温度对超声波探头灵敏度的影响

　　由于常规超声检测只能在10~60℃条件下应用,而石油化工等行业,有大量承压设备在高温条件下运行,常规超声检测技术无法对其进行在线检测。因此近年来国内一些科研机构开始尝试开发高温超声检测技术,并有一些应用实例见诸报道。温度对超声的影响表现在当温度升高时,超声波声速减小,斜探头的折射角增大,超声波在介质中传播的衰减加大。温度的另一个重要影响是对探头晶片压电效应的影响。压电效应与温度有关,温度升高时压电效应减弱,当达到某一温度即居里温度时,压电效应完全消失。

　　在常规超声检测中,探头和工件基本没有温差,因此压电效应也是恒定不变的。但在高温超声检测中,随着探头与工件的接触时间延长,工件的热量逐渐传入探头,导致探头温度逐渐升高,压电效应逐渐减弱甚至完全消失。笔者在此通过试验对这一现象进行研究。

　　1　试验所用的设备器材

　　超声波检测仪采用武汉中科创新生产的HS610型数字超声波检测仪。高温探头来自国外,两只型号分别为W45B2GV(下称探头1)和W60B2GV(下称探头2)。探头频率为2 MHz,最高工作温度<350℃。按厂家的说明书,探头在温度250℃时可连续工作,>250℃时必须间歇工作,每次工作时间≤20 s。高温耦合剂采用美国Sono公司出产的So-no650和Sono950型高温耦合剂,最高工作温度可达343℃和510℃。

　　恒温工作台由笔者设计,国内某专业厂家制造(图1)。工作台温度可在50~500℃内连续调节,温度误差<3℃。工作台上设计有凹槽,可将CSK-ⅠA试块全部嵌入槽内加热。

　　2　试验方法和结果

　　将CSK-ⅠA试块嵌入恒温工作台的槽内,先在常温下(20℃)将探头对准试块的R100 mm圆弧面,找到最高回波,调节超声波检测仪的“自动增益”按钮,使回波在仪器上的显示高度为满屏幕的80%,记下此时仪器的增益分贝数。保持仪器的增益不变,将恒温工作台加热到不同的温度,待试块的温度与工作台的温度一致时,在试块上涂敷耦合剂,等待几秒钟后耦合剂的温度也与工作台的温度一致,再将探头对准试块的R100 mm圆弧面,找到最高回波,记录回波在仪器上的显示波高(占满屏幕的百分比)。表1和表2分别为两个探头的试验数据。

　　根据表1和表2的数据绘出不同温度下探头反射波

　　高随时间变化的曲线见图2和3。

　　3　结果分析

　　3.1　高温时超声波衰减的情况

　　在高温超声波检测中,超声波在传播过程中的损失包括在探头-耦合剂-工件的界面上的耦合损失、超声波在介质内传播的衰减损失,以及由于探头压电效应减弱导致的探头发射和接收超声波效率下降的损失。衰减损失随着温度升高而增大。耦合界面的损失则比较复杂,对于试验所用的高温耦合剂来说,在常温下耦合剂为凝固状,耦合性能较差;随着温度升高变为液状,耦合性能变好;当温度继续升高,耦合剂中的润湿性物质挥发,耦合性能又变差。压电效应随着温度升高而减弱,当温度达到压电晶片的居里温度时,压电效应完全消失。试验结果反映了这三个因素的综合影响。分析表1和表2的数据,可以看出: