A. 簡述使用超聲波探傷判斷金屬內部裂紋的方法
鋼結構在現代工業中佔有重要地位，更是海洋石油行業重要的基礎設施，在國民經濟和社會發展中起到十分重要的作用。鋼結構在建造焊接過程中受到各種因素的影響，難免產生各種缺陷，甚至是裂紋等危害性較大的缺陷，若在建造過程中不及時發現並將其移除，將可能發生重大突發事件，甚至危及生命安全。因此，無損檢測在建造環節中尤為重要，目前常用的無損檢測方法有：射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測等，而超聲波檢測由於其效率高、靈敏度高、無輻射無污染等優點，在海洋鋼結構的建造中得到廣泛的應用。
1 超聲波檢測基礎
超聲檢測是指超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射波進行研究，對工件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表徵，並進而對其特定應用性進行評價的技術。
1.1 超聲波檢測原理
利用超聲波對材料中的宏觀缺陷進行探測，依據的是超聲波在材料中傳播時的一些特性，如：聲波在通過材料時能量會有損失，在遇到兩種介質的分界時，會發生反射等等，其工作原理是：
1）用某種方式向被檢試件中引入或激勵超聲波；
2）超聲波在試件中傳播並與其中的物體相互作用，其傳播的方向或特徵會被改變；
3）改變後的超聲波又通過檢測設備被檢測到，並可對其處理和分析；
4）根據接收的超聲波的特徵評估試件本身及其內部存在的缺陷特徵。
通常用以發現缺陷並對缺陷進行評估的基本信息為：
1）來自材料內部各種不連續的反射信號的存在及其幅值；
2）入射信號與接收信號之間的傳播時間；
3）聲波通過材料以後能量的衰減。
圖1 超聲檢測示意圖
1.2 超聲波檢測的優點和局限性
1.2.1 優點
與其他無損檢測方法相比，超聲檢測方法的主要優點有：
（1）適用於金屬、非金屬、復合材料等多種材料的無損評價。
（2）穿透能力強，可對較大厚度范圍的試件內部缺陷進行檢測，可進行整個試件體積的掃查。
（3）靈敏度高，可檢測到材料內部很小的缺陷。
（4）可較准確的測出缺陷的深度位置，這在很多情況下世十分必要的。
（5）設備輕便，對人體和環境無害，可作現場檢測。
1.2.2 局限性
（1）由於縱波脈沖反射法存在盲區，和缺陷取向對檢測靈敏度的影響，對位於表面和近表面的某些缺陷常常難以檢測。
（2）試件形狀的復雜性，如不規則形狀，小曲率半徑等，對超聲波檢測的課實施性有較大影響。
（3）材料的某些內部結構，如晶粒度，非均勻性等，會使靈敏度和信噪比變差。
2 橫向裂紋檢驗
橫向裂紋不僅給生產帶來困難，而且可能帶來災難性的事故。裂紋焊接中最危險的缺陷之一，他嚴重削弱了工件的承載能力和腐蝕能力，即使不太嚴重的裂紋，由於使用過程中造成應力集中，成為各種斷裂的斷裂源。正因為裂紋有如此大的危害性，像JB/T 4730， GB 11345，AWS D1.1， API RP 2X等國內外各大標准中都有「裂紋不可接受」等類似描述。而超聲波檢測對缺陷性質判定沒有射線檢測直觀，如果檢測方法不當等原因造成橫向裂紋的漏檢或誤判，其都有不良結果：若把其他缺陷判為橫向裂紋造成不必要的返修，進而影響材料韌性等性能；把裂紋判為點狀缺陷放過，則工程就存在較大的安全隱患。所以正確選擇探測方法和對回波特性分析，對橫向裂紋的超聲波檢測尤為重要。
2.1 探頭角度的選擇
縱波直探頭：橫向裂紋屬面狀缺陷，一般和探測面垂直，而0°直探頭適用於發現與探測面平行的缺陷，所以直探頭不能有效的探測出橫向裂紋。
橫波斜探頭：對同一缺陷，70°和60°探頭聲程較大，聲波能量由於被吸收和散射造成衰減嚴重，尤其只在檢測母材厚度較大的焊縫時，回波高度較低，對發現缺陷波和波形分析不利，進而影響是否為橫向裂紋的判定。而45°探頭具有聲束集中、聲程短衰減小，聲壓往復透射率高的特點，所以選用45°探頭具有良好的效果。圖2是70°，60°和45°探頭在相同的基準靈敏度的前提下，對同一橫向裂紋的回波比較：
（a）70°探頭回波 （b）60°探頭回波
（c）45°探頭回波
圖2 70°，60°和45°探頭對同一橫向裂紋的回波
2.2 橫向裂紋的掃查
圖3 焊縫UT掃查方式平面圖
常見的焊接缺陷（如夾渣、未熔合、未焊透等）大多與焊縫軸線平行或接近平行，或以點狀形式存在，針對這種情況，綜合使用圖3中的方式A、方式B和方式C即可，但該三種掃查方式對橫向裂紋等與焊縫軸線垂直（與聲束方向平行）的橫向缺陷無回波顯示，即無法被檢出。為能有效探出焊縫橫向裂紋應盡可能使聲束盡可能平行於焊縫。可用如下幾種掃查方式探測橫向裂紋：
2.2.1 騎縫掃查
如果焊縫較平滑或焊縫加強高已經打磨處理，探頭「騎」在焊縫上探測是檢查橫向裂紋的極為有效的方法，可採用在焊縫上直接掃查的方式，如圖3方式D所示。
2.2.2 斜平行掃查
若焊縫表面較為粗糙且不宜進行打磨處理，為探測出焊縫中的橫向裂紋，可用探頭與焊縫軸線成一個小角度或以平行於焊縫軸線方向移動掃查，如圖3方式E所示。 2.2.3 用雙探頭橫跨焊縫掃查法
將兩個斜探頭放在焊縫兩側，組成一發一收裝置，此時若焊縫中有橫向裂紋，發射的超聲波經反射後會被接收探頭接收從而檢出缺陷，如圖4所示。
圖4 雙探頭橫跨焊縫掃查法
該三種方法各有特點，斜平行掃查操作簡單、效率高、焊縫無需處理、耦合較好，但由於聲束方向與裂紋不能完全垂直而造成靈敏度不高；雙探頭橫跨焊縫掃查法操作精度要求高困難大、效率不高；騎縫掃查對焊縫表面要求較高，對埋弧焊或其他焊接方法但焊縫表面進過處理的焊縫，表面相對較平滑，能夠有效的耦合，該方法較為直接，且效率高，靈敏度高，所以在很多情況下「騎縫掃查」是首選。
2.3 掃查靈敏度
按照各項目業主所規定的標准調節。
3 橫向裂紋的判別
根據形狀，我們把缺陷分為點狀缺陷、線狀缺陷和面狀缺陷（裂紋、未熔合）。顯然，反射體形狀不同，超聲波反射特性必然存在一定的差異，反過來，通過分析反射波、缺陷位置、焊接工藝等信息，就可以推測缺陷的性質。
橫向裂紋具有較強的方向性，當聲束與裂紋垂直時，回波高度較大，波峰尖銳，探頭轉動時，聲束與裂紋角度變化，聲束能量被大量反射至其他位置而無法被探頭接收，回波高度急劇下降，這一特性是判定橫向裂紋的主要依據。
檢測過程中橫向裂紋的判別可以按以下步驟：
1）在掃查靈敏度下將探頭放在的焊縫縫上掃查（參考2.2節掃查方式）；
2）發現橫向顯示後，找到最高波，確定是否為缺陷回波；
3）定缺陷回波後，定出缺陷的具體位置，並在焊縫上做出標記；
4）探頭圍繞缺陷位置做環繞掃查（如圖5所示）；
圖5 環繞掃查示意圖 圖6 動態波形圖1
環繞掃查時回波高度基本相同，變化幅值不大，其動態波形如圖6所示，則可以判定其為點狀缺陷；若環繞掃查時其動態波形如圖7或圖8所示，結合靜態波形，可判斷為橫向裂紋，在條件允許的情況下可用同樣的方法到焊縫背面掃查確認。
圖7 動態波形圖2 圖8 動態波形圖3
5）若條件允許可打磨到裂紋深度，藉助磁粉檢驗（MT）進一步驗證。
圖9 橫向裂紋MT驗證
4 結論
超聲波探傷是檢出焊縫橫向裂紋的有效手段，尤其是厚壁焊縫，射線檢測靈敏度下降，難以發現其中的橫向裂紋。用超聲波檢測方法，選擇正確的參數、合適的掃查方式，掌握橫向裂紋的靜態和動態波形特點，能夠有效的判別橫向裂紋，這已舉措已經在海洋石油工程的各個項目中得到應用，並多次准確成功檢測出橫向裂紋，保證了多項工程質量。
B. 檢測葉片裂紋常用的方法
轉子系統是旋轉機械的重要部件，轉子裂紋擴展引起的葉片斷裂對於旋轉機械危害極大。對轉子葉片裂紋振動特性研究較多，對轉子葉片裂紋故障的診斷、識別技術研究較少，而轉子葉片裂紋及其擴展的識別對於最終實現葉片裂紋故障的診斷具有重要意義。在機械設備故障診斷中，通常採用基於平穩過程的經典信號處理方法——傅里葉變換分析和加窗傅里葉分析，分別僅從時域或頻域給出信號的統計平均結果，無法同時兼顧信號在時域和頻域的全貌和局部化特徵，而這些局部化特徵往往是故障的表徵。
裂紋產生的原因應力集中。採用有限元計算分析得出，轉輪在水壓力及離心力的作用下，大應力區主要分布在轉輪葉片周邊上，按第三強度理論計算的相當應力沿葉片周邊分布。一般轉輪葉片存在四個高應力區，他們的位置在葉片進水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處；葉片出水邊正面的中部；葉片出水邊背面靠近上冠處；葉片與下環連接區內。 鑄造缺陷及焊接缺陷。鑄造氣孔、鑄造砂眼等在外部應力的作用下可能會成為裂紋源，造成裂紋的產生。由於轉輪葉片與上冠、下環的厚度相差大，在冷卻過程中易產生縮孔、疏鬆等。鑄焊結構的轉輪，若焊接工藝不當或焊工沒有按照焊接工藝的要求進行焊接，在焊縫及熱影響區也會出現裂紋。
C. 轉子動力學基本概念
轉子動力學是研究所有與旋轉機械轉子及其部件和結構有關的動力學特性的學科，同時與流體力學中軸承與密封的潤滑密切相關，有著極強的工程應用背景，它廣泛應用於航空發動機、燃氣輪機、汽輪機、壓縮機、水輪機、渦輪泵、增壓器、柴油機、泵、電機等各種旋轉機械領域，研究范圍包括振動、動態響應、穩定性、動平衡、軸承特性、密封特性、強度、疲勞、可靠性、狀態監測、故障診斷和控制等方面，尤其是研究接近或超過臨界轉速運轉狀態下轉子的各種動力學問題。
首先看一下轉子動力學分析的一些基本概念。
一、振動形式，
按轉子-軸承系統的輸入，即振動原因可分為：
1. 強迫振動——
系統受外界持續激擾作用下所產生的振動，比如轉子不平衡產生的周期性的激振力下的轉子振動。特點：振動的頻率與激振頻率相關，一般由不平衡量引起的振動為1X振動，即振動頻率與轉速頻率一致。
2. 自激振動——由系統自身的交叉耦合剛度引起的振動形式，當有一個初始振動，不需要外界向振動系統輸送能量，振動即能保持下去。這種振動與外界激勵無關，完全是自己激勵自己，故稱為自激振動。比如軸瓦自激振動（半速渦動，油膜振盪），大容量汽輪機高壓轉子上的間隙自激振動。其特徵是：振動的頻率與轉速無關，而與其自然頻率相關。
二、按轉子—軸承系統的動力學參數的特性可分為：
線性轉子動力學分析——
通過線性化處理系統，包括軸承的剛度與阻尼等，分析系統的穩態響應，能用常系數線性微分方程描述的振動。
非線性轉子動力學分析——系數的阻尼力或彈性恢復力具有非線性性質，只能用非線性微分方程來描述。比如，所有的軸承作用力均為非線性力，嚴格來講，與滑動軸承油膜力相關的轉子動力學問題均為非線性轉子動力學；還有裂紋轉子的動力學分析等也屬於非線性領域。
三、按振動位移的特徵可分為：
橫向振動—轉子只作垂直軸線方向的振動。
扭轉振動—轉子繞其縱軸產生扭轉變形的振動。
縱向振動—轉子只作沿軸線方向的振動。
從哪方面入手學習轉子動力學？
這么多的分類，我們該怎麼學習和操作呢？
實際上，採用線性化處理的方法，可以處理大部分旋轉機械工程領域遇到的轉子動力學問題，給出令人滿意的解釋。這是因為轉子上作用著的所有力大部分是線性化或者可以線性化的，例如轉子動力學中對轉子-軸承系統穩定性問題的研究，一般採用8個線性化的剛度與阻尼特性系數的油膜力模型，就可以得到較為准確的分析結果，可以滿足在工程領域中的各種應用。
因此，作為廣大從事旋轉機械轉子動力學工程領域的技術人員以及初學者而言，可以將關注點放在
線性轉子動力學
上。
我並沒有否定非線性轉子動力學的意義，旋轉機械中如果有非線性激勵源的存在，出現線性轉子動力學不太好解釋的現象，比如轉子裂紋等，那就需要進行非線性轉子動力學分析。需要說明的是，對線性轉子動力學知識體系建立的越深入、掌握的越全面，後續進行非線性轉子動力學分析時上手才會更容易，認識才會更清晰，二者並不矛盾，主要看大家各自階段的需求。
在轉子橫向振動、扭轉振動以及軸向振動三種振動形式中，橫向振動是最為常見的振動形式。可以先從
線性轉子動力學的橫向振動
入手做起。
轉子動力學與結構動力學有啥區別？
我曾發現有些從業者對轉子動力學的方程概念不清，經常與結構動力學方程式混為一談，我認為這兩者有必要專門進行區分。
從定義上，
結構動力學是結構力學的一個分支，著重研究結構對於動載荷的響應(如位移、應力等的時間歷程)，以便確定結構的承載能力和動力學特性，或為改善結構的性能提供依據。比如，風載荷作用下大型橋梁、高層結構的振動問題；車輛行進過程中由於路面凹凸不平引起的車輛振動；波浪載荷作用下輪船的動力反應或者海上鑽井平台的動力反應。
而轉子動力學是固體力學的一個分支，研究對象為旋轉機械，研究其過各階臨界轉速及其工作轉速下的動力學特性等問題。比如，轉子系統的動力學建模及分析計算方法，轉子的臨界轉速，振型，不平衡響應，支承轉子的各種軸承的動力學特性，轉子應變能，轉子動平衡，轉子穩定性，密封動力學，轉子系統的故障機理與診斷方法，轉子系統的動力學設計，轉子系統的非線性振動、分叉與混沌等問題。
簡言之，就定義而言，兩者的主要區別在於，結構動力學側重於研究
「不轉」
的結構件在某種載荷下的動力學反應，轉子動力學主要研究
的旋轉機械工程領域的各種動力學問題。轉子動力學。