压力容器用工业纯钛板材声发射衰减特性

王瑞恩，张万岭，沈功田，李丽菲

（1.河北大学，保定 071000；2.中国特种设备检测研究院，北京 100013；3.北京航空航天大学，北京 100191）

目前在我国钛的应用主要有两个领域：由于钛的密度小、比强度高的特点，钛在航空航天领域得到广泛的应用，代表性的合金类型是Ti6Al4V；另一方面钛具有优异的耐蚀性，大量用于石化设备，代表性的合金类型为工业纯钛及耐蚀低合金钛。据统计，我国钛材产量的80%都用于石化设备，而包括热交换器在内的容器类的用钛量约占石化设备用钛量的75%［1］。声发射技术作为一种先进的无损检测技术，在压力容器的检测中得到了广泛的应用［2］。但从分析目前声发射在钛合金应用领域的研究发现，其主要应用方向集中在航空航天领域，而对工业领域使用的钛材压力容器声发射特性研究很少，我国颁布的GB／T 18182—2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》标准也没有给出钛材的声发射信号强度判据。为此国家“十二五”科技支撑项目中专门列出了一个研究任务开展对钛材压力容器声发射特征研究。文章通过在现场对不同厚度的GR2钛板材的声发射衰减特性研究，为后期钛制压力容器的声发射研究提供技术支持。

1 试验仪器和材料

试验仪器采用德国Vallen公司生产的8通道声发射仪，传感器型号为R150型，其中心频率为150kHz，该仪器配套软件可以同时采集记录声发射信号参数、波形数据，并可存储、回放等。试验材料选用同牌号不同厚度的3张钛板材，具体情况见表1所示。

表1 GR2系列的板材情况

2 试验过程

整个试验过程参考GB／T 18182标准进行。由于信号发生器相对断铅而言所发出的信号稳定，故采用信号发生器作为模拟源，且发出的信号均为f＝1MHz的正弦信号，每触发一次发出一个周期信号。耦合剂采用真空脂，由于板材均为水平置于地面，故传感器不用固定，使用相同的力耦合在板材表面即可。声发射仪器门槛值设置为50dB，采样频率5MHz，采样点数8 192，预采样3 200。试验过程如图1所示。

图1 试验过程模拟图

1号探头作为发射探头，通过信号发生器发出信号；3号探头作为监测探头，距离发射探头20cm，目的是实时监测发射探头是否耦合良好；2号作为移动探头，从距离发射探头5cm处开始往后每隔一段距离测量一个点的幅度，每个点测量3～5次。

3 试验结果及分析

3.1 波形分析

工程中大量使用的板状结构其厚度远小于其他两个方向的尺寸，给予一定的激励条件在其中形成的是板波（Lamb波）。而一般情况下，板中波的传播是多阶对称波（即扩展波S）和反对称波（即弯曲波A）的组合（这两种波会相互耦合）［3］。但是在绝大多数现场AE检测过程中，传感器主要频段大概是几百千赫兹，为了简化问题，认为在板中起主导作用的是最低阶对称波S0和反对称波A0。当激励源作用力方向与板平面垂直时，在板中主要产生弯曲波；当激励源作用力方向沿板平面方向时，在板中主要产生扩展波［4］。而在该试验中激励源作用力方向与板平面垂直，所以在板中产生的主要是弯曲波。该板材典型的AE信号波形及频谱如图2所示。其中波形由幅度较小的弯曲波和幅度较大的扩展波组成，频率有两个峰值，分别是150和350kHz。

图2 信号波形与频谱图

3.2 幅度分析

该组试验主要目的之一是研究同种材质不同厚度情况下声波幅度的变化趋势。通过对板表面不同点处声波幅度的测量，并且利用Matlab软件对其数据进行拟合，得到幅度衰减情况如图3所示。

图3 幅度衰减曲线图

从上图可以看出，在100cm之前波幅的衰减非常明显，在100cm之后其衰减趋势逐渐放缓。而且随着板厚的增加其衰减程度增加，20cm的板材在300cm范围内衰减24dB左右，6cm的板材在300cm范围内衰减只有12dB左右。所以按GB／T 18182标准，声发射探头的间距可以大于3m。

耿荣生等人在其文章中曾经推导出幅度与板厚的关系为［5］：

式中ζ0为接收信号幅度；F为外力作用力；б为泊松比；E为杨氏模量；ω为角频率；h为板厚。

该公式说明接收信号的幅度与频率和板厚的乘积成反比的关系。由于试验中的信号取自于统一设置的信号发生器，所以外力作用力F假定不变；又由于试验所用板材同为GR2系列，所以泊松比和杨氏模量也是一定的；至于频率，通过分析发现，该三种厚度板材的接受频率均在100～400kHz频带之间且很相似，故可以假设他们也是一致的。这样就可以认为幅度的衰减随着厚度的增加而增加，但并非线性关系。

3.3 波速分析

通过对三种板材每个点波速的计算，并且进行Matlab拟合，得到波速情况如图4所示。

图4 波速波动曲线图

通过分析，在前100cm范围内，由于距离较近，波速未拉开，波的传播模式较复杂；但在前100cm范围内，波速的波动随着厚度的增加逐渐趋于平稳。而在100～300cm范围内，三种板材的波速都逐渐趋向于3 000m／s左右。通过Vallen软件中的Dispersion软件对不同厚度钛的波速进行模拟，得到图5所示（箭头所指）曲线。

由于该试验中探头使用的R150型，其中心频率为0.15MHz，箭头所指曲线即为最低阶反对称波 A0（弯曲波），它在0.15kHz处的波速为3 000m／s左右。该结果与试验所测波速基本吻合。

4 结论

（1）试验中三种不同厚度GR2板材的衰减程度从大到小依次为20，10，6cm。在300cm范围之内，20cm厚板材衰减24dB左右，6cm厚板材衰减12dB左右，且在前100cm范围内幅度的衰减趋势较大，而在100～300cm之间衰减趋势较为平坦。所以按GB／T 18182标准，声发射探头的布置间距可以大于3m。

（2）厚度对波速影响不是很大，三种厚度板材的波速在100cm范围之内由于边缘效应的影响波速波动范围较大，但随着厚度的增加，波速的波动逐渐平缓。100～300cm范围内波速逐渐稳定于3 000m／s。

图5 钛材波速图

［1］黄嘉琥.有色金属制容器［M］.北京：化学工业出版社，2008（10）：235－236.

［2］沈功田，李金海.压力容器无损检测——声发射检测技术［J］.无损检测，2004，26（9）：457－463.

［3］耿荣生，景鹏.声发射波形分析技术在复合材料故障评价中的作用［J］.无损检测，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］耿荣生，沈功田，刘时风.模态声发射基本理论［J］.无损检测，2002，24（7）：302－306.