基于超聲Lamb波技術(shù)的儲罐底板缺陷檢測分析

徐 渠

（連云港廣播電視大學(xué) 江蘇·連云港 222000）

儲罐是一種重要的工業(yè)設(shè)備，其性能的好壞直接影響存儲介質(zhì)效能的高低。儲罐在使用的過程，受存儲介質(zhì)的影響，會發(fā)生變薄、穿孔等現(xiàn)象，不利于其功能的正常發(fā)揮。超聲Lamb波在固體板中進(jìn)行傳播時(shí)，其聲場具有距離大、穿透力強(qiáng)等多方面的優(yōu)勢，在底板缺陷檢測中得以廣泛應(yīng)用。

一、超聲Lamb波檢測原理

一般情況下，當(dāng)超聲波局限在不同形狀材料（比如板狀、棒狀等）的邊界之內(nèi)時(shí)，由于聲波處在不連續(xù)的交界面環(huán)境中，就會產(chǎn)生多次的往復(fù)反射行為，而且還會進(jìn)一步產(chǎn)生新的波形，這些波形大多屬于復(fù)雜干涉或者是幾何彌散，進(jìn)而產(chǎn)生新的超聲波類型，即導(dǎo)波。它在固體版的傳播中，主要的導(dǎo)波類型有兩種，一種是Lamb波，另外一種是SH板波。對于板中導(dǎo)波，其檢測方法大多是Lamb波檢測，因?yàn)樗哂袀鞑ゾ嚯x大、便捷快速等方面的優(yōu)勢，可以有效檢測儲罐底板是否存在缺陷。

超聲Lamb波檢測原理如下：在檢測的過程中，Lamb波脈沖波信號會被傳感器激勵(lì)出來，并且會在底板上下表面兩個(gè)部位來回反射，然后直接順著板面的方向進(jìn)行傳播，在傳播的過程中，如果碰到板中缺陷以及板底端面時(shí)，這個(gè)脈沖信號就會產(chǎn)生反射，并且被同一傳感器進(jìn)行接收，然后將這些信號傳輸?shù)较嚓P(guān)設(shè)備中進(jìn)行處理，人們就可以看到顯示二維缺陷的圖像，完成板中缺陷檢測。

二、超聲Lamb波在儲罐底板的缺陷檢測

（一）Lamb波模式的選擇

超聲Lamb波目前被廣泛應(yīng)用于板狀材料的檢測中。但是，在檢測的過程中，對于選擇哪種Lamb波模式，人們都有不同的說法。經(jīng)過相關(guān)數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對于相速度和板材介質(zhì)縱波聲速相等的S2模式，檢測范圍比比較大。這里主要針對的是不銹鋼板中的檢測，在相關(guān)的數(shù)值計(jì)算中，不銹鋼的縱波聲速是每秒5．790千米，橫波的聲速是每秒3．180千米。其Lamb波頻散曲線如下圖所示：

圖1 Lamb波頻散曲線

根據(jù)上圖所示，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算，這里對圖中的P1和P2兩個(gè)點(diǎn)所對應(yīng)的Lamb波模式進(jìn)行分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)板的上、下表面具有很明顯的法向位移分量，根據(jù)其脈沖信號的相關(guān)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)即使不銹鋼板面存在液體負(fù)載，但是Lamb波能量的泄露損失，保證其時(shí)域信號的傳播距離比較大，從而有效增大Lamb波的檢測范圍。

（二）脈沖回波信號模式

傳感器中接收到的Lamb波時(shí)域信號中，還包含鋼板的內(nèi)部信息。這里為了有效保障檢測效果，應(yīng)該盡量取得比較單一的Lamb波。但是，在實(shí)際的檢測中，當(dāng)Lamb波遇到鋼板缺陷時(shí)，脈沖信號在發(fā)射時(shí)會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，因此，所得的回波信號中就存在其它的Lamb模式。在時(shí)域中，對于群速度比較快的Lamb波模式來講，一般會出現(xiàn)在時(shí)間軸的最前端，經(jīng)過一段時(shí)間的傳播之后，這些群速度比較快的部分，會和其它部分進(jìn)行分離。因此，這里只需要計(jì)算出群速度比較快Lamb的傳播速度，就可以直接判斷出Lamb波的所屬模式。這里仍然采用陣列方式，以此來激勵(lì)S2模式的Lamb波的時(shí)域信號，采用經(jīng)端面反射的時(shí)域信號，且這個(gè)信號置于發(fā)射陣列處的單一接收器。這里的反射端面設(shè)置在距離發(fā)射陣列的1000毫米和1500毫米處兩個(gè)地方，那么接收器接收到的時(shí)域脈沖回波信號如下圖所示：

圖2 反射斷面設(shè)置在不同位置時(shí)的Lamb波脈沖回波信號

根據(jù)上圖所示，當(dāng)反射面設(shè)置在1000毫米處時(shí)，出現(xiàn)的時(shí)域脈沖回波信號的峰值在411．096μs；當(dāng)反射面設(shè)置在1500毫米處時(shí)，峰值則為618．986μs，那么它對應(yīng)的群速度可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

將此結(jié)果同圖1進(jìn)行對比，就可以知道這個(gè)時(shí)域脈沖信號的載波屬于S2模式的Lamb波。再從圖2的第一個(gè)回波信號來看，由于S2模式的Lamb波的群速度最大，所以其時(shí)域就出現(xiàn)在最前面；當(dāng)單層鋼板中只存在一個(gè)缺陷時(shí)，人們對時(shí)域脈沖回波信號進(jìn)行觀察，看S2模式的Lamb波的相關(guān)信息，主要是它出現(xiàn)的時(shí)間以及峰值的具體數(shù)值，然后將結(jié)果與無缺陷的鋼板回波信號進(jìn)行對比，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對鋼板中的缺陷性質(zhì)進(jìn)行判斷。

（三）鋼板內(nèi)缺陷的檢測

在下文的檢測中，需要加以說明的是，這里只針對鋼材中存在的一種缺陷，并沒有涉及鋼材中的多個(gè)缺陷。

首先，根據(jù)以上數(shù)值的相關(guān)分析，我們就可以得出一個(gè)結(jié)果——采用陣列方式，可以成功激發(fā)出單一的S2模式的Lamb波時(shí)域脈沖信號。這里就通過相關(guān)的數(shù)值分析，驗(yàn)證采用S2模式的Lamb波時(shí)域信號來檢測鋼板的缺陷。這里采用的檢查材料是不銹鋼板材，其具體的規(guī)格如下：長度為1500毫米，寬度為500毫米，厚度為6毫米，對于出現(xiàn)腐蝕缺陷的位置還有深度這兩個(gè)方面，則要根據(jù)數(shù)值仿真的具體情況來設(shè)定，這里依然采用陣列方式，從而激勵(lì)出S2模式的Lamb波時(shí)域信號，主要分為以下兩個(gè)方面。

1、檢查鋼材缺陷的位置

在檢測中，其缺陷問題是鋼材通孔，其出現(xiàn)腐蝕缺陷的位置，以50毫米為間距，設(shè)置在1000毫米到1500毫米之間，將接收器設(shè)置在板材的前端。根據(jù)相關(guān)的計(jì)算，對于處在不同位置上的缺陷，其回波信號的相關(guān)情況可以參照下圖所示：

圖3 不同缺陷位置回波信號中S2模式的lamb波出現(xiàn)峰值的時(shí)間

根據(jù)上圖所示，人們可以通過觀察脈沖回波信號中，S2模式的Lamb波時(shí)域信號峰值出現(xiàn)的具體時(shí)間。因此，人們可以通過參照圖3，可以比較準(zhǔn)確地判斷出鋼材中出現(xiàn)通孔缺陷的具體位置。

2、檢測鋼材缺陷的深度

在這個(gè)檢測中，將鋼板的缺陷位置設(shè)置在1400毫米的地方，缺陷的寬度大小為1毫米，缺陷的深度設(shè)置方面，以1毫米為間隔，將其設(shè)為1到5毫米的五個(gè)不同深度上。完成這一系列的設(shè)置之后，再按照圖2的計(jì)算方式，計(jì)算在不同深度缺陷的鋼板中，它所顯示出來的時(shí)域脈沖回波信號在傳播過程中所產(chǎn)生的波形，從而得出S2模式的Lamb時(shí)域信號的峰值、擬合曲線．

在不同深度條件下的缺陷，S2模式Lamb波回波信號的峰值也在不斷變化，即它會隨著深度的增大而增大。但是，從中可以看出，這里展示出來的峰值缺陷深度的變化情況來看，它并不是呈線性結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵跈z測的過程中，缺陷會對S2模式的產(chǎn)生散射作用，而這個(gè)作用與缺陷的深度并不構(gòu)成正比例的關(guān)系。人們可以先分析脈沖回波信號中，S2模式的lamb波峰值的大小，然后再結(jié)合上圖的結(jié)果，將兩者進(jìn)行對比，就可以檢測出板材中出現(xiàn)缺陷的具體深度。

結(jié)束語

綜上所述，由于超聲Lamb波自身獨(dú)特的優(yōu)勢，目前被廣泛應(yīng)用與儲罐底板的無損檢測中。在檢測的過程中，選擇出S2模式的Lamb波模式，可以有效增加檢測范圍，從而提高檢測效率；在實(shí)際的檢測中，采用干涉原理，根據(jù)具體的檢測需要，運(yùn)用陣列方式，可以有效激勵(lì)出單一的S2模式的Lamb波時(shí)域脈沖信號；由于在時(shí)域脈沖回波信號中，其中的S2模式能夠與其它模式產(chǎn)生分離，利用這一特點(diǎn)，可以檢測出儲罐底板缺陷的具體位置；對于不同深度缺陷來講，它對S2模式的散射作用中，具有單調(diào)性特征，所以可以將其用于檢測儲罐底板缺陷的深度問題。

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