Page 42 - 无损检测2023年第六期

王垒超, 等:

X80管线钢电磁超声残余应力检测精度的影响因素

,
常见的压电超声法对待测件表面状态要求高, 式中: 为零应力状态下材料密度; v 12 v 13 分别为
ρ 0
检测效率较低, 且耦合程度对检测精度影响大, 而电 沿坐标轴 , z 方向传播的超声波声速; λ 和 μ 为二
y
磁超声方法不需要耦合剂, 对待测件表面状态要求 阶弹性 Lame常数; K 0 为材料的体积模量( 无应力
低, 检测效率较高, 可在恶劣环境下作业 [ 9 ] , 因此电 状态下); m 和 n 为三阶弹性 Murna g han常数。
磁超声对管道检测的适用性较强, 但是电磁超声换 由式( 1 ),( 2 ) 可知在无应力状态下超声横波声
能效率低, 对其工程上的广泛应用产生了一定阻碍。 速v 0 为
为提高电磁超声检测技术的检测能力与效率, 不少 / ( 3 )
v 12 ≈v 13 ≈v 0= μρ 0
学者提出了解决方法。齐光锋等 [ 10 ] 通过正交试验 将式( 3 ) 代入式( 1 ),( 2 ) 可得
探究了蝶形线圈 EMAT ( 电磁超声换能器) 的参数
v 12- v 0 σ 22 σ 33
对回波信号的影响, 发现减小导线数目、 增大永磁体 = · C 1+ · C 2 ( 4 )
v 0 3K 0 2 μ 3K 0 2 μ
宽度均可显著减小干扰波信号。 LIU 等 [ 11 ] 提出了
v 13- v 0 σ 33 σ 22
= C 1+ C 2 ( 5 )
·
·
一种全向集磁式电磁超声换能器, 在传统的 EMAT v 0 3K 0 2 μ 3K 0 2 μ
上加装集磁器, 对磁场进行引导和集中, 从而提高了 式中:
EMAT 的检测能力。 KANG 等 [ 12 ] 提出了一种非均 λ+2 μ+m + λn
匀分布线圈 EMAT , 与传统换能器相比, 新设计的 4 μ
C 1= ;
·
3K 0 2 μ
EMAT 产生的超声波信号幅值提升了90% 。
X80管线钢在石油管道中应用较广泛, 但是关 m -2λ- λ+ μ
n
2 μ
于 X80钢电磁超声残余应力检测的相关研究较少。 C 2= 。
·
3K 0 2 μ
笔者利用电磁超声设备, 对采集到的电磁超声回波
将式( 4 ),( 5 ) 相加减可得平面应力状态下各向
进行分析, 得出了电磁超声设备的最佳使用参数, 并
同性材料中声速与应力的关系方程, 即
通过试验验证了电磁超声设备的残余应力检测精度,
v 12- v 13
得出残余应力检测精度和回波之间的关系, 为管线钢 =A ( σ 22- σ 33 ) ( 6 )
v 0
的电磁超声残余应力检测提供了一些理论依据。
v 12+ v 13-2v 0 ) ( 7 )
= B ( σ 22+ σ 33
1 声弹性双折射残余应力测试理论 v 0
; 。
式中: A = C 1-C 2 B = C 1+C 2
对于不同的超声波波型, 其在材料中的传播 在各向异性材料中, 横波声速在各个方向上不
速度与应力之间的关系方程不同。各向同性的金 等, 因此需要对式( 4 ),( 5 ) 进行修正, 修正后的各向
属材料中, 超声波的传播速度与传播方向和偏振 异性材料中声速与应力的关系可表示为
方向无关, 在各向异性的金属材料中, 材料的密
v 12- v 13 ( 8 )
度、 弹性常数、 应力值都会影响超声波在固体中的 v 0 = α+Aσ 22+Bσ 33
传播速度 [ 13 ] 。
v 12+ v 13-2 v 0
( 9 )
假设待测试样为各向同性, 且在平面应力状态 2v 0 = Cσ 22+Dσ 33
为 轴 拉伸机精度验证试验为单向应力, 式中 σ 11= 0 ,
下, σ 11= 0 , σ 11 为x 轴方向应力; σ 22 ≠0 , σ 22 y
为 z 轴方向应力; 横波沿着x σ 22 ≠0 , σ 33= 0 , 可将式( 8 ),( 9 ) 简化为
方向应力; σ 33 ≠0 , σ 33
,
坐标轴方向传播, 另两个方向上横波的声速v 12 v 13 v 12- v 13
σ 22=K ( 10 )
)/
, 有如下关系 ( v 12+ v 13 2
与应力 σ 22 σ 33
式中: K 为应力系数。
λn
σ 22
2
λ+2 μ+m +
ρ 0 v 12= μ+ + 通过试验可得到横波回波传播时间, 式( 10 ) 需
3K 0 4 μ
要精确测量待测件厚度, 因此将式( 10 ) 进行变换, 即
σ 33 λ+ μ
m -2λ- n ( 1 )

3K 0 2 μ t 12- t 13
σ 22=K ( 11 )
t 12+ t 13 / 2
λn
σ 33
2
ρ 0 v 13= μ+ +
λ+2 μ+m +
3 K 0 4 μ t 12- t 13 为平行于
式中: 为各向异性系数; t 12
t 12+ t 13 / 2
σ 22 λ+ μ
m -2λ- n ( 2 ) 为垂直于应力加

3 K 0 2 μ 应力加载方向的横波传播时间; t 13
8
2023年 第45卷 第6期
无损检测