儲(chǔ)罐底板的在役超聲高頻導(dǎo)波檢測(cè)

鄧 進(jìn)，李 兵，劉書(shū)宏，魏孔山

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013；2.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；3.化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，蘭州 730060）

超聲導(dǎo)波與傳統(tǒng)超聲波技術(shù)相比具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)［1］。首先，在構(gòu)件的一點(diǎn)處激勵(lì)超聲導(dǎo)波，由于導(dǎo)波本身沿傳播路徑衰減很小的特性，它可以沿構(gòu)件傳播非常遠(yuǎn)的距離，最遠(yuǎn)可達(dá)幾十米。超聲導(dǎo)波具有傳播距離遠(yuǎn)、檢測(cè)范圍大的優(yōu)點(diǎn)，常用于板中的缺陷檢測(cè)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估［2－3］。另一方面，由于超聲導(dǎo)波在管（或板）的內(nèi)、外（上、下）表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場(chǎng)遍及整個(gè)壁厚（板厚），因此整個(gè)壁厚（或板厚）都可以被檢測(cè)到，這就意味著既可以檢測(cè)構(gòu)件的內(nèi)部缺陷也可以檢測(cè)構(gòu)件的表面缺陷。金屬儲(chǔ)罐常年在自然環(huán)境下工作，遭受內(nèi)含物的侵蝕，不可避免地會(huì)受到腐蝕。一旦儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，將對(duì)生產(chǎn)生活產(chǎn)生巨大損失，因此，儲(chǔ)罐腐蝕檢測(cè)顯得尤為重要［4］。利用超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)管道時(shí)具有快速、可靠、經(jīng)濟(jì)且無(wú)須剝離包覆層的優(yōu)點(diǎn)。

1 導(dǎo)波檢測(cè)原理

采用導(dǎo)波進(jìn)行儲(chǔ)罐底板在線檢測(cè)時(shí)，探頭在儲(chǔ)罐底板外露部分激發(fā)Lamb波，并接收底板上缺陷返回的反射波，通過(guò)分析處理獲得儲(chǔ)罐罐底的腐蝕狀況［5］。探頭激勵(lì)超聲導(dǎo)波，板的整個(gè)厚度都在作復(fù)雜的振動(dòng)，根據(jù)聲波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的特點(diǎn)，導(dǎo)波分為對(duì)稱（S）型和反對(duì)稱（A）型，每種型式又可以進(jìn)一步分成具有不同相速度cp的若干模式，通常用S0，S1，S2，A0，A1，A2表示不同的形式和階次（即模態(tài)）。當(dāng)超聲導(dǎo)波遇到板中的缺陷后，就會(huì)出現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，并且波形有不同程度頻散和衰減。通過(guò)對(duì)缺陷回波的數(shù)值分析和信號(hào)處理，可以得到缺陷位置和大小等信息。板中的導(dǎo)波頻散方程［6］如下所示：

群速度cg可以由相速度cp得到，如式（2）所示：

式中：cg和cp分別為群速度和相速度。

由上述方程可以得到薄板中各模態(tài)的相速度頻散曲線和群速度頻散曲線。以相速度為自變量，以函數(shù)間斷點(diǎn)劃分求解區(qū)域，用Matlab軟件可以繪制出導(dǎo)波在鋼板中傳播時(shí)的頻散曲線［7］。

不同模態(tài)的導(dǎo)波在缺陷的不同板厚處，質(zhì)點(diǎn)水平垂直振動(dòng)位移不同，對(duì)不同缺陷的檢出能力不一樣。因此，對(duì)于特定的缺陷，可以通過(guò)改變?nèi)肷浣恰㈩l率等方式激勵(lì)一定模態(tài)的導(dǎo)波。實(shí)際探傷中的導(dǎo)波模態(tài)是非常復(fù)雜的。由于儲(chǔ)罐經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的使用，經(jīng)過(guò)風(fēng)吹日曬和儲(chǔ)罐內(nèi)溶液的腐蝕，使得表面粗糙，截面形狀不規(guī)則，所以在檢測(cè)中常采用對(duì)比試塊的方法對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測(cè)。

2 探頭的選擇

在采用超聲高頻導(dǎo)波檢測(cè)中，依據(jù)被檢工件厚度選擇探頭頻率和折射角度，見(jiàn)表1。

表1 高頻導(dǎo)波探頭選擇

3 人工試塊的研制

試塊上加工了不同種類和尺寸的人工缺陷，缺陷信息見(jiàn)表2。

表2 試塊人工缺陷參數(shù)

圖1為試塊俯視圖，加粗線條部分代表B1，B2，C1，C2四塊罐罐壁板。B1壁板厚度為22mm，由高度分別為1 000mm和500mm兩部分組成，詳見(jiàn)圖2，B2，C1，C2厚度和高度均分別為6mm 和100mm；整個(gè)試塊底板厚度為12mm，底板邊緣到壁板焊接部位，預(yù)留200mm，用于放置探頭。

圖1 試塊俯視圖

圖2 B1壁板主視圖

在B1和B2壁板側(cè)使用高頻導(dǎo)波對(duì)五種負(fù)載下的試塊進(jìn)行檢測(cè)，分別為無(wú)負(fù)載、帶油漆、帶壁板、帶壁板帶油漆和帶壁板注油，并且研究了不同壁厚的壁板對(duì)導(dǎo)波的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析在不同情況下高頻導(dǎo)波的檢測(cè)能力。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用以色列Isonic 2005便攜式聲定位多功能超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)，如圖3所示。試驗(yàn)參數(shù)：脈沖重復(fù)頻率為500Hz，脈沖寬度為155ns，阻尼為1 000Ω，濾波頻率為2MHz。圖4為不同頻率的導(dǎo)波探頭。

圖3 Isonic 2005檢測(cè)儀

圖4 導(dǎo)波探頭

4.1 無(wú)負(fù)載時(shí)高頻導(dǎo)波掃查

對(duì)沒(méi)有任何負(fù)載的試塊在B1側(cè)和B2側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，試塊上所有19個(gè)不同尺寸的缺陷回波能量高、輪廓清晰。B1側(cè)（2區(qū)）掃查圖如圖5所示。

圖5 B1側(cè)（2區(qū)）掃查圖譜

4.2 壁板厚度對(duì)高頻導(dǎo)波影響

試驗(yàn)壁板厚度有兩種規(guī)格，B1壁板厚度為16mm，其他三個(gè)壁板厚度均為6mm。因此厚度對(duì)高頻導(dǎo)波的影響我們可以通過(guò)在B1側(cè)的掃查和B2側(cè)的掃查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出。掃查結(jié)果如圖6所示。

圖6 壁板16mm和6mm的掃查圖譜

通過(guò)圖6分析可以發(fā)現(xiàn)，壁板厚的高頻導(dǎo)波始波寬度比壁板薄的小，掃查時(shí)前端盲區(qū)也小。通過(guò)此次試驗(yàn)，可以得出結(jié)論：壁板越薄對(duì)高頻導(dǎo)波的衰減越大。

4.3 帶壁板無(wú)油漆注油缺陷底板掃查

帶壁板注油試塊實(shí)物圖如圖7所示。高頻導(dǎo)波在不同邊界條件下的傳播特性各不相同，油層改變了高頻導(dǎo)波的傳播特性，對(duì)導(dǎo)波能量有衰減作用。油層使得高頻導(dǎo)波始波盲區(qū)明顯增大，缺陷回波能量減弱，對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生不利影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高頻導(dǎo)波標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷雖然能量減小，但是仍然能清晰顯示缺陷。如圖8所示。

圖7 帶壁板注油試塊實(shí)物

圖8 帶壁板注油掃查圖譜

表3和表4分別表示從B1側(cè)和B2側(cè)掃查的缺陷回波幅值。無(wú)負(fù)載試塊中缺陷均有較強(qiáng)的回波能量，其中槽型缺陷回波能量較大，高頻導(dǎo)波對(duì)發(fā)現(xiàn)此類缺陷有較高的靈敏度。高頻導(dǎo)波經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳播，能量衰減。儲(chǔ)罐壁板面積較大，所以在儲(chǔ)罐檢測(cè)中，從不同方向，分多個(gè)區(qū)對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行檢測(cè)尤為重要。

上述五種不同條件的高頻導(dǎo)波對(duì)比試驗(yàn)中，油漆、儲(chǔ)罐內(nèi)的溶液，壁板及壁板厚度都對(duì)高頻導(dǎo)波能量有明顯的衰減作用，檢測(cè)靈敏度下降，增大了檢測(cè)難度。但是在試驗(yàn)中都能清晰地發(fā)現(xiàn)人工缺陷3，4，5，14，15，說(shuō)明高頻導(dǎo)波檢測(cè)方法能滿足對(duì)儲(chǔ)罐底板的檢測(cè)，能有效發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板的腐蝕缺陷。

表3 從壁板B1側(cè)掃查缺陷回波幅值 dB

表4 從壁板B2側(cè)掃查缺陷回波幅值 dB

5 在役檢測(cè)試驗(yàn)

通過(guò)罐體外側(cè)邊緣板采用檢測(cè)T－8401A常壓儲(chǔ)罐罐底板腐蝕情況。超聲高頻導(dǎo)波檢測(cè)部位示意圖，如圖9所示。

圖9 T－8401A罐俯視圖

檢測(cè)時(shí)以偏東方向人孔左邊為起始點(diǎn)，每450mm為一個(gè)掃查區(qū)，將整個(gè)罐底外側(cè)邊緣板分成362個(gè)掃查區(qū)域。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同位置，不同深度的2個(gè)腐蝕缺陷，如圖10所示。

6 結(jié)語(yǔ)

超聲導(dǎo)波檢測(cè)法具有單次檢測(cè)距離遠(yuǎn)，靈敏度高等特點(diǎn)，能大大縮短檢測(cè)時(shí)間和工作強(qiáng)度，并且提供真實(shí)可靠的檢測(cè)結(jié)論。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油漆、壁板和油對(duì)高頻導(dǎo)波都有衰減作用，導(dǎo)波頻散程度加重，使得缺陷回波能量減小，缺陷圖像變得模糊，對(duì)儲(chǔ)罐底板檢測(cè)產(chǎn)生不利影響，但是能清晰發(fā)現(xiàn)高頻導(dǎo)波標(biāo)準(zhǔn)缺陷。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，采用高頻導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行全面探傷，能有效發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板的腐蝕缺陷。試驗(yàn)證明了高頻導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)能滿足對(duì)儲(chǔ)罐底板腐蝕缺陷的檢測(cè)要求。試驗(yàn)方法和結(jié)論對(duì)于在役儲(chǔ)罐腐蝕類缺陷的超聲高頻導(dǎo)波檢測(cè)具有良好的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

圖10 T－8401A儲(chǔ)罐罐底板腐蝕缺陷導(dǎo)波檢測(cè)圖

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