玻璃钢夹砂管道声学性能研究.pdf

2023年第6 期特种设备安全技术玻璃钢夹砂管道声学性能研究孟令民邵光彬牛帅丨张绍昆叶家言丨赵书毅！摘要基于穿透法对典型玻璃钢夹砂管道试件进行了声速测量、波长计算及声衰减测量，据此优化了超声双晶探头检测技术参数。研究表明：所测DN2000试件的声速范围在198 8-2 0 34m/s之间，DN1800试件的声速范围在2000-2064m/s之间，当选用晶片频率为1MHz时，波长约为2.0 0 mm，仪器调节试件的声衰减增益值约为2 0 dB，此时满足采用双晶探头技术方案检测玻璃钢夹砂管道检测灵敏度和声衰减增益值的要求。关键词玻璃钢夹砂管道声学性能超声检测探头频率玻璃钢夹砂管道具有轻质高强，耐腐蚀，内壁摩擦小，应用寿命长等优点，已被广泛应用于石油、化工、农业灌溉以及给排水工程。玻璃钢夹砂管道为典型的各向异性复合材料，其结构如图1所示。声波在层与层的界面处会发生严重衰减，其声学性能较各向同性金属材料相差较大2，为保证其缺陷检出率，提高信噪比，宜采用双晶探头进行检测3.41。本文采用穿透法对其声学性能进行了测定，并据此优化了其超声检测技术参数。图1王玻璃钢管道横截面结构图1声学性能测量的技术条件根据前期相控阵检测结果5.6 ，应用2.5MHz频率的超声纵波直探头不能穿透该复合材料，针对大于10mm的复合材料应选用更低频率的超声探头，因此本研究选用频率为0.5MHz、1.0 M H z、1.2 5M H z 的纵波直探头对其进行声速测定。（1）测试试件：公称直径为DN2000，D N18 0 0 的玻璃钢夹砂管道试件。（2）检测设备：汕头CT-23模拟式超声波检测仪，广州多浦乐电子科技有限公司制作的超声波纵波直探头，示波器为SDS1072A双通道数字示波器。（3）耦合剂：甘油。2玻璃钢夹砂试样声速测量采用穿透法测量试件声速，对两试件对应相同位置分别取五个采样点进行测量，并记录回波峰值所对应的收稿日期：2 0 2 3-0 3-17时间，计算出每个采样点所对应的声速。图2、图3分别是同一试样在不同检测频率下测得的声速。210020752050(s/W)/八军单2025200019751950图2 DN2000试样声速装饰2.100层2075内村2050层定长纤馆纯绕层DN2000试样23采样点DN1800试样(s/)/2025200019751950图3DN1800试样声速同一个试件同一个采样点测得的声速存在一定范围的差异。因为每组探头与超声波检测仪的适配度不同，且复合材料内部存在大量细小孔洞，探头放置位置也会存在细微偏差，这些都会影响检测结果，因此同一位置的测量结果也会存在差异。用同一组探头，测量同一个试件，即每张声速图中相连的数据，数据的大小也会有差异，这是因为材料的不均匀性，材料内部存在缺陷而影响声波的声速。通过对比同一试件、不同探头组的测量结果，发现同一个采样点在不同频率下测得的声速变化趋势相同。这说明采样点的声速受采样点内部材料的成分和缺陷的影响。DN2000试件的声速范围在198 8-2 0 34m/s，D N18 0 0试件的声速范围在2 0 0 0-2 0 6 4m/s。在不同的检测频率下，DN1800试件的声速略大于DN2000试件的声速，这是因为两试件中夹砂层和上下两玻璃钢层的厚度不同。在DN2000试件中，玻璃钢与夹砂层厚度的比值为11/26，而在DN1800中该比值为15/15，又因为玻璃钢致密度大于孔洞较多的夹砂层，所以玻璃钢层占比较高的DN1800试件的声速略大。-0.5MHz1MHz1.25MHz0.5MHz1MHz1.25MHz123采样点4532特种设备安全技术2023年第6 期同一试件，随着检测频率的检测增加，衰减增益值会明显降低。当频率为1.2 5MHz时，衰减增益为6.0-13.5dB，3试件中波长的计算根据所测试件声速，由波长计算公式入=S式中入为波长，c为声速，为频率，即可求出不同频率下，试件中波长的大小。试件的波长测量结果如下表1所示。表1试件波长测量结果试件0.5MHz(mm)4.033.99DN20004.003.984.014.054.01DN18004.034.004.02应用1MHz探头组测量时，DN2000试件和DN1800试件的波长约为2.0 0 mm。用0.5MHz和1.2 5MHz探测试件时，其波长分别约为4.0 0 mm和1.6 1mm。三种检测频率下每个测试点的数据基本一致，不同的是每种频率下同一试件的波长不同，波长随着频率的增加而减小。根据强度试验分析，当受到复杂应力时，尺寸在1mm以上的气孔易扩展为裂纹，需要被有效检出15.7 1。O由于声波在传播过程中存在绕射现象，使得超声波检测的探伤灵敏度约为波长的一半，因此由实验数据可以得出，晶片频率为1MHz时，波长约为2.0 0 mm，适合超声无损检测对灵敏度的要求。4试件声衰减测量通过调节模拟式检测仪增益旋钮，使接收到的回波波高为超声波检测仪满刻度的8 0%，并记录此刻的增益值。通过对比相同材料不同检测频率时衰减增益值的大小，来确定合适的检测频率。实验结果如表2 所示。表2 试件衰减增益值测量结果试件0.5MHz(dB)36.038.0DN200032.040.534.044.040.0DN180042.043.544.0对比表2 中三种检测频率下的衰减增益值可知，对选用6 dB法检测缺陷回波时，双晶探头检测回波将不能调节到满刻度的8 0%，这时会造成试件缺陷的漏检。晶片频率为0.5MHz时衰减增益为32.0-44.0 dB，声波穿透性好，有较大的声衰减增益值调节空间，可以根据不同的检测要求更大范围的调节检测回波的显示。但是，根据检测灵敏度的要求，在0.5MHz频率时，波长约为4.0 0 mm，波长较大，会造成较大缺陷漏检，且频1MHz(mm)1.25MHz(mm)2.011.612.001.602.001.601.991.592.001.602.021.622.001.602.011.612.001.602.011.611 MHz(dB)1.25 MHz(dB)19.06.020.08.022.58.018.05.016.07.020.510.523.012.523.511.022.513.520.013.5率太低会产生较大的背景噪音，影响系统检测分辨率。当检测频率为1MHz时，两种试件的声衰减增益约为20dB，衰减增益满足双晶探头双声程衰减时调节增益值的要求，此时波长为2.0 0 mm，波长满足检测灵敏度的要求。5结论本文针对典型玻璃钢夹砂管道试件进行了声学性能测定与分析，可以得到以下结论：（1）所测DN2000玻璃钢夹砂管道试件的声速范围在198 8-2 0 34m/s之间，DN1800试件的声速范围在2 0 0 0-2064m/s之间,此参数为超声探头的选择与制作提供了参考。（2）当检测频率为1MHz时，波长约为2.0 0 mm，此时可有效检出材料中大于1mm的缺陷。（3）当检测频率为1MHz时，试件的声衰减增益值在2 0 dB左右，满足双晶探头双声程衰减时调节增益值的要求，因此该类材料超声检测频率宜选用1MHz。1林立，史艳华，梁平，等.玻璃钢夹砂管的应用现状及展望1当代化工，2 0 0 9，38（5）：515-518.2 杨节标，张林文，胡中永，大型复合材料结试件检测技术研究进展.玻璃钢复合材料，2 0 13（3）：12 2-12 6.3 余南延，陈积懋.复合材料无损检测与评定M.北京：中国航空学会，1997.4王昌盛，周克印，徐萍，等.风电叶片前缘胶接结构的超声检测技术研究J.玻璃钢/复合材料，2 0 16（4）：55-58.5 邵光彬。大型复合材料试件超声检测技术研究D.南京：南京航空航天大学，2 0 18.6Chakrapani S K,Dayal V,Krafka R,et al.Ultrasonic testingof adhesive bonds of thick composites with applications to windturbine bladesCj.Review of Progress in Quantitative Nondestructi.AIP Publishing,2012:1284-1290.7 Matthew Thomson.Ultrasonic non-destructive testing of fiberreinforced compositesD.Wellington:Victoria University ofWellington.2012.基金项目名称：青岛市特检院科技项目（QTJK20200005）；江苏高校优势学科建设工程资助项目作者孟令民！邵光彬牛帅1克张绍昆！叶家言！赵书毅！1青岛市特种设备检验研究院山东青岛邮编2 6 6 0 0 02南京睿赫电子有限公司江苏南京邮编2 10 0 0 0参考文献