CN104251887A - 铸铁超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的就是提供一种超声波承压铸铁设备探伤新方法——铸铁承压设备超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱方法，该方法较常规铸铁探伤检测能够使***得到更高的信噪比、更快响应时间，以及更高灵活性。铸铁由于其内部组织结构不均匀、晶粒较大，在利用超声波探伤时，超声波传播时衰减较大，易发生散乱反射，产生林状或草状回波，造成探伤灵敏度很差。该方法利用铸铁内部晶粒特征中平均晶粒尺寸、晶体取向角度(声波入射方向晶粒轴线的夹角)对超声散射和衰减影响，造成带有明显晶粒特征的噪声时频特性和缺陷回波频散特性，通过对噪声和回波信号的分析得到优化的分离谱参数，从而利用分离谱技术能够很好的降低散射噪声、提高超声回波信号灵敏度。

Description

铸铁超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱方法

技术领域

本发明涉及承压铸铁设备超声波检测技术，尤其是分离谱技术在承压铸铁设备超声探伤应用中的改进方法。 

背景技术

目前，我国拥有数万台在役铸铁锅炉和压力容器，许多埋地燃气管道也为铸铁材料。一旦这些在役的承压铸铁设备发生事故，势必会对国民经济以及现场工作人员的人身安全造成不可估量的损害。由于铸铁材料具有晶粒粗大、含碳量高、硬度高、韧性差等特点，铸铁承压设备的无损检测技术在国内外还没有成熟的方法，因此，致力于研究一种更精确、更方便、更有效的铸铁探伤设备技术势在必行。 

工程实际中，承压铸铁设备的缺陷超声检测有一个突出问题需要解决。铸铁由于其内部组织结构不均匀、晶粒较大，超声波传播时衰减较大，易发生散乱反射，产生林状或草状回波，有用的回波信号极易湮没在噪声中无法识别，从而使得承压铸铁设备探伤检测的难度加大。分离谱就是利用结构噪声和目标回波对频率变化敏感性上的差异而建立起来的解相关方法。但该方法对滤波器的数目、带宽及相邻滤波器的频率间隔等参数的选择十分敏感，这限制了该技术在实际中的使用。分离谱技术的另一不足之处是对每个信号都要改变参数，不太适合于在线检测。 

发明内容

解决问题：针对工程实际问题，承压铸铁设备的缺陷超声检测中有两个个主要的问题需要解决：首先，对于晶粒粗大或声衰减较大的铸铁材料检测，如何通过分离谱技术有效解决声能量在晶体界面的反射以及散射造成回波信号信噪比较低的问题，并如何有效设置分离谱所需的参数。本发明的目的就是提供一种在铸铁承压设备超声探伤中基于晶粒特征的改进分离谱参数的优化方法。该方法较常规铸铁超声检测能够得到更高的信噪比、更高的检测效率以及更高的灵活性，使检测设备更加适合于在线检测。 

技术方案：为实现以上目的，本发明特提出以下技术方案： 

在铸铁超声探伤中，晶粒的尺寸及取向角度会直接影响晶粒散射噪声和回波信号的频谱特性。通过对散射噪声和回波信号的进行频谱分析，可得到一种基于晶粒特征的改进分离谱信号处理方法。当采用分离谱技术提高回波信号的信噪比时，可以参考此特性来确定滤波器组中各个滤波器的参数。 

一种改进的基于晶粒特征的改进分离谱信号处理方法，其特征是：利用晶粒大小、晶粒取向角度特征参量对材料晶粒散射噪声和回波信号的频谱特性的影响，结合大量实验数据，拟合一条散射强度-平均晶粒尺寸、回波基频-平均晶粒尺寸和散射强度-晶粒取向角度的参考曲线，从而为优化滤波器带宽、截止频率和过渡带这些参数提供一定的依据。 

技术效果：理论分析和实验证明，在确定晶体探头频率和分离谱技术中滤波器组的各个参数时，通过参考散射强度-平均晶粒尺寸、回波基频-平均晶粒尺寸和散射强度-晶粒取向角度曲线，能够使检测***得到更高的信噪比从而提高***的检测灵敏度。在对20-50mm壁厚的承压铸铁烘缸实际检测中，采用改进分离谱技术与未采用分离谱技术相比较噪声降低了5.6dB，信号灵敏度提高了6.2dB；与采用常规分离谱技术相比较，噪声降低了3.1dB，信号灵敏度提高了4.2dB。 

附图说明

图1是散射强度-平均晶粒尺寸曲线示意图。为散射强度与试样平均晶粒尺寸关系的示意图，散射强度用散射回波幅度u标识。当超声波频率一定时，晶粒的平均尺寸越大，导致信号的散射强度呈上升趋势。当晶粒尺寸一定时，改变探超声波的频率，信号的散射强度随超声波的频率增高而增强。由示意图可知，通过选择合适频带的晶体探头，能够在一定程度上降低信号的散射程度，改善信噪比。 

图2回波基频-平均晶粒尺寸曲线示意图。为缺陷回波与试样平均晶粒尺寸关系的示意图。当探头的超声波频率一定时，缺陷回波的基频都是随着平均晶粒的增大而逐渐减小。当平均晶粒尺寸一定时，不同探测频率的超声波的回波信号的基频也不相同。参考此特性曲线，能够为分离谱技术实现过程中的滤波器数目、带宽及相邻滤波器的频率间隔提供有效的参考依据。 

图3为散射强度与材料内部晶粒取向角度关系的示意图。当探头的超声波频率一定时，晶粒取向角度也会对声波的散射产生不同程度的影响。且由其示意图可知，晶粒取向角度在45-70度之间时，散射回波的强度较小，导致声波的散射效应较弱。 

具体实施方式

承压铸铁设备超声波检测中改进分离谱方法的中心思想是：利用宽带超声波换能器进行超声检测时，对超声信号中回波和噪声分布进行频谱分析，分析得出针对此类材料晶粒情况和检测条件，结构噪声的频域特征和回波信号的频散特征，由此优化确定滤波器组的带宽、截止频率和过渡带参数，然后将超声信号通过设定好的N个频带相互重叠的滤波器，将这些时域信号经过基于某些特征的处理进行信号恢复，从而提高回波信号的信噪比和检测设备的检测灵敏度。 

至于滤波器组的带宽、截止频率和过渡带参数优化，与工件材料的晶粒特征有关，材料晶粒散射噪声的频谱、回波信号的频散与晶粒大小、晶粒取向角度存在一定关系。材料内部不同晶粒的尺寸对不同频率的超声波会产生不同强度的散射效应，晶粒取向角度的不同也会对超声探测波产生不同强度的散射响应，最终导致回波信号的频谱特征变化较大。我们选取一组(不低于5个样本)具有不同晶粒尺寸的标准的承压铸铁试块，采用不同探测频率的超声波进行反射式超声波检测方法，对标准试块进行多次超声探伤。首先，取表面反射波和底面反射波之间的回波信号，对不同试块均截取同一时间范围的一段波形，通过分析其频谱特征，取数据统计结 果最终可构造出一条散射强度-平均晶粒尺寸曲线示意图1。然后，对不同试块的回波信号分别进行傅里叶变换，找出其各自缺陷回波的最大峰值作为各自的基频F，取数据统计结果，最终可构造一条回波基频-平均晶粒尺寸曲线示意图2。最后，通过对内部晶粒取向角度不同的试块进行反复检测，分析散射回波的频谱幅度，最终也可绘制一条散射强度-晶粒取向角度的曲线示意图3。 

Claims (3)

1.一种承压铸铁设备超声探伤方法，其特征是：采用基于晶粒特征的改进分离谱信号处理方法。

2.如权利要求1所述的承压铸铁设备超声探伤方法，其特征是：承压铸铁设备超声探伤中，材料晶粒散射噪声的频谱、回波信号的频散与晶粒特征参量存在一定关系。

3.如权利要求1所述的承压铸铁设备超声探伤方法，其特征是：晶粒特征参量包括：平均晶粒尺寸和晶粒取向角度。