分析

工程中大量使用的板狀結(jié)構(gòu)其厚度遠小于其他兩個方向的尺寸，給予一定的激勵條件在其中形成的是板波（Lamb波）。而一般情況下，板中波的傳播是多階對稱波（即擴展波S）和反對稱波（即彎曲波A）的組合（這兩種波會相互耦合）［3］。但是在絕大多數(shù)現(xiàn)場AE檢測過程中，傳感器主要頻段大概是幾百千赫茲，為了簡化問題，認為在板中起主導(dǎo)作用的是最低階對稱波S0和反對稱波A0。當(dāng)激勵源作用力方向與板平面垂直時，在板中主要產(chǎn)生彎曲波；當(dāng)激勵源作用力方向沿板平面方向時，在板中主要產(chǎn)生擴展波［4］。而在該試驗中激勵源作用力方向與板平面垂直，所以在板中產(chǎn)生的主要是彎曲波。該板材典型的AE信號波形及頻譜如圖2所示。其中波形由幅度較小的彎曲波和幅度較大的擴展波組成，頻率有兩個峰值，分別是150和350kHz。

圖2 信號波形與頻譜圖

3.2 幅度分析

該組試驗主要目的之一是研究同種材質(zhì)不同厚度情況下聲波幅度的變化趨勢。通過對板表面不同點處聲波幅度的測量，并且利用Matlab軟件對其數(shù)據(jù)進行擬合，得到幅度衰減情況如圖3所示。

圖3 幅度衰減曲線圖

從上圖可以看出，在100cm之前波幅的衰減非常明顯，在100cm之后其衰減趨勢逐漸放緩。而且隨著板厚的增加其衰減程度增加，20cm的板材在300cm范圍內(nèi)衰減24dB左右，6cm的板材在300cm范圍內(nèi)衰減只有12dB左右。所以按GB／T 18182標準，聲發(fā)射探頭的間距可以大于3m。

耿榮生等人在其文章中曾經(jīng)推導(dǎo)出幅度與板厚的關(guān)系為［5］：

式中ζ0為接收信號幅度；F為外力作用力；б為泊松比；E為楊氏模量；ω為角頻率；h為板厚。

該公式說明接收信號的幅度與頻率和板厚的乘積成反比的關(guān)系。由于試驗中的信號取自于統(tǒng)一設(shè)置的信號發(fā)生器，所以外力作用力F假定不變；又由于試驗所用板材同為GR2系列，所以泊松比和楊氏模量也是一定的；至于頻率，通過分析發(fā)現(xiàn)，該三種厚度板材的接受頻率均在100～400kHz頻帶之間且很相似，故可以假設(shè)他們也是一致的。這樣就可以認為幅度的衰減隨著厚度的增加而增加，但并非線性關(guān)系。

3.3 波速分析

通過對三種板材每個點波速的計算，并且進行Matlab擬合，得到波速情況如圖4所示。

圖4 波速波動曲線圖

通過分析，在前100cm范圍內(nèi)，由于距離較近，波速未拉開，波的傳播模式較復(fù)雜；但在前100cm范圍內(nèi)，波速的波動隨著厚度的增加逐漸趨于平穩(wěn)。而在100～300cm范圍內(nèi)，三種板材的波速都逐漸趨向于3 000m／s左右。通過Vallen軟件中的Dispersion軟件對不同厚度鈦的波速進行模擬，得到圖5所示（箭頭所指）曲線。

由于該試驗中探頭使用的R150型，其中心頻率為0.15MHz，箭頭所指曲線即為最低階反對稱波 A0（彎曲波），它在0.15kHz處的波速為3 000m／s左右。該結(jié)果與試驗所測波速基本吻合。

4 結(jié)論

（1）試驗中三種不同厚度GR2板材的衰減程度從大到小依次為20，10，6cm。在300cm范圍之內(nèi)，20cm厚板材衰減24dB左右，6cm厚板材衰減12dB左右，且在前100cm范圍內(nèi)幅度的衰減趨勢較大，而在100～300cm之間衰減趨勢較為平坦。所以按GB／T 18182標準，聲發(fā)射探頭的布置間距可以大于3m。

（2）厚度對波速影響不是很大，三種厚度板材的波速在100cm范圍之內(nèi)由于邊緣效應(yīng)的影響波速波動范圍較大，但隨著厚度的增加，波速的波動逐漸平緩。100～300cm范圍內(nèi)波速逐漸穩(wěn)定于3 000m／s。

圖5 鈦材波速圖

［1］黃嘉琥.有色金屬制容器［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008（10）：235－236.

［2］沈功田，李金海.壓力容器無損檢測——聲發(fā)射檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2004，26（9）：457－463.

［3］耿榮生，景鵬.聲發(fā)射波形分析技術(shù)在復(fù)合材料故障評價中的作用［J］.無損檢測，1999，21（7）：289－296.

［4］Prosser W H，Hamstad M A，et al.Reflections of wave in finite plates：finite elements modeling and experimental measurements［J］.Journal of Acoustic E－mission，1999，17（1－2）：37－47.

［5］耿榮生，沈功田，劉時風(fēng).模態(tài)聲發(fā)射基本理論［J］.無損檢測，2002，24（7）：302－306.