超聲導(dǎo)波技術(shù)簡介

1、無損檢測新技術(shù)-超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)簡介夏紀(jì)真廣州市番禺區(qū)南村鎮(zhèn)恒生花園14梯701 郵編：511442摘要：本文簡單介紹了超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍、基本原理及局限性。關(guān)鍵詞：無損檢測 超聲檢測 超聲導(dǎo)波1 綜述超聲導(dǎo)波（Ultrasonic Guided Wave）檢測技術(shù)（又稱長距離超聲遙探法）主要用于在線管道檢測，包括低碳鋼、碳錳鋼、奧氏體不銹鋼、二重不銹鋼等材料的無縫管、縱焊管、螺旋焊管?？蓱?yīng)用于油、氣管網(wǎng)（如天然氣管道、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）及石油化工廠的管網(wǎng)（如無保溫層的輸送CO與H合成烴類的淤漿管道、石油化工廠的交叉管路），碼頭管線、管

2、區(qū)的連接管網(wǎng)，海上石油管網(wǎng)/導(dǎo)管（如海洋平臺豎管、球管柱腿），水下管道、電廠管網(wǎng)，結(jié)構(gòu)管系，穿路/過堤管道（例如埋地水管、儲槽壩壁的管道、道路交叉口地下管道），復(fù)雜或抬高管網(wǎng)（例如高架管道、垂直或水平或彎曲管道），保溫層下管道（例如帶有保溫層的氨水管道）、帶有套管的管道，以及帶有保護(hù)層（例如涂層、聚氨基甲酸酯泡沫保溫層、巖棉保溫層、環(huán)氧樹脂涂層、瀝青環(huán)氧樹脂涂層、PVC涂層、油漆、瀝青卷繞等）的管道。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)能檢出管道中的內(nèi)外部腐蝕或沖蝕、環(huán)向裂紋、焊縫錯(cuò)邊、焊接缺陷、疲勞裂紋等缺陷。最新的利用磁致伸縮換能器的超聲導(dǎo)波檢測已能應(yīng)用于非鐵磁性材料和非金屬材料，除了管道檢測，還能用于棒材、

3、鋼索、電纜以及板盤件的檢測。超聲導(dǎo)波檢測的優(yōu)點(diǎn)是能傳播長距離而衰減很小，在一個(gè)位置固定脈沖回波陣列就可一次性對管壁進(jìn)行長距離大范圍的100%快速檢測（100%覆蓋管道壁厚），檢測過程簡單，不需要耦合劑，工作溫度可達(dá)-40938范圍，只需要?jiǎng)冸x一小塊防腐層以放置探頭環(huán)即可進(jìn)行檢測，特別是對于地下埋管不開挖狀態(tài)下的長距離檢測更具有獨(dú)特的優(yōu)勢。2 超聲導(dǎo)波檢測的基本原理超聲導(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。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

4、（Longitudinal Wave）。如圖1所示。圖1超聲導(dǎo)波應(yīng)用的主要波型扭曲波的特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)沿管子周向振動，波動沿管子軸向傳播，聲能受管道內(nèi)部液體填充物影響較?。ㄔ谧鞒晫?dǎo)波檢測時(shí)，允許液體在管道中流動），對縱向較深的裂縫和橫截面積損失靈敏度高，可以在較寬頻率范圍內(nèi)使用，回波信號能包含管軸方向的缺陷信息，通常能得到清晰的回波信號，信號識別較容易，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?？v波特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)沿管子軸向振動，波動沿管子軸向傳播，回波幅度與缺陷形狀關(guān)系不大，僅能在較窄的頻率范圍內(nèi)使用，回波信號不如扭曲

5、波清晰，受被測管內(nèi)液體介質(zhì)流動的影響很大，也受探頭接觸面的表面狀態(tài)（油漆、凹凸等）影響較大，對管道上橫截面積損失的靈敏度很高。兩種模式的檢測波形各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可以互為補(bǔ)充。超聲導(dǎo)波檢測的工作原理：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，當(dāng)遇到管子內(nèi)外壁腐蝕或缺陷引起的金屬缺損時(shí)，由于管道橫截面（厚度）發(fā)生了改變，在缺損處會有反射波返回，通過儀器分析由同一探頭陣列檢出的反射信號即可探知管道的內(nèi)外部缺陷位置、大小和腐蝕狀況。超聲導(dǎo)波檢測儀器能夠自動識別超聲導(dǎo)波的模式（縱波和扭轉(zhuǎn)波），能夠區(qū)分管道的腐蝕情況和管道的特征（支撐、彎頭、三通、法蘭、焊縫輪廓等

6、）。圖2示出管道腐蝕的常規(guī)超聲波檢測與長距離超聲導(dǎo)波檢測的方法原理示意圖。常規(guī)超聲波檢測是在經(jīng)過表面清理的管道外表面逐點(diǎn)掃查或抽檢進(jìn)行超聲測厚，而超聲導(dǎo)波檢測是以探頭環(huán)位置發(fā)射低頻導(dǎo)波沿管線向遠(yuǎn)處傳播，甚至在保溫層下面?zhèn)鞑ィ淮尉湍茉谝欢ǚ秶鷥?nèi)100%覆蓋長距離的管壁進(jìn)行檢測，反射回波經(jīng)探頭被儀器接收，并由此評價(jià)管道的腐蝕狀況，架設(shè)在一個(gè)探測位置的探頭陣列可向兩側(cè)長距離發(fā)射導(dǎo)波和接收回波信號，從而可對探頭套環(huán)兩側(cè)的長距離管壁作100%檢測，從而達(dá)到更長的檢測距離，目前已經(jīng)能夠應(yīng)用于直徑1.580英寸、壁厚達(dá)1.5英寸的管道現(xiàn)場檢測，理想狀態(tài)下可以沿管壁單方向傳播最長達(dá)200米。圖2常規(guī)超聲波檢

7、測與長距離超聲導(dǎo)波檢測超聲導(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（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。探頭套環(huán)由一組并列的等間隔的換能器陣列組成（超聲導(dǎo)波的激發(fā)方式包括壓電換能器、電磁-超聲換能器和磁致伸縮換能器），組成陣列的換能器數(shù)量取決于管徑大小和使用的波型，換能器陣列繞管子周向布置。探頭套環(huán)的結(jié)構(gòu)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），或者是柔性探頭套環(huán)（充氣式探頭套環(huán)），采用內(nèi)置氣泵靠空氣壓力保證探頭與管體充分接觸（多用于直徑較大的管道），也有的磁致伸縮換能器采用環(huán)氧樹脂膠粘接（適用于管道外表面狀態(tài)較差的情況，且檢測靈敏

8、度高于前面的機(jī)械干耦合方式）。接觸探頭套環(huán)的管子表面需要進(jìn)行清理但無需耦合劑，除安放探頭套環(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，不開挖、不拆保溫層，從而大大減少了為接近管道所需要的各項(xiàng)費(fèi)用，降低了檢測成本，這也是超聲導(dǎo)波檢測的優(yōu)點(diǎn)之一。因此可應(yīng)用于常規(guī)超聲檢測難以接近的區(qū)域，如有管夾、支座、套環(huán)的管段，套管、穿公路、過河等埋地管線、水下管線，以及交叉路面下或橋梁下的管道等。圖3英國TWI集團(tuán)現(xiàn)場安裝柔性探頭套環(huán)的情景。超聲導(dǎo)波探頭套環(huán)在管道上的安裝如圖3所示。超聲導(dǎo)波通常使用的激勵(lì)頻率范圍為5100KHz，因此對單個(gè)缺陷的檢出靈敏度與通常使用頻率在MHz級別的超聲檢測相比是

9、比較低的，所得到的回波信號基本上是脈沖回波型，其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價(jià)，導(dǎo)波設(shè)備和計(jì)算機(jī)結(jié)合生成的圖像可供專業(yè)人員分析和判斷，缺陷的檢出和定位借助計(jì)算機(jī)軟件程序顯示和記錄，減少人工操作判斷的依賴性，能提供重復(fù)性高、可靠的檢測結(jié)果。目前的超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)已能達(dá)到的檢測精度為管子橫截面積的0.71%，可靠精度能達(dá)到管子橫截面積的59%，缺陷定位精度可達(dá)到±6cm，缺陷環(huán)向定位精度可達(dá)22°。軸向定位精度與主機(jī)系統(tǒng)的信噪比和所采用的工作頻率有關(guān)，一般可達(dá)到稍大于一倍波長。檢測盲區(qū)的大小與所采用的檢測頻率有關(guān)，一般稍大于三倍波長。圖4為超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

10、的部分應(yīng)用示意圖。超聲導(dǎo)波檢測的回波信號顯示示意圖圖4超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的部分應(yīng)用示意圖3 超聲導(dǎo)波檢測的局限性超聲導(dǎo)波檢測時(shí)，若管道內(nèi)存在特大面積的腐蝕和嚴(yán)重腐蝕會造成信號衰減而影響一次檢測的有效距離，如果存在多重缺陷時(shí)還會產(chǎn)生疊加效應(yīng)；超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)采用的是低頻超聲波，無法發(fā)現(xiàn)總橫截面損失量沒有超過檢測靈敏度的細(xì)小裂紋、縱向缺陷、小而孤立的腐蝕坑或腐蝕穿孔；超聲導(dǎo)波檢測需要通過實(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；檢測中通常以法蘭、焊縫回波做基準(zhǔn)，受焊縫余高（焊縫橫截面）不均勻而影響評價(jià)的準(zhǔn)確程度；超聲導(dǎo)波的有效檢測距離除了與導(dǎo)波的頻率、模式有關(guān)外，還與例如埋地管的瀝青防腐絕緣層、埋地深度、周圍土壤的壓緊程度及土壤特性，或管道保溫層以及管道本身的腐蝕情況與程度等相關(guān)；超聲導(dǎo)波一次檢測距離段不宜有過多彎頭（一般不宜超過23個(gè)彎頭，且適合曲率半徑大于管道直徑3倍的彎頭）；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)；超聲導(dǎo)波的最小可檢缺陷、檢測范圍隨管子狀態(tài)而異；超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)的解釋要由訓(xùn)練有素、特別是對復(fù)雜幾何形狀的管道系統(tǒng)有豐富經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來進(jìn)行。由于超聲導(dǎo)波檢測不能提供壁厚的直接量值，因此最好把超聲導(dǎo)波檢測用作識別懷疑區(qū)的快速檢測手段，對檢出缺陷的定量只是近似的，如果需要更