超声导波检测关键技术的发展与应用.doc

大庆石化情报课题

超声导波检测技术发展与应用

王学增 侯贵富 刘 华 王 辉
李媛媛 李健奇

大庆石化工程检测技术公司

12月8日
超声导波检测技术发展与应用
相对于老式超声波检测技术，超声导波具备传播距离远、速度快特点，因而在大型构件（如在役管道）和复合材料板壳无损检测中有良好应用前景。
一、超声导波技术原理
1.1超声导波产生　　
机械振动在弹性介质中传播称为弹性波（声波）。将弹性介质定义为波导，在波导中传播超声波称为超声导波。超声波本质是机械振动，在扰动源激发下产生，并通过介质传播，因而它既携带扰动源信息，同步又包括介质自身特性。
导波是由于声波在介质中不持续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂干涉和几何弥散而形成。
导致超声波弥散因素有物理弥散和几何弥散。物理弥散是由于介质特性而引起，而几何弥散是由于介质几何效应引起。超声导波技术则是运用传播介质几何上某些特性尺寸而导致几何工件往往有诸多声学性质不持续交界面存在。当介质中有一种以上交界面存在时，超声波就会在这些界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂干涉作用，由于受到这些界面几何尺寸影响，超声波传播速度将依赖于波频率，从而导致波几何弥散。由于超声波在交界面上复杂行为，如果工件交界面复杂无规则，则导波信号很难辨认，因此导波技术普通用于特殊规则工件（板、管、棒等）检测。无缝管中超声导波技术则是运用管子几何效应，在管子中激发导波。导波可沿轴向传播数米至数十米，因而运用管壁中沿管子轴向传播导波可对管子进行长距离迅速无损检测。
1.2 导波频散特性和谐振模式
1.2.1导波频散特性　　
　　当把被测物件视为无限均匀弹性介质时，各种类型反射波、透射波以及界面等以恒定速度传播，传播速度只与传播介质自身材质关于。而当超声波倾斜入射到各向同性管子边界上，波源处机械振动在管子中传播时，由于管子自由表面反射，波运动变为轴向运动和径向运动合成，使得超声波被拘束在管状边界内而形成导波。
　　频散是导波特性之一，即超声波相速度随频率不同而有所变化。频散特性是导波应用于复合材料无损检测重要根据。由于导波脉冲由各种不同频率谐波成分叠加而成，介质质点振动是各个波作用下振动合成，质点振动最大振幅传播速度（群速度）不同于各单个波传播速度（相速度），导波能量以群速度向前传播，相速度则随频率不同而有所变化。
　　导波在介质中传播特性与介质特性有很大关系。当前研究已不但仅局限于导波在各向同性弹性介质中传播特性，还涉及到各项异性和具备黏弹性材料。
导波相速度不但取决于探头频率，还与管材特性（涉及材质声学性质和规格尺寸）关于，虽然是同类材料管子，如果其壁厚和直径不同，其频散曲线也不同。这给导波技术实际检测应用带来了很大不便。在实验中可通过对探头频率调节和探头构造设计，选取恰当导波模式，并辅以信号解决和模式辨认等工具，来解决实际工程探伤问题。
1.2.2导波谐振模式
　　管中导波激发有各种办法，在不同构造探头勉励下，管子中可激发出不同谐振模式导波。管中常用导波谐振模式重要有两大类：一类是轴对称模式，另一类是非轴对称模式。
　　轴对称模式导波激发比较容易，可将探头以环状阵列放置在管子外侧，得到轴对称扭转模式导波，在此模式下，管子每个横截面都保持本来平面不变，并环绕其中心旋转，其轴线未被扰动而保持原状；将探头放于管子中，可从管内激发出管壁中轴对称纵向模式导波；还可用梳状探头等间隔振动单元发生周期性振动，激发出波长与梳状构造间隔相似导波（兰姆波）；此外，运用其他产生兰姆波办法也可实现轴对称纵向模式导波激发。对于这种模式，管子各个单元作伸展和收缩运动，但不会浮现轴线横向位移。而非轴对称模式导波，可由超声波斜探头置于管子上激发。所激发非轴对称模式导波可以理解为双螺旋形式，从探头处开始向管子两侧散开，到管子另一侧聚拢再散开，超声波以此方式沿管子轴向传播。

二、超声导波应用
超声导波（也称为制导波）产生机理与薄板中兰姆波勉励机理相类似，也是由于在空间有限介质内多次往复反射并进一步产生复杂叠加干涉以及几何弥散形成。但是对于管道检测，在普通管壁厚度下要产生恰当波型，则需要使用比普通超声波探伤低得多频率，导波普通使用频率f＜100KHz，因而导波对单个缺陷检出敏捷度与普通使用频率在MHz级别超声检测相比是比较低，但是导波检测长处是能传播20~30米长距离而衰减很小，因而可在一种位置固定脉冲回波阵列就可做大范畴检测，特别适合于检测在役管道内外壁腐蚀以及焊缝危险性缺陷。低频导波长距离超声检测法用于管道在役状态迅速检测，内外壁腐蚀可一次探测到，也能检出管子断面平面状缺陷。
在管道完整性检测中，超声导波检测技术具备老式无损检测办法无法比拟突出长处。一方面，由于超声导波沿传播途径衰减小，可沿管道传播几十米远距离，且回波信号包括管道整体性信息，因而，相对于超声检测、漏磁检测等常规无损检测技术，导波技术事实上是检测了一条线，而非一点。另一方面，由于超声导波在管内外表面和中部均有质点振动，声场远及整个壁厚，因而，整个壁厚都可以被检测到，这就意味着既可以检测管道内部缺陷也可以检测管道表面缺陷。当前已见报道关于超声导波检测技术应用实例涉及：带有保温层氨水管道、埋地水管、无保温层输送CO与H合成烃类淤浆管道、石油化工厂交叉管路、储槽坝壁管道、道路交叉口地下管道、天然气管道、炼油厂火焰加热器中垂直管路、带岩棉保温介质和漆层架空液化气管道等。
超声导波应用重要波型涉及-扭曲波（Torsinal Wave，也简称为扭波）和纵波（Longitudinal Wave）。
扭曲波特点是可以一边沿管子周向振动，一边沿管子轴向传播，声能受管道内部液体影响较小（在导波检测时，液体在管道中流动是容许），回波信号能包括管轴方向缺陷信息，普通能得到清晰回波信号，信号辨认较容易，在应用中需要换能器数量少，重量轻、费用省、因管内液体介质而产生扩散效应较小，波型转换较少，检测距离较长，对轴向缺陷敏捷度高。
纵波特点是一边沿管子轴向振动，一边沿管子轴向传播，回波幅度与缺陷性状关系不大，回波信号不如扭波清晰，由于受管内流体流动影响，也受探头接触面表面状态影响较大（油漆、凹凸等）受被测管内液体介质流动影响很大。

2.1检测装置
超声导波检测装置重要由固定在管子上探伤套环（探头矩阵）、检测装置本体（低频超声探伤仪）和用于控制和数据采样计算机三某些构成。

超声导波检测装置示意图
探头套环由一组并列等间隔环能器阵列构成，构成阵列换能器数量取决于管径大小和使用波型，换能器阵列绕管子周向布置。

探伤套环构造按管道尺寸采用不同节环-可以是一分为二，用螺丝固定以便于装拆（多用于直径较小管道），或者充气式环（柔性探头套环），靠空气压力紧套在管子上（多用于直径较大管道）。接触探头套环管子表面需要进行清理但不必耦合剂，亦即除安放探头环位置外，无需在清除和复原大面积包覆层或涂层上耗费功夫，这也是超声导波检测长处之一。超声导波探头套环上探头矩阵架在一种探测位置，就可向套环两侧远距离发射和接受100KHz如下回波信号，从而可对探头环两侧各20~30米长距离进行全面检测，可对整个管壁作100%检测，可检测难以接近区域，如有管夹、支座、套环管段，也可检测埋藏在地下暗管，以及交叉路面下或桥梁下管道等，因而减少因接近管道进行检测所需要各项费用。
2.2导波探头设计
　　在实际应用中，导波探头设计取决于如下几种方面：
    a）管中导波频散曲线；
　　b）待检查管件规格（涉及外径、壁厚等）与声学特性；
    c）检测敏捷度；
　　d）管件中缺陷性质（原始制造缺陷还是服役期间也许产生缺陷）；
    e）检测环境（涉及温度、表面状态等）。
2.3工作原理

探头阵列发出一束超声能量脉冲，此脉冲充斥整个圆周方向和整个管壁厚度，向远处传播，导波传播过程中遇到缺陷时,缺陷在径向截面上有一定面积,导波会在缺陷处返回一定比例反射波,因而可由同一探头阵列检出返回信号-反射波来发现和判断缺陷大小。管壁厚度中任何变化，无论内壁或外壁，都会产生反射信号，被探头阵列接受到，因而可以检出管子内外壁由腐蚀或侵蚀引起金属缺损（缺陷），依照缺陷产生附加波型转换信号，可以把金属缺损与管子外形特性（如焊缝轮廓等）辨认开来。
常规做法是在通过表面清理管道外表面逐点地进行超声测厚、抽检，而超声导波检测（又称长距离超声遥探法）让声波从一种探头环位置发射，沿管壁内外向远处传播，就能覆盖长距离管壁，在一定范畴内100%检测管壁从而对安全、经济具备重大价值，当前已经广泛应用于直径50～1200mm管道现场检测。
导波检测敏捷度用管道环状截面上金属缺损面积比例评价（测得量值为管子断面积比例），导波设备和计算机结合生成图像可供专业人员分析和判断超声导波检测得到回波信号基本上是脉冲回波型，有轴对称和非轴对称信号两种，检测中以法兰、焊缝回波做基准，依照回波幅度、距离、辨认是法兰或管壁横截面缺损率缺陷评价门限等以及轴对称和非轴对称信号幅度之比可以评价管壁减薄限度，能提供关于反射体位置和近似尺寸信息，拟定管道腐蚀周向和轴向位置，当前超声导波检测敏捷度可达到截面缺损率3%以上，即普通能检出占管壁截面3～9%以上缺陷区以及内外壁缺陷。缺陷检出和定位借助计算机软件程序显示和记录，减少操作判断依赖性（避免了操作者技能对检测成果影响），能提供重复性高、可靠检测成果。应当注意超声导波检测不提供壁厚直接量值，但对任何管壁深度和环向宽度范畴内金属缺损都较敏感，在一定限度上能测知缺陷轴向长度，这是由于沿管壁传播圆周导波会在每一点与环状截面互相作用，对截面减小比较敏捷。
2.4超声导波检测局限性
⑴需要通过实验选取最佳频率，需要采用模仿管壁减薄对比试样管；据当前最新技术资料简介，采用扫频技术，即在设定频率范畴内进行全频扫查，通过比较后拟定最适当实验频率，可以大大提高缺陷检出率；
⑵由于在检测中是以法兰、焊缝回波做基准，因而受焊缝余高（焊缝横截面）不均匀而影响评价精确限度；
⑶多重缺陷会产生叠加效应；
⑷对于外壁带有涂防锈油防腐包覆带或浇有沥青层等管道，超声导波可检范畴将明显缩短，这是由于防腐带（层）能引起导波有较大衰减；
⑸导波通过弯头后使回波信号检出敏捷度和辨别力受到影响，由于导波在圆周方向声程发生变化或者由于壁厚有变化而发生散射、波型转换和衰减，因而在一次检测距离段不适当有过多弯头；
⑹对于有各种形貌特性管段，例如在较短区段有各种T字头，就不也许进行可靠检查；
⑺最小可检缺陷、检测范畴随管子状态而异，对于有严重腐蚀管道，检测长度范畴有限；
⑻导波检测数据解释要由训练有素、特别是对复杂几何形状管道系统有丰富经验技术人员来进行。
因而，最佳把超声导波检测用作辨认怀疑区迅速检测手段，对检出缺陷定量只是近似，因而在有也许条件下还应采用更精准但速度较慢无损检测办法进行补充评价确认。亦即采用两步法：先用导波迅速检测管子，发现腐蚀减薄区，然后用普通直探头纵波法进行定量测定，取决于需要精度以及壁厚减薄局部性或普遍性，也可直接用导波遥控法定量测定壁厚。