横波斜探头超声检测中K值偏差分析.doc

横波斜探头超声检测中K值偏差分析武汉中正化工设备有限公司符武星用横波斜探头检测焊缝时，对缺陷的定位是必不可少的，不仅是缺陷返修的需要，它本身也可帮助检测人员正确的判伤。因为焊缝中多数缺陷的产生与位置有着一定的关联，如根部未焊透、根部未熔合、根部夹渣，多道焊时清渣不彻底时产生的夹渣，其位置也会在该焊道的高度，等等。横波斜探头检测焊缝时缺陷的水平和深度定位均基于K值（或折射角），因此K值的准确性是很重要的。本文将就检测面为平面或大曲率弧面时，根据我的检测实践对K值偏差对深度定位的影响作详细分析。我公司配备的仪器为汉威HS610e型数字仪。在检测前，我们应校准仪器、探头的一些重要参数，如水平基线扫描比例、零偏、前沿、K值等，完毕后进入检测状态下，仪器显示屏右侧状态栏会有缺陷定位参数值的显示（声程S）、（水平L）、（深度H）。扫查焊缝时，我们要关注这些参数以帮助判伤。实际检测中操作人员关注最多的深度和水平，数字仪器本身最关注的却是声程（即声波的往返的时间t）。对于工件中某一特定缺陷：其声程S（即声波往返时间t）是一定的；水平和深度是基于其与折射角（或K值）和斜边（声程）相互关系自动计算得出。LSsinSsin（tan-1K）HScosScos（tan-1K）S12Cst对于闸门内某一特定示波，其对应的S、L、H值由检测人员实测的K值Kc自动计算得出并显示在仪器右侧状态栏。此时的H值用Hc表示。HcScosScos（tan-1Kc）由于实测K值Kc与真实K值Kz有偏差，示波对应的真实H值用Hz表示：HzScosScos（tan-1Kz）|HzHc|S| cos（tan-1Kz）cos（tan-1Kc） |即为由于实测K值与真实K值误差导致的深度偏差（同样也会导致水平L的偏差）。这种偏差在特定情况下给检测人员判伤带来困难。尤其是当缺陷位于一次波（直射波）的末梢和薄板检测时，伤波与工件表面不规则反射波易混淆。可见检测前对仪器和探头的校准及相关测量的准确度是很重要、不可忽略的，后面的讨论数据更能说明这一点。为了便于后面的讨论，我们约定一下有关参量代号，并作简要分析和声明。实测K（）值用Kc（c）表示；它主要相关于检测人员的操作：自动校正是否准确、前沿测量是否准确（模拟机手工测量K值时）、磨损后不及时校正、所选测量孔注、测量时是否找准最高波等等；仪器上显示的（声程S）用Sc表示；（深度H）用Hc表示；客观上每个探头在试块上有一个真实且唯一的K（）值，用Kzs（zs）表示；探头在工件上也有一个真实K（）值，用Kzg（zg）表示，它主要相关于：被检工件检测面形状和工件材料的声速Cs与试块差异，而对于实物工件其材料声速还受检测时工件材料温度和内应力影响，本文后面只讨论材料声速偏差的影响，其它因素忽略。继续以上讨论。在JB4730.3-2005中，对一定的厚度范围，相应推荐了K值选取范围，条件允许时应尽量选择大K值探头。对此我们可以理解为，一定的K值原则上只适于检测特定厚度范围，同时还应考虑到保证能扫查到整个焊缝截面基本要求，没有“万能探头”。对2546mm厚度推荐选用的斜探头K值范围为2.51.5（6856）下面将举例分开讨论二种常见影响K值，进而影响仪器显示缺陷深度值偏离缺陷真实深度的情形。例：用试块上实测K值Kc2.0，试块上真实K值Kzs1.9的探头检测板厚为40mm的Q345R钢板对接焊缝，某缺陷位于距离检测面真实深度Hz38mm。一、工件与试块的横波声速偏差可忽略，只考虑检测人员测量误差。（见附表中第3行数据）令CssCsg3200m/s，此时KzgKzs1.9 S Hzcoszg 38cos（tan-11.9） 38cos62.2 81.59mmcosc cos（tan-1Kc）cos（tan-12.0）Hc Scosc 81.59cos（tan-12.0） 36.5 mmHcHz-1.5 mm即检测人员用仪器实测该缺陷深度为36.5mm，比真实深度浅1.5mm，远离反表面，此时不容易与反表面反射波混淆，此为KcKz值偏大的情形；反之，则会使实测缺陷接近反表面，与反表面反射波发生混淆。根据HcScosScos（tan-1Kc）分析如下：Kc，c，cos S（一定），Hc，缺陷显示深度远离反表面，不与反表面反射波混淆。如下图示Kc，c，cos S（一定），Hc，缺陷显示深度接近反表面，易与反表面反射波混淆。如下图示二、考虑工件与试块的横波声速偏差，即CssCsg，此时KzsKzg）。（见附表中第4行数据）此时的深度偏差由检测人员在试块上测量误差和工件与试块材料声速偏差两部分综合作用形成。为了更清晰的看到测量致误差、声速致偏差、综合偏差三者关系，我们还要分开讨论。CssCsg时的综合偏差是指仪器显示的深度值Hc与缺陷真实深度值Hz之差HcHz。此时为了说明由测量误差、声速偏差分别独立作用导致的深度偏差，我们再分别虚拟的Hcc和Hcs两个参量。1.在检测人员的K值测量偏差独立作用下产生的深度偏差rHccHz此时令zgzs（除去声速对zs的影响）HccScosc Hzcosccoszs 38cos（tan-12.0）cos（tan-11.9） 36.49rHccHz36.49-38-1.51mm2.单纯由声速偏差独立作用下产生的深度偏差HcsHz此时令czs（即试块上实测的K值即为Kzs，无测量误差）在上例中，令Css3200m/s，Csg3280mm/s，根据折射定律有：此时由折射定律得：zgsin-1CsgsinzsCss sin-13280sin（tan-11.9）320065.1真实缺陷声程SzHzcoszg t2SzCsg实测缺陷声程Sc12 CsstCssHzCsgcoszgHcsSccosc HzCssCsgcoszg coszs 3832003280cos65.1cos(tan-11.9)41.01mmsHcsHz41.01383.01mm3.由检测人员K值测量偏差和材料声速偏差综合作用导致的最终偏差HcHz此时例中的Kc2.0，ccos(tan-12.0)根据折射定律：zgsin-1CsgsinzsCss sin-13280sin（tan-11.9）320065.1实测缺陷声程Sc12 CsstCssHzCsgcoszgHcSccosc HzCssCsgcoszg cosc3832003280cos65.1cos(tan-12.0)39.38 mmHcHz39.38 381.38 mm附表简要列出一些常用规格探头的K值偏差分析数据。从表中可以看出：实测K值偏小，工件声速偏大时，更容易造成缺陷“接近”反表面，甚至超出一次波范围。从声速不同时r，s，三者的数值看出，在考虑声速偏差的情形下，最终的深度偏差不是前两者r，s的简单相加。这是因为声速的差异不仅影响了在工件中的值，还改变了声波在工件中的往返时间t。由于本人知识局限加之时间仓促和身边器材和试件的缺乏，还有一些验证工作未做，文中定有不足、不全、不尽甚至错误之处，恳请老师和同仁不吝指正，以求完善和致用。感谢！注：见重庆建工无损检测工程有限公司闫伟明在2007年 第29卷 第06期发表的论文 “声程对斜探头前沿及K值测量的影响”。该文结论大概是，晶片面积及测量声程影响K值的测量结果，一定的探头在A试块上采用不同深度的孔测出的K值之间存在偏差。我的体会亦如此。在此对这位同仁的不吝共享表示感谢和敬意。 5 / 7序号标称 K值实测 K值实测 值试块真实K值试块真实值K值测量偏差工件真实K值工件真实值K值真实偏差试块声速(m/s)工件声速(m/s)板厚(mm)缺陷深度(mm)缺陷真实声程(mm)缺陷实测声程(mm)实测深度(mm)单纯由实测K值的误差致深度偏差(mm)单纯由声速差异导致的深度偏差(mm)最终深度偏差（以Hz为基准，上+下-）(mm)KKccKzszsKc=KC-KZsKzgzgK=Kzg-KCCssCsgTHzSzScHcrHcc-HzsHcs-Hz12.00 2.05 64.00 1.90 62.24 0.15 1.90 62.24 -0.15 3200 3200 40.00 38.00 81.59 81.59 35.77 2.23 2.23 22.00 2.05 64.00 1.90 62.24 0.15 2.15 65.10 0.10 3200 3280 40.00 38.00 90.25 88.05 38.60 2.23 -3.01 -0.60 32.00 2.00 63.43 1.90 62.24 0.10 1.90 62.24 -0.10 3200 3200 40.00 38.00 81.59 81.59 36.49 1.51 1.51 42.00 2.00 63.43 1.90 62.24 0.10 2.15 65.10 0.15 3200 3280 40.00 38.00 90.25 88.05 39.38 1.51 -3.01 -1.38 52.00 1.95 62.85 1.90 62.24 0.05 1.90 62.24 -0.05 3200 3200 40.00 38.00 81.59 81.59 37.23 0.77 0.77 62.00 1.95 62.85 1.90 62.24 0.05 2.15 65.10 0.20 3200 3280 40.00 38.00 90.25 88.05 40.18 0.77 -3.01 -2.18 72.00 1.85 61.61 1.90 62.24 -0.05 1.90 62.24 0.05 3200 3200 40.00 38.00 81.59 81.59 38.80 -0.80 -0.80 82.00 1.85 61.61 1.90 62.24 -0.05 2.15 65.10 0.30 3200 3280 40.00 38.00 90.25 88.05 41.87 -0.80 -3.01 -3.87 92.00 1.80 60.95 1.90 62.24 -0.10 1.90 62.24 0.10 3200 3200 40.00 38.00 81.59 81.59 39.62 -1.62 -1.62 102.00 1.80 60.95 1.90 62.24 -0.10 2.15 65.10 0.35 3200 3280 40.00 38.00 90.25 88.05 42.76 -1.62 -3.01 -4.76 112.00 1.75 60.26 1.90 62.24 -0.15 1.90 62.24 0.15 3200 3200 40.00 38.00 81.59 81.59 40.48 -2.48 -2.48 122.00 1.75 60.26 1.90 62.24 -0.15 2.15 65.10 0.40 3200 3280 40.00 38.00 90.25 88.05 43.69 -2.48 -3.01 -5.69 132.00 2.00 63.43 1.90 62.24 0.10 2.05 63.97 0.05 3240 3290 40.00 38.00 86.60 85.28 38.14 1.51 -1.72 -0.14 142.50 2.60 68.96 2.50 68.20 0.10 2.50 68.20 -0.10 3200 3200 26.00 24.00 64.62 64.62 23.20 0.80 0.80 152.50 2.60 68.96 2.50 68.20 0.10 3.10 72.12 0.50 3200 3280 26.00 24.00 78.16 76.25 27.37 0.80 -4.32 -3.37 162.50 2.40 67.38 2.50 68.20 -0.10 2.50 68.20 0.10 3200 3200 26.00 24.00 64.62 64.62 24.85 -0.85 -0.85 172.50 2.40 67.38 2.50 68.20 -0.10 3.10 72.12 0.70 3200 32