超聲波探傷技術(shù)的局限性和可靠性
超聲波探傷技術(shù)的局限性和可靠性
由于聲學(xué)家、電子工程師和探傷人員50年來(lái)的不懈努力，使基于“固體雷達(dá)”原理的 超聲波探傷技術(shù)已發(fā)展成為當(dāng)今無(wú)損檢測(cè)的主要方法之一。世界各國(guó)出版的無(wú)損檢測(cè)書(shū)籍、 資料、文獻(xiàn)中，國(guó)內(nèi)外歷屆無(wú)損檢測(cè)學(xué)術(shù)年會(huì)上宣讀的論文中，超聲波探傷所占的數(shù)量都是 首屈一指的，這表明超聲波檢測(cè)在工程應(yīng)用中已取得輝煌的成就并仍在不斷地改進(jìn)著、發(fā) 展著。但是，對(duì)其局限性和可靠性卻很少論及和報(bào)道，因而在社會(huì)上造成了一種假象，似乎 超聲波探傷技術(shù)已經(jīng)十全十美，一旦發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量事故，就認(rèn)為是操作者玩忽職守和技術(shù)水 平低劣所致，從而打擊了生產(chǎn)第一線上探傷人員的積極性，但對(duì)教訓(xùn)的總結(jié)和吸取、類似事 故的預(yù)防以及超聲波探傷技術(shù)的進(jìn)步卻極少推動(dòng)。
1、 超聲波探傷實(shí)踐中可靠性的幾種“意外”在超聲波探傷實(shí)踐中一般會(huì)碰到兩類典型 的“意外”
1.1 “意外”的失敗(檢測(cè)判斷與實(shí)際不符)(1)超聲波探傷儀上顯示出明顯的缺陷波， 解剖實(shí)物卻什么也找不到。例如，1964年筆者對(duì)鋁合金異形型材進(jìn)行超聲波探傷試驗(yàn)，發(fā) 現(xiàn)其中有一明顯的缺陷波，當(dāng)即進(jìn)行邊探測(cè)、邊刨削、邊酸蝕的實(shí)驗(yàn)，每次刨去0.5mm結(jié) 果竟未發(fā)現(xiàn)任何宏觀缺陷。
(2)超聲波探傷按部頒標(biāo)準(zhǔn)判定為2當(dāng)量平底孔的小缺陷實(shí)際是 巨大孔洞。如：1979年探測(cè)某發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子毛坯(34CrMoA大鍛件)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有若干缺陷，精 車(chē)后表面暴露出長(zhǎng)約2mm的細(xì)小裂紋。用寬2mm的竹篾片垂直插入該小孔可深入12mm， 傾斜插入則可深達(dá)23mm。用超聲波直、斜探頭復(fù)探仍只能發(fā)現(xiàn)當(dāng)量為2mm左右的缺陷波， 而實(shí)際上確是個(gè)超聲波無(wú)法探出的巨大孔洞。
1.2 科學(xué)冒險(xiǎn)的“意外”成功 針對(duì)多次出現(xiàn)超聲波探傷合格的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子毛坯大鍛 件在后道車(chē)、鉆工序中暴露出大量發(fā)紋的事實(shí)，進(jìn)行了觀察、統(tǒng)計(jì)、分析和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)某些 群狀雜波，當(dāng)量遠(yuǎn)低于部頒判廢標(biāo)準(zhǔn)（2mm平底孔），但據(jù)已積累的經(jīng)驗(yàn)肯定是大量發(fā)紋的反 射波，故堅(jiān)決予以拒收。并于1979年底將12根這種轉(zhuǎn)子毛坯大鍛件運(yùn)返承制廠，請(qǐng)他們打 中心孔(因本廠無(wú)深孔鉆)， 商定如無(wú)發(fā)紋立即運(yùn)回本廠，否則退貨，結(jié)果一根也未再拉回來(lái)。
2、 超聲波探傷技術(shù)本身的局限性超聲波探傷技術(shù)是利用固體中的回聲--彈性波的反射 現(xiàn)象，來(lái)判定工件中缺陷的有無(wú)和位置(埋藏深度)，根據(jù)接收到的回聲能量來(lái)估計(jì)缺陷的大 小(與規(guī)定的平底孔、橫孔等標(biāo)準(zhǔn)缺陷相比較)，再使用一些探測(cè)工藝上的技巧并根據(jù)生產(chǎn)工 藝中易產(chǎn)生缺陷的規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)來(lái)推判缺陷的性質(zhì)，如上述例證那樣。顯然，由于通用超聲波 探傷儀器(A型顯示)檢測(cè)的物理量只有三個(gè)：
①?gòu)椥悦}沖的傳播時(shí)間：聲時(shí)。
②回波的能量： 當(dāng)量。
③機(jī)械振蕩通過(guò)某段距離后的衰減程度：相對(duì)值。而我們對(duì)埋藏于工件內(nèi)部的缺陷事 先卻一無(wú)所知：大小、形狀、深度、傾斜角、表面粗糙度、內(nèi)部填充物、是一個(gè)大缺陷還是 數(shù)個(gè)小缺陷的緊密組合……等，亦即未知數(shù)早已超過(guò)了三個(gè)。所以從數(shù)學(xué)上看，超聲波探傷 面臨的是一個(gè)不定解問(wèn)題。其次，目前超聲波探傷的聲學(xué)理論基礎(chǔ)研究還主要停留在固體中 少數(shù)規(guī)則缺陷(如球體、圓柱體、無(wú)限槽縫等)對(duì)超聲波的反射、固體中晶粒對(duì)超聲波的散射 等“正問(wèn)題”上，仍在解決什么樣的缺陷會(huì)散射出什么樣的超聲波，但超聲波探傷更重要的 是須解決：根據(jù)已測(cè)得的散射情況推斷出工件內(nèi)存在著什么樣的缺陷，這又是個(gè)不可能得到 唯一確定解的“逆問(wèn)題” 。
再者，由實(shí)驗(yàn)知，同一埋藏嘗試，不同形狀、大小、傾斜度、表 面粗糙度……的缺陷卻可以產(chǎn)生同樣高度的回波，所以單憑回波高度是無(wú)法區(qū)分這些缺陷 的。還有，超聲波探傷需要解決的問(wèn)題遠(yuǎn)比其母體技術(shù)--防空雷達(dá)復(fù)雜、困難得多，因?yàn)楹?者追尋的目標(biāo)只是點(diǎn)狀缺陷，而前者卻有點(diǎn)狀、線狀、面狀、體狀和彌散狀的缺陷。綜上所 述可知：今天的超聲波探傷技術(shù)仍存在著局限性，即無(wú)法唯一地確定檢測(cè)的結(jié)果。例如：波 蘭從Drendury管道探測(cè)結(jié)果中，任選32條全自動(dòng)焊焊縫和47條半自動(dòng)焊焊縫，對(duì)在同樣 長(zhǎng)度的焊縫上所得超聲和射線檢測(cè)結(jié)果作了比較。 就缺陷的數(shù)量而言，如所發(fā)現(xiàn)焊縫中缺陷 的總數(shù)為100%，則在全自動(dòng)焊焊縫中，由超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷數(shù)占71%，由射線照相法發(fā) 現(xiàn)的占29%。在半自動(dòng)焊焊縫中，超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的占74%，射線照相法發(fā)現(xiàn)的占26%。超 聲檢測(cè)出的缺陷大部分分布在90°和270°的極坐標(biāo)處，這些缺陷大部分是裂紋和未熔合， 而射線檢出的缺陷大部分位于150°和300°之間，缺陷絕大部分是球狀體積性缺陷，這一 檢測(cè)結(jié)果表明，僅使用一種方法檢測(cè)所得的結(jié)果是不全面的。但對(duì)于大型工作的內(nèi)部缺陷卻 只能用超聲這唯一的一種方法來(lái)無(wú)損檢測(cè)。
3、 超聲波探傷技術(shù)的可靠性由于超聲波探傷技術(shù)本身存在著局限性，所以其可靠性當(dāng) 然不可能達(dá)到理想的100%。其實(shí)任何一種實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果與理想要求總是有區(qū)別的，不論 是手工操作檢測(cè)還是自動(dòng)檢測(cè)均無(wú)例外，附圖示出了這種差別。從附圖中可見(jiàn)，實(shí)際檢測(cè)總 是存在著漏檢與誤檢，漏檢與誤檢的多少取決于對(duì)檢測(cè)影響因數(shù)的控制程度，但無(wú)論如何漏 檢與誤檢均是不可避免的。近年來(lái)，美國(guó)600家電力公司所屬1萬(wàn)多家發(fā)電廠主要用超聲檢 測(cè)控制機(jī)組質(zhì)量，保證電廠的正常運(yùn)行，而其超聲檢測(cè)可靠性已達(dá)85%。對(duì)于這種原來(lái)被 認(rèn)為是不太可靠、又不直觀的技術(shù)，能達(dá)到這樣的檢測(cè)可靠性，看來(lái)學(xué)者們已相當(dāng)滿意。希 望專家學(xué)者們?cè)跁?shū)報(bào)雜志、演講授課中大力宣傳先進(jìn)國(guó)家超聲波探傷所達(dá)到的可靠性百分 比，并藉以推動(dòng)我國(guó)無(wú)損檢測(cè)界在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定出檢測(cè)可靠性的指標(biāo)，以便廣大探傷人 員遵循。如果不便規(guī)定出百分比，至少也應(yīng)指明不可能達(dá)到100%。由于歷史的原因，我國(guó) 基層生產(chǎn)單位一向把僅對(duì)重要零部件質(zhì)量把關(guān)的超聲波探傷當(dāng)作高新技術(shù)，普遍認(rèn)定其可靠 性應(yīng)為100%，因而無(wú)論出現(xiàn)怎樣的誤差都是不允許的。例如，某廠18年來(lái)只有兩年超聲 波探傷的表觀可靠性(即被檢工件在后續(xù)切削加工中未出現(xiàn)內(nèi)部缺陷的百分比)沒(méi)有達(dá)到 100%，一年為99.96%，另一年為99.93%。即使如此，探傷人員還是受到了處分、指責(zé)。而 實(shí)際上超聲波探傷技術(shù)對(duì)檢測(cè)缺陷位置的效果是好的，對(duì)缺陷形狀、取向只有中等判斷能 力，而對(duì)缺陷性質(zhì)、大小的檢出能力是差的。所以必須向社會(huì)解釋清楚超聲探傷真實(shí)可靠性 和表觀可靠性的區(qū)別，前者不可能達(dá)到100%，后者在特定條件下卻有可能接近或達(dá)到此指標(biāo)。
4、 幾點(diǎn)建議為了降低超聲波探傷技術(shù)的局限性，增加其檢測(cè)的可靠性，也許應(yīng)該進(jìn)行 下列工作：
(1)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，尋求新的突破。由對(duì)缺陷的觀察、積累、分類中總結(jié)、 研究出規(guī)律性缺陷和偶然性缺陷的形成機(jī)制，力學(xué)、聲學(xué)特征、特性以及對(duì)各種超聲波束的 反應(yīng)。特別應(yīng)加強(qiáng)對(duì)力學(xué)、聲學(xué)“逆問(wèn)題”的“反演”研究，力求找出可供作為新型超聲波 探傷儀物理基礎(chǔ)的力學(xué)、聲學(xué)新規(guī)律、新理論，以及可使其實(shí)現(xiàn)的電子學(xué)辦法、線路。
(2) 研制開(kāi)發(fā)新型超聲波探傷儀。根據(jù)力學(xué)、聲學(xué)中的新發(fā)現(xiàn)、新規(guī)律設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)新型超聲波探傷儀器、換能器和附屬輔助設(shè)備等。借鑒渦流探傷儀經(jīng)驗(yàn)，將目前的超聲波擴(kuò)展為雙頻、 多頻……，再利用相位頻譜等技術(shù)以增加超聲檢測(cè)的物理量，來(lái)獲得更多判斷缺陷的依據(jù)。 改進(jìn)現(xiàn)有超聲探傷儀設(shè)計(jì)，使其具備目前探傷工藝中的某些經(jīng)驗(yàn)和技巧。
(3)促進(jìn)廣大探傷 人員的經(jīng)驗(yàn)交流、技術(shù)探討。在廣泛搜集成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，建立全國(guó)超聲波探傷實(shí)踐信息庫(kù)，制成各種軟件供生產(chǎn)第一線上的超聲探傷人員使用。
(4)不斷更新和修訂各 種超聲波探傷的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，使之更加符合生產(chǎn)實(shí)踐的現(xiàn)狀和發(fā)展，特別是應(yīng)在其中補(bǔ)充有 關(guān)可靠性的內(nèi)容。
(5)在各種培訓(xùn)教材、雜志、書(shū)籍中首先應(yīng)如實(shí)介紹當(dāng)今超聲波探傷技術(shù) 原理上的局限性和可靠性，承認(rèn)今天超聲波技術(shù)對(duì)缺陷的定量、定性還是相當(dāng)無(wú)能的，歡迎 和鼓勵(lì)有志青年不斷探索并有新的突破，使超聲波探傷技術(shù)的局限性逐步降低，可靠性不 斷提高。
