超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1、2008大慶石化情報(bào)課題超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用王學(xué)增侯貴富劉華王輝李媛媛李健奇大慶石化工程檢測技術(shù)公司2008年12月8日超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用相對于傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)，超聲導(dǎo)波具有傳播距離遠(yuǎn)、速 度快的特點(diǎn)，因此在大型構(gòu)件（如在役管道）和復(fù)合材料板殼的無損 檢測中有良好的應(yīng)用前景。一、超聲導(dǎo)波技術(shù)的原理1.1超聲導(dǎo)波的產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播稱為彈性波（聲波）。將彈性介質(zhì) 定義為波導(dǎo)，在波導(dǎo)中傳播的超聲波稱為超聲導(dǎo)波。 超聲波的本質(zhì)是 機(jī)械振動(dòng)，在擾動(dòng)源的激發(fā)下產(chǎn)生，并通過介質(zhì)傳播，因而它既攜帶 擾動(dòng)源的信息，同時(shí)又包含介質(zhì)本身的特征。導(dǎo)波是由于聲波在介質(zhì)中的不連續(xù)交界面

2、間產(chǎn)生多次往復(fù)反射， 并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的。導(dǎo)致超聲波彌散的原因有物理彌散和幾何彌散。 物理彌散是由于 介質(zhì)的特性而引起的，而幾何彌散是由于介質(zhì)的幾何效應(yīng)引起。 超聲 導(dǎo)波技術(shù)則是利用傳播介質(zhì)幾何上某些特征尺寸而導(dǎo)致的幾何工件 往往有很多聲學(xué)性質(zhì)不連續(xù)的交界面存在。 當(dāng)介質(zhì)中有一個(gè)以上的交 界面存在時(shí)，超聲波就會(huì)在這些界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射， 并進(jìn)一步 產(chǎn)生復(fù)雜的干涉作用，由于受到這些界面幾何尺寸的影響， 超聲波的 傳播速度將依賴于波的頻率，從而導(dǎo)致波的幾何彌散。由于超聲波在 交界面上的復(fù)雜行為，如果工件的交界面復(fù)雜無規(guī)則，則導(dǎo)波信號(hào)很 難識(shí)別，所以導(dǎo)波技術(shù)一般用于特殊的規(guī)

3、則的工件（板、管、棒等） 檢測。無縫管中的超聲導(dǎo)波技術(shù)則是利用管子的幾何效應(yīng)，在管子中 激發(fā)導(dǎo)波。導(dǎo)波可沿軸向傳播數(shù)米至數(shù)十米，因此利用管壁中沿管子 軸向傳播的導(dǎo)波可對管子進(jìn)行長距離快速無損檢測。1.2導(dǎo)波的頻散特性和諧振模式1.2.1導(dǎo)波的頻散特性當(dāng)把被測物件視為無限均勻彈性介質(zhì)時(shí)，各種類型的反射波、透射波以及界面等以恒定的速度傳播，傳播速度只與傳播介質(zhì)本身材質(zhì) 有關(guān)。而當(dāng)超聲波傾斜入射到各向同性的管子邊界上，波源處的機(jī)械振動(dòng)在管子中傳播時(shí)，由于管子自由表面的反射，波運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩S向運(yùn) 動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)的合成，使得超聲波被拘束在管狀的邊界內(nèi)而形成導(dǎo) 波。頻散是導(dǎo)波的特征之一，即超聲波的相速度隨頻率不

4、同而有所變 化。頻散特性是導(dǎo)波應(yīng)用于復(fù)合材料無損檢測的主要依據(jù)。由于導(dǎo)波脈沖由多個(gè)不同頻率的諧波成分疊加而成， 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)是各個(gè)波作 用下振動(dòng)的合成，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最大振幅的傳播速度（群速度）不同于各 單個(gè)波的傳播速度（相速度），導(dǎo)波能量以群速度向前傳播，相速度 則隨頻率的不同而有所改變。導(dǎo)波在介質(zhì)中的傳播特性與介質(zhì)特性有很大的關(guān)系。 目前的研究 已不僅僅局限于導(dǎo)波在各向同性彈性介質(zhì)中的傳播特性， 還涉及到各 項(xiàng)異性和具有黏彈性的材料。導(dǎo)波相速度不僅取決于探頭頻率，還與管材的特性（包括材質(zhì)的 聲學(xué)性質(zhì)和規(guī)格尺寸）有關(guān)，即使是同類材料的管子，如果其壁厚和 直徑不同，其頻散曲線也不同。這給導(dǎo)波技術(shù)的實(shí)

5、際檢測應(yīng)用帶來了 很大的不便。在實(shí)驗(yàn)中可通過對探頭頻率的調(diào)節(jié)和探頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)波模式，并輔以信號(hào)處理和模式識(shí)別等工具， 來解決實(shí) 際工程的探傷問題。1.2.2導(dǎo)波的諧振模式管中導(dǎo)波的激發(fā)有多種方法，在不同結(jié)構(gòu)探頭的激勵(lì)下，管子中 可激發(fā)出不同諧振模式的導(dǎo)波。管中常見的導(dǎo)波諧振模式主要有兩大 類：一類是軸對稱模式，另一類是非軸對稱模式。軸對稱模式導(dǎo)波激發(fā)比較容易，可將探頭以環(huán)狀陣列放置在管子 外側(cè)，得到軸對稱扭轉(zhuǎn)模式的導(dǎo)波，在此模式下，管子的每個(gè)橫截面 都保持原來的平面不變，并圍繞其中心旋轉(zhuǎn)，其軸線未被擾動(dòng)而保持 原狀；將探頭放于管子中，可從管內(nèi)激發(fā)出管壁中的軸對稱縱向模式 導(dǎo)波；

6、還可用梳狀探頭等間隔的振動(dòng)單元發(fā)生周期性的振動(dòng)，激發(fā)出波長與梳狀結(jié)構(gòu)間隔相同的導(dǎo)波（蘭姆波）；另外，利用其它產(chǎn)生蘭 姆波的方法也可實(shí)現(xiàn)軸對稱縱向模式導(dǎo)波的激發(fā)。對于這種模式，管子的各個(gè)單元作伸展和收縮運(yùn)動(dòng)，但不會(huì)出現(xiàn)軸線的橫向位移。而非 軸對稱模式的導(dǎo)波，可由超聲波斜探頭置于管子上激發(fā)。 所激發(fā)的非 軸對稱模式導(dǎo)波可以理解為雙螺旋形式， 從探頭處開始向管子兩側(cè)散 開，到管子另一側(cè)聚攏再散開，超聲波以此方式沿管子軸向傳播。二、超聲導(dǎo)波的應(yīng)用超聲導(dǎo)波（也稱為制導(dǎo)波）的產(chǎn)生機(jī)理與薄板中的蘭姆波激勵(lì)機(jī) 理相類似，也是由于在空間有限的介質(zhì)內(nèi)多次往復(fù)反射并進(jìn)一步產(chǎn)生 復(fù)雜的疊加干涉以及幾何彌散形成的。 但

7、是對于管道檢測，在一般管 壁厚度下要產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牟ㄐ?，則需要使用比通常超聲波探傷低得多的 頻率，導(dǎo)波通常使用的頻率f vlOOKHz因此導(dǎo)波對單個(gè)缺陷的檢出 靈敏度與通常使用頻率在 MHZ級(jí)別的超聲檢測相比是比較低的，但是 導(dǎo)波檢測的優(yōu)點(diǎn)是能傳播2030米長距離而衰減很小，因此可在一個(gè) 位置固定脈沖回波陣列就可做大范圍的檢測， 特別適合于檢測在役管 道的內(nèi)外壁腐蝕以及焊縫的危險(xiǎn)性缺陷。 低頻導(dǎo)波長距離超聲檢測法 用于管道在役狀態(tài)的快速檢測，內(nèi)外壁腐蝕可一次探測到，也能檢出 管子斷面的平面狀缺陷。在管道的完整性檢測中，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有傳統(tǒng)無損檢測方 法無法比擬的突出優(yōu)點(diǎn)。一方面，由于超聲導(dǎo)波沿

8、傳播路徑衰減小， 可沿管道傳播幾十米遠(yuǎn)的距離，且回波信號(hào)包含管道整體性信息，因 此，相對于超聲檢測、漏磁檢測等常規(guī)無損檢測技術(shù)，導(dǎo)波技術(shù)實(shí)際 上是檢測了一條線，而非一點(diǎn)。另一方面，由于超聲導(dǎo)波在管的內(nèi)外 表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場遠(yuǎn)及整個(gè)壁厚，因此，整個(gè)壁厚都 可以被檢測到，這就意味著既可以檢測管道的內(nèi)部缺陷也可以檢測管 道的表面缺陷。目前已見報(bào)道的關(guān)于超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)應(yīng)用的實(shí)例包 括：帶有保溫層的氨水管道、埋地水管、無保溫層的輸送CO與 H合成烴類的淤漿管道、石油化工廠的交叉管路、儲(chǔ)槽壩壁的管道、道路 交叉口地下管道、天然氣管道、煉油廠火焰加熱器中的垂直管路、帶 巖棉保溫介質(zhì)和漆層的架空

9、液化氣管道等。超聲導(dǎo)波應(yīng)用的主要波型包括-扭曲波（Torsinal Wave也簡稱 為扭波）和縱波（Longitudinal Wave ）。扭曲波的特點(diǎn)是能夠一邊沿管子周向振動(dòng)，一邊沿管子軸向傳播，聲能受管道內(nèi)部液體影響較?。ㄔ趯?dǎo)波檢測時(shí)，液體在管道中流 動(dòng)是允許的），回波信號(hào)能包含管軸方向的缺陷信息，通常能得到清 晰的回波信號(hào)，信號(hào)識(shí)別較容易，在應(yīng)用中需要換能器數(shù)量少，重量 輕、費(fèi)用省、因管內(nèi)液體介質(zhì)而產(chǎn)生的擴(kuò)散效應(yīng)較小， 波型轉(zhuǎn)換較少， 檢測距離較長，對軸向缺陷靈敏度高。縱波特點(diǎn)是一邊沿管子軸向振動(dòng)， 一邊沿管子軸向傳播，回波幅 度與缺陷性狀關(guān)系不大，回波信號(hào)不如扭波清晰，因?yàn)槭芄軆?nèi)流體流

10、 動(dòng)的影響，也受探頭接觸面的表面狀態(tài)影響較大（油漆、凹凸等）受 被測管內(nèi)液體介質(zhì)流動(dòng)的影響很大。扭曲滅b）縱波2.1檢測裝置超聲導(dǎo)波檢測裝置主要由固定在管子上的探傷套環(huán) （探頭矩陣）、 檢測裝置本體（低頻超聲探傷儀）和用于控制和數(shù)據(jù)采樣的計(jì)算機(jī)三 部分組成。超聲導(dǎo)波檢測裝置示意圖探頭套環(huán)由一組并列的等間隔的環(huán)能器陣列組成， 組成陣列的換 能器數(shù)量取決于管徑大小和使用波型，換能器陣列繞管子周向布置。超蘆導(dǎo)波法橙測天然氣営道現(xiàn)場図吐環(huán)布富示意圈探傷套環(huán)的結(jié)構(gòu)按管道尺寸采用不同節(jié)環(huán) -可以是一分為二，用 螺絲固定以便于裝拆（多用于直徑較小的管道），或者充氣式環(huán)（柔 性探頭套環(huán)），靠空氣壓力緊套在管子

11、上（多用于直徑較大的管道）。 接觸探頭套環(huán)的管子表面需要進(jìn)行清理但無須耦合劑，亦即除安放探 頭環(huán)的位置外，無需在清除和復(fù)原大面積包覆層或涂層上花費(fèi)功夫， 這也是超聲導(dǎo)波檢測的優(yōu)點(diǎn)之一。超聲導(dǎo)波探頭套環(huán)上的探頭矩陣架 在一個(gè)探測位置，就可向套環(huán)兩側(cè)遠(yuǎn)距離發(fā)射和接收100KHZ以下的回波信號(hào)，從而可對探頭環(huán)兩側(cè)各 2030米的長距離進(jìn)行全面檢測，可對整個(gè)管壁作100%僉測，可檢測難以接近的區(qū)域，如有管夾、支 座、套環(huán)的管段，也可檢測埋藏在地下的暗管，以及交叉路面下或橋 梁下的管道等，因而減少因接近管道進(jìn)行檢測所需要的各項(xiàng)費(fèi)用2.2導(dǎo)波探頭設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)波探頭的設(shè)計(jì)取決于以下幾個(gè)方面：a）管中

12、導(dǎo)波的頻散曲線；b）待檢驗(yàn)管件的規(guī)格（包括外徑、壁厚等）與聲學(xué)特性；c ）檢測靈敏度；d）管件中缺陷的性質(zhì)（原始制造缺陷還是服役期間可能產(chǎn)生的缺陷）；e ）檢測環(huán)境（包括溫度、表面狀態(tài)等）。2.3工作原理超蘆測厚探頭管道鬲館的械超蘆檢測 aiS翩團(tuán)艘二超聲導(dǎo)渡觀測區(qū)域彥！管道的悵庫詔遇聲導(dǎo)減檢囲原理示意舸探頭陣列發(fā)出一束超聲能量脈沖，此脈沖充斥整個(gè)圓周方向和整 個(gè)管壁厚度，向遠(yuǎn)處傳播，導(dǎo)波傳輸過程中遇到缺陷時(shí) ，缺陷在徑向 截面上有一定的面積，導(dǎo)波會(huì)在缺陷處返回一定比例的反射波 ，因此 可由同一探頭陣列檢出返回信號(hào)-反射波來發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷的大小。 管壁厚度中的任何變化，無論內(nèi)壁或外壁，都會(huì)產(chǎn)生

13、反射信號(hào)，被探 頭陣列接收到，因此可以檢出管子內(nèi)外壁由腐蝕或侵蝕引起的金屬缺 損（缺陷），根據(jù)缺陷產(chǎn)生的附加波型轉(zhuǎn)換信號(hào)，可以把金屬缺損與 管子外形特征（如焊縫輪廓等）識(shí)別開來。常規(guī)做法是在經(jīng)過表面清理的管道外表面逐點(diǎn)地進(jìn)行超聲測厚、 抽檢，而超聲導(dǎo)波檢測（又稱長距離超聲遙探法）讓聲波從一個(gè)探頭 環(huán)位置發(fā)射，沿管壁內(nèi)外向遠(yuǎn)處傳播，就能覆蓋長距離的管壁，在一 定范圍內(nèi)100%僉測管壁，從而對安全、經(jīng)濟(jì)具有重大價(jià)值，目前已 經(jīng)廣泛應(yīng)用于直徑501200mm勺管道現(xiàn)場檢測。導(dǎo)波的檢測靈敏度用管道環(huán)狀截面上的金屬缺損面積的百分比 評(píng)價(jià)（測得的量值為管子斷面積的百分比），導(dǎo)波設(shè)備和計(jì)算機(jī)結(jié)合 生成的圖像

14、可供專業(yè)人員分析和判斷超聲導(dǎo)波檢測得到的回波信號(hào) 基本上是脈沖回波型，有軸對稱和非軸對稱信號(hào)兩種，檢測中以法蘭、 焊縫回波做基準(zhǔn)，根據(jù)回波幅度、距離、識(shí)別是法蘭或管壁橫截面缺 損率的缺陷評(píng)價(jià)門限等以及軸對稱和非軸對稱信號(hào)幅度之比可以評(píng) 價(jià)管壁減薄程度，能提供有關(guān)反射體位置和近似尺寸的信息，確定管道腐蝕的周向和軸向位置，目前超聲導(dǎo)波檢測靈敏度可達(dá)到截面缺損 率3鳩上，即一般能檢出占管壁截面39鳩上的缺陷區(qū)以及內(nèi)外壁 缺陷。缺陷的檢出和定位借助計(jì)算機(jī)軟件程序顯示和記錄，減少操作判斷的依賴性（避免了操作者技能對檢測結(jié)果的影響），能提供重復(fù) 性高、可靠的檢測結(jié)果。應(yīng)當(dāng)注意超聲導(dǎo)波檢測不提供壁厚的直接量

15、 值，但對任何管壁深度和環(huán)向?qū)挾确秶鷥?nèi)的金屬缺損都較敏感，在一 定程度上能測知缺陷的軸向長度，這是因?yàn)檠毓鼙趥鞑サ膱A周導(dǎo)波會(huì) 在每一點(diǎn)與環(huán)狀截面相互作用，對截面的減小比較靈敏。2.4超聲導(dǎo)波檢測的局限性需要通過實(shí)驗(yàn)選擇最佳頻率，需要采用模擬管壁減薄的對比試 樣管；據(jù)目前最新技術(shù)資料介紹，采用掃頻技術(shù)，即在設(shè)定頻率范圍 內(nèi)進(jìn)行全頻掃查，通過比較后確定最合適的實(shí)驗(yàn)頻率， 可以大大提高 缺陷的檢出率；因?yàn)樵跈z測中是以法蘭、焊縫回波做基準(zhǔn)，因此受焊縫余高（焊 縫橫截面）不均勻而影響評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確程度；多重缺陷會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)；對于外壁帶有涂防銹油的防腐包覆帶或澆有瀝青層等的管道， 超聲導(dǎo)波可檢范圍將明顯縮短，這是因?yàn)榉栏瘞В▽樱┠芤饘?dǎo)波有 較大的衰減；導(dǎo)波通過彎頭后使回波信號(hào)的檢出靈敏度和分辨力受到影響， 因?yàn)閷?dǎo)波在圓周方向聲程發(fā)生變化或者由于壁厚有變化而發(fā)生散射、 波型轉(zhuǎn)換和衰減，因此在一次檢測距離段不宜有過多彎頭；對于有多種形貌特征的管段，例如在較短的區(qū)段有多個(gè)T字頭，就不可能進(jìn)行可靠的檢驗(yàn)；最小可檢缺陷、檢測范圍