粗晶不锈钢超声波测厚精度探讨

宋同乐

摘  要：该文以粗晶不锈钢为研究对象，通过理论研究表明，超声波在试件中的传播声速是影响超声波测厚精度的关键参数。而超声波在试件中的传播声速又受试件的材料与成分、温度、组织均匀性、表面氧化层及应力影响。通过分析利用对比试块确定声速法、资料确定声速法、利用试件本身确定声速法，比较了3种方法的优缺点，探讨如何提高超声波测厚仪的测厚精度。

关键词：粗晶不锈钢  超声波测厚  精度  声速

中图分类号：TU31                文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（b）-0058-02

超声波测厚仪主要用于测量船体、油气管道、高压容器、锅炉等的壁厚，以及大面积板材的厚度，被测材質通常是钢为代表的金属类材[1]。目前使用的超声波测厚仪大部分采用双晶探头，其原理是发射晶体间隔一定时间发射一次超声波，经试件的下表面反射至上表面并被探头的接收晶体接收，通过测量超声波在材料中的传播时间，即可换算为试件的厚度，并以数字显示。换算公式如下。

H=-υt-2                                                                        （1）

式（1）中：H为试件厚度;

ν为声速;

t为超声波在试件中往返一次的传播时间。

对公式（1）进行微分，可得：

ΔH=Δυ·-t-2+Δt·-υ-2                                                 （2）

式（2）中：ΔH为厚度测量偏差，即试件测量厚度与实际厚度之差;

Δυ为声速设定偏差，即试件设定声速与实际声速之差;

Δt为时间测量偏差，即超声波在试件中往返一次的测量时间与实际传播时间之差。

公式（2）即是厚度偏差与时间偏差及设定声速偏差的关系式。公式表明，试件厚度的测量偏差主要来自传播时间t的测量偏差Δt和超声波经过被测材料的声速υ的设定偏差Δυ。目前的使用的数显测厚仪采用稳频晶振动产生的时间标准信号来测量时间间隔t，其精度相当高，对厚度的影响很小，可忽略。因此，公式（2）可简化为：

ΔH=Δυ·-t-2                                                             （3）

公式（3）表明，试件厚度的测量偏差，即通常所说的精度，与超声波经过被测材料的声速υ的设定偏差Δυ成正比。因此，如何使设定声速更接近实际声速，即如何确定检测环境下的实际声速成为提高超声波测厚精度的关键。

1  声速的影响因素

超声波在试件中的传播声速与试件的材料及成分、温度、组织均匀性、表面氧化层及应力相关。

1.1 材料及成分

超声波经过不同材料的声速不同，如一般钢材时的超声波声速约为5900m/s，不锈钢的声速大约为5740m/s。即使牌号相同的钢，由于成分、晶体结构的细微差异，声速也会不同[2]。

1.2 温度

一般来说，固体中的声速随介质温度升高而降低，测量显示值比实际值大。例如，一般纯铁的声速与温度的关系如表1所示。

也有试验数据表明，热态材料每增加100℃，声速下降1%。GB/T 11344-2008《无损检测 接触式超声脉冲回波法测厚方法》也明确指出经常使用的经验法则如下：温度升高时，对钢壁厚测得的读数是高的，每55℃增加大约1%厚度。因此，如果仪器在一块相同材料且温度为20℃上校准好，则在表面温度为460℃材料上测得的读数，应减少8%的厚度值。这种校正方法是对许多类型钢材量取的平均值。其他校正方法必须对其他材料进行经验测定。

1.3 组织均匀性

固体材料组织均匀性对声速的影响在铸铁中表现较为突出。铸铁表面与中心，由于冷却速度不同而具有不同的组织，表面冷却快、晶粒细、声速大;中心冷却慢、晶粒粗、声速小。这就造成了同一试件声速差异。

对于一些粗晶材料，晶粒的粗大和组织的不致密造成声速的极大衰减，衰减是由于材料对声能的散射和吸收造成的，衰减的程度与晶粒尺寸和超声频率是有密切关系的，相同频率下衰减随晶粒直径的增大而增大。对于不同频率的衰减随频率的增大而增大。其次，由于晶粒粗大和异相组织的存在，将产生异常反射、即草状回波或树状回波，使测厚出现错误读数，造成误判。另外，随着晶粒的粗大，金属结晶方向上的弹性各向异性表现的更加显著，从而使不同方向上的声速造成差异，最大差异甚至可达5.5%，而且工件内不同位置上组织的致密性也不一致，这也将造成声速的差异，这些都将产生测量的不准确。

2  声速设定方法

声速设定偏差直接决定厚度测量偏差，因此实际声速的确定尤为关键。

2.1 利用对比试块确定声速法

超声波在试件中的传播声速受试件的材料及成分、温度、组织均匀性、表面氧化层及应力影响。若对测量精度要求较高时，可采用对比试块确定法，即用相同材料的试块，在相同温度条件进行测量，测量超声波在对比试块中的传播声度作为超声波在试件中的传播声速。对比试块的材料越接近于被测材料，测量就越精确。理想的对比试块是一组被测材料的不同厚度的试块，试块能提供仪器补偿校正因素（如材料的微观结构、热处理条件、晶粒方向、表面粗糙等）。为了满足最大精度测量的要求，一套对比试块是很重要的。在大部分情况下，只要使用一个对比试块就能得到足够的测量精度，这个试块应具有与被测材料相同的材质，相近的厚度。取均匀被测材料用螺旋测微仪测量后就能作为一个试块。

2.2 资料确定声速法

在一定的情况下，查已知材料的声速表，可代替参考试块，但这只是近似的代替一些参考试块，在一些情况下，声速表中的数值与实际测量有别，这是因为材料的物理及化学特性有异，这种方法常只能作为粗略参考。

2.3 利用试件本身确定声速法

利用对比试块法可以确定试块在某一温度下的声速，并应用于试件检测。但试块的材料及成分、温度、组织均匀性、表面氧化层及应力并不可能完全与试件相同。例如，由于粗晶不锈钢的晶粒粗大，还可能造成晶粒内部结构具有方向性，在不同的方向上，声速将会少量变化。

3  结语

现场超声波测厚往往受制于材料特性、仪器条件、对比试块、环境等因素限制，造成测量精度偏低。该文以粗晶不锈钢为研究对象，在理论研究的基础上，列举了超声波在介质中传播声速的影响因素，比较了利用对比试块确定声速法、资料确定声速法、利用试块本身确定声速法的优缺点。利用试块本身确定声速法克服了对比试块与试件本身由于材料及成分、温度、组织均匀性、表面氧化层及应力等因素造成的声速偏差，精度更高，且不需要單独制造对比试块，在现场超声波测厚检测过程中更为适应。

参考文献

[1] 陈利平.超声波测厚仪测量精度的提高[J].造船技术，1991（3）：38-39.

[2] 陈卫民.超声波测厚仪示值失真因素分析[J].石油和化工设备，2017，20（6）：81-83.

[3] 许林.影响超声波测厚仪示值的因素分析和改进措施[J].绿色环保建材，2016（2）：136，138.