超聲導(dǎo)波檢測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)公司2008年12月8日10超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用相對(duì)于傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)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(chēng)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(chēng)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(guò)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

2、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(lài)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(wú)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)則的工件（板、管、棒等）

3、檢測(cè)。無(wú)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(duì)管子進(jìn)行長(zhǎng)距離快速無(wú)損檢測(cè)。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(cè)物件視為無(wú)限均勻彈性介質(zhì)時(shí)，各種類(lèi)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同而有所變化。頻散特性是導(dǎo)波應(yīng)用于

4、復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)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(lèi)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)際檢測(cè)應(yīng)用帶來(lái)了很大的不便。在實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)對(duì)探頭頻率的調(diào)

5、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(lái)解決實(shí)際工程的探傷問(wèn)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(jiàn)的導(dǎo)波諧振模式主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是軸對(duì)稱(chēng)模式，另一類(lèi)是非軸對(duì)稱(chēng)模式。軸對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)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(lái)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(duì)稱(chēng)縱向模式導(dǎo)波；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(zhǎng)與梳狀結(jié)構(gòu)間隔相同

6、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(duì)稱(chēng)縱向模式導(dǎo)波的激發(fā)。對(duì)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(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)模式導(dǎo)波可以理解為雙螺旋形式，從探頭處開(kāi)始向管子兩側(cè)散開(kāi)，到管子另一側(cè)聚攏再散開(kāi)，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(chēng)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(lèi)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。但是對(duì)于管道檢測(cè)，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

7、通常使用的頻率f100KHz，因此導(dǎo)波對(duì)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(cè)相比是比較低的，但是導(dǎo)波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是能傳播2030米長(zhǎng)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(cè)，特別適合于檢測(cè)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(zhǎng)距離超聲檢測(cè)法用于管道在役狀態(tài)的快速檢測(cè)，內(nèi)外壁腐蝕可一次探測(cè)到，也能檢出管子斷面的平面狀缺陷。在管道的完整性檢測(cè)中，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法無(wú)法比擬的突出優(yōu)點(diǎn)。一方面，由于超聲導(dǎo)波沿傳播路徑衰減小，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(duì)于超聲檢測(cè)、漏磁檢測(cè)等常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技

8、術(shù)，導(dǎo)波技術(shù)實(shí)際上是檢測(cè)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(chǎng)遠(yuǎn)及整個(gè)壁厚，因此，整個(gè)壁厚都可以被檢測(cè)到，這就意味著既可以檢測(cè)管道的內(nèi)部缺陷也可以檢測(cè)管道的表面缺陷。目前已見(jiàn)報(bào)道的關(guān)于超聲導(dǎo)波檢測(cè)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(wú)保溫層的輸送CO與H合成烴類(lèi)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(jiǎn)稱(chēng)為扭波）和縱波（Longitudinal Wave）。扭

9、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)部液體影響較小（在導(dǎo)波檢測(cè)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(cè)距離較長(zhǎng)，對(duì)軸向缺陷靈敏度高?？v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(cè)管內(nèi)液體介質(zhì)流動(dòng)的影響很大。2.1檢測(cè)裝置超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置主要由固定在管子上的探傷套環(huán)（探頭

10、矩陣）、檢測(cè)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(cè)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。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(wú)須耦合劑，亦即除安放探頭環(huán)的位置外，無(wú)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(cè)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(cè)位置，就可向套環(huán)

11、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(duì)探頭環(huán)兩側(cè)各2030米的長(zhǎng)距離進(jìn)行全面檢測(cè)，可對(duì)整個(gè)管壁作100%檢測(cè)，可檢測(cè)難以接近的區(qū)域，如有管夾、支座、套環(huán)的管段，也可檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)環(huán)境（包括溫度、表面狀態(tài)等）。2.3工作原理探頭陣列發(fā)出一束超聲能量脈沖，此脈沖充斥

12、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(guò)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(lái)發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷的大小。管壁厚度中的任何變化，無(wú)論內(nèi)壁或外壁，都會(huì)產(chǎn)生反射信號(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(kāi)來(lái)。常規(guī)做法是在經(jīng)過(guò)表面清理的管道外表面逐點(diǎn)地進(jìn)行超聲測(cè)厚、抽檢，而超聲導(dǎo)波檢測(cè)（又稱(chēng)長(zhǎng)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(zhǎng)距離的管壁，在一定范圍內(nèi)1

13、00%檢測(cè)管壁，從而對(duì)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的管道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。導(dǎo)波的檢測(cè)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(cè)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)合生成的圖像可供專(zhuān)業(yè)人員分析和判斷超聲導(dǎo)波檢測(cè)得到的回波信號(hào)基本上是脈沖回波型，有軸對(duì)稱(chēng)和非軸對(duì)稱(chēng)信號(hào)兩種，檢測(cè)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(mén)限等以及軸對(duì)稱(chēng)和非軸對(duì)稱(chēng)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(cè)靈敏度可達(dá)到截面缺損率3%以上，即一般能檢出占管

14、壁截面39%以上的缺陷區(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(lài)性（避免了操作者技能對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響），能提供重復(fù)性高、可靠的檢測(cè)結(jié)果。應(yīng)當(dāng)注意超聲導(dǎo)波檢測(cè)不提供壁厚的直接量值，但對(duì)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(cè)知缺陷的軸向長(zhǎng)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(duì)截面的減小比較靈敏。2.4超聲導(dǎo)波檢測(cè)的局限性需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇最佳頻率，需要采用模擬管壁減薄的對(duì)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(guò)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(cè)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(duì)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(guò)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(cè)距離段不宜有過(guò)多彎頭；對(duì)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(cè)范圍隨管子狀