薄壁管檢測(cè)過程中超聲近場(chǎng)導(dǎo)波的實(shí)際運(yùn)用

目前，在薄壁管道檢測(cè)中具有很多方法，但是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法存在很多弊端，比如檢測(cè)效率低下、過程繁瑣、儀器復(fù)雜、可操作性差，基于這種情況在薄壁管道檢測(cè)過程中應(yīng)用超聲近場(chǎng)導(dǎo)波，能夠進(jìn)行長(zhǎng)距離、全面的管道檢測(cè)。本文就通過對(duì)于超聲近場(chǎng)導(dǎo)波的分析，探討超聲近場(chǎng)導(dǎo)波在薄壁管檢測(cè)過程中的應(yīng)用。

薄壁管應(yīng)用在航空、電力、天然氣、石油等重要工業(yè)領(lǐng)域，薄壁管在生產(chǎn)制造的過程中由于制造工藝以及材料的原因，會(huì)使得薄壁管存在裂紋、劃傷等問題，嚴(yán)重地影響到了薄壁管的使用性能。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，作為一種新型的無損檢測(cè)技術(shù)，利用超聲在管材中傳播的周向?qū)РＪ?，來快速地提取并判斷管道中存在缺點(diǎn)的部位，并且檢測(cè)過程時(shí)間短、靈敏度高，本文就對(duì)于超聲近場(chǎng)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，并探討其在薄壁管檢測(cè)中的應(yīng)用。

超聲近場(chǎng)導(dǎo)波的概述

導(dǎo)波的概念

在鋼管中超聲導(dǎo)波一般有三種形態(tài)，即縱向形態(tài)波、彎曲形態(tài)波和扭轉(zhuǎn)形態(tài)波[1]。當(dāng)一個(gè)彈面中半空間被平行于表面的另一平面進(jìn)行攔截時(shí)候，就會(huì)使具有一定厚度的方向成為有界的，并且會(huì)構(gòu)成一個(gè)無限延伸的彈性平板。在這種情況下，位于板中的縱波、橫波以及完全形態(tài)的波就會(huì)在兩個(gè)平行的界面中進(jìn)行反射，即在平行邊界制導(dǎo)的超聲波在板內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的傳播，上述這樣一個(gè)過程被稱為是平板超聲波導(dǎo)，在這種情況下超聲波傳播的板波被稱為是Lamb波。另外，在圓柱形、棒形以及層型中傳遞的超聲波都是屬于導(dǎo)波，它們的相同之處在于傳播的環(huán)境都為兩個(gè)或者多個(gè)平行的界面。

超聲導(dǎo)波的產(chǎn)生以及基本原理

在應(yīng)用超聲波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)候，被檢測(cè)的對(duì)象常常會(huì)被當(dāng)成是一個(gè)理想化的模型，認(rèn)為是一個(gè)具有均勻的無限介質(zhì)，基于這種情況，體波可以分為兩種形式：縱波（或稱疏密波、無旋波、拉壓波、P波）和橫波（或稱剪切波、S波），它們以各自的速度傳播而無波形耦合。在這種情況下，進(jìn)行超聲波的傳遞是沒有任何形狀變化的聲波，而超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，就是通過超聲波在傳遞的過程中，由于介質(zhì)的不理想狀態(tài)產(chǎn)生的波變，對(duì)被檢測(cè)介質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行判斷分析的檢測(cè)技術(shù)。

利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行薄壁管的檢測(cè)原理是，在理想的狀態(tài)下超聲波的傳遞是與一般的超聲波一樣在傳遞的過程中具有一定的形狀和連續(xù)性，而正是由于薄壁管的介質(zhì)有一定的特殊性，在傳遞的過程中超聲波會(huì)發(fā)生不同形狀的變化，通過相應(yīng)的設(shè)備來捕捉這些形狀的波變，來實(shí)現(xiàn)對(duì)于薄壁管質(zhì)量的檢測(cè)。超聲導(dǎo)波，又稱為是制導(dǎo)波[2]，它產(chǎn)生的原理是與薄板中的蘭姆波激勵(lì)機(jī)理相似，通過在有限的介質(zhì)中進(jìn)行往返的反射產(chǎn)生復(fù)雜的疊加干涉以及幾何彌散形成的。但是，在一定厚度的管壁中進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟ㄐ蝹鞑ィc一般情況下超聲波的探傷頻率相比要低很多，導(dǎo)波的使用頻率會(huì)控制在100kHz以下，因此導(dǎo)波對(duì)于單個(gè)的缺陷檢測(cè)靈敏度與正常情況下超聲波的檢測(cè)具有很大的不同，導(dǎo)波檢測(cè)距離一般是在20m～30m之間，并隨著距離的遠(yuǎn)近而發(fā)生很大的變化，這種性質(zhì)的導(dǎo)波在進(jìn)行使用中的管道內(nèi)外壁腐蝕以及焊縫危險(xiǎn)性缺陷的檢測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)，它能夠完成管道在役狀態(tài)的快速檢測(cè)，內(nèi)外壁可一次探測(cè)到，也能檢出管子斷面的平面狀缺陷。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)分析

在使用超聲導(dǎo)波進(jìn)行檢測(cè)的過程中，具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，穿透能力較強(qiáng)，超聲波在鋼制材料中的有效深度可以高達(dá)1m以上，對(duì)于平面形狀的管壁缺陷，利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)能夠在很短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出來；第二，檢測(cè)的精度較高，使用超聲導(dǎo)波進(jìn)行檢測(cè)可以對(duì)于被測(cè)量對(duì)象的缺陷形狀、深度、大小能夠清晰的進(jìn)行檢測(cè)分析；第三，超聲導(dǎo)波檢測(cè)使用的設(shè)備輕便，操作簡(jiǎn)單，能夠滿足在不同場(chǎng)合不同情況下的管道檢測(cè)，還有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的檢測(cè)。

超聲近場(chǎng)導(dǎo)波在薄壁管檢測(cè)過程中的應(yīng)用

檢測(cè)中的要求

薄壁管檢測(cè)過程中對(duì)于管壁內(nèi)部的裂紋、夾層雜質(zhì)、氣孔縫多種缺陷都需要有一個(gè)精確的檢測(cè)，在使用超聲近場(chǎng)導(dǎo)波進(jìn)行檢測(cè)的過程中，具有很高的要求，基于薄壁管的自身特點(diǎn)與航空不銹鋼管損傷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，在管壁厚度、管槽長(zhǎng)度等多項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)都具有不同之處，表1為薄壁鋼管與航空不銹鋼管損傷檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表。

表1

薄壁管與航空不銹鋼管損傷檢測(cè)參數(shù)對(duì)比表

類 型 壁厚（mm） 槽長(zhǎng)（mm） 槽深（mm） 槽深與槽厚比例

薄壁管 0.56 0.39 最小0.03 最小0.03

航空不銹鋼管 1.6 5.1 最小0.06 最小0.03

由表1可以看出，在進(jìn)行薄壁管檢測(cè)時(shí)候，需要檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)要求較高，并且檢測(cè)范圍相對(duì)較小，對(duì)于缺陷的定位精度要求較高。

檢測(cè)的過程

1）檢測(cè)設(shè)備的選擇。本文就超聲近場(chǎng)導(dǎo)波在薄壁管檢測(cè)中的應(yīng)用研究，采用的檢測(cè)設(shè)備為ISONIC2005儀器的導(dǎo)波檢測(cè)功能[4]進(jìn)行檢測(cè)，所使用的導(dǎo)波探頭為國(guó)內(nèi)某廠家定制的，詳細(xì)的參數(shù)見表2。

試驗(yàn)樣品的選擇為直徑為60mm×6mm的20G鋼管制作對(duì)比試樣，制作的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國(guó)家對(duì)于無縫鋼管超聲探傷檢驗(yàn)方法來進(jìn)行制作，其鋼管內(nèi)部周向槽尺寸示意圖如圖1所示，鋼管外壁縱向槽尺寸如圖2所示。

圖2中，1#、2#、3#、4#，為在內(nèi)部進(jìn)行加工的縱向槽，槽深和槽寬分別為1.5×0.5、1×0.5、0.4×0.3、0.3×0.3，單位均為毫米。圖2中5個(gè)縱向槽的寬度依次為0.5mm、0.5mm、0.3mm、0.3mm、0.3mm，槽與槽之間的間距為30mm。

2）縱向?qū)Рz測(cè)。

圖3為縱向?qū)Рz測(cè)內(nèi)部周向槽時(shí)候，檢測(cè)波達(dá)到滿屏?xí)r候，不同高度與檢測(cè)距離之間的關(guān)系。由圖3的分析，在達(dá)到20%時(shí)候?yàn)殪`敏度的極限，在導(dǎo)波檢測(cè)距離的增加過程中，波的反射能力會(huì)隨之下降。其中深度大于1mm的內(nèi)部周向槽，深度越深，檢測(cè)距離越遠(yuǎn)；反之，檢測(cè)距離會(huì)迅速的下降。

3）周向?qū)Рz測(cè)。

圖4

圖4為超聲周向?qū)Р▽?duì)縱向槽檢測(cè)結(jié)果，其中在反射波達(dá)到20%時(shí)候，檢測(cè)距離1#為140mm、2#為135mm、3#為116mm、4#為95mm、5#為85mm，可以分析出槽深對(duì)于導(dǎo)波的傳播距離會(huì)有一定的影響。

4）結(jié)果分析。綜上試驗(yàn)結(jié)果分析，在進(jìn)行超聲導(dǎo)波對(duì)于薄壁管踐行檢測(cè)過程中，一般導(dǎo)波的探頭與缺陷之間的距離增加的過程中，缺陷的回波幅度會(huì)下降，另外導(dǎo)波在記錄不斷增加的過程中導(dǎo)波會(huì)越來越小。因此，在薄壁管檢測(cè)過程中應(yīng)用超聲近場(chǎng)導(dǎo)波時(shí)候，要控制好探頭的檢測(cè)距離，并且要控制好檢測(cè)的時(shí)間。

應(yīng)用案例分析

在我國(guó)管道工程使用中，輸氣管道是作為人們生活和生產(chǎn)必須的管道工程，對(duì)輸氣管道進(jìn)行檢測(cè)，是保證輸氣運(yùn)輸安全、穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)保障工作，但是由于輸氣管道一般是埋于地下，會(huì)受到水源以及雨水的腐蝕，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)候采用一般的檢測(cè)方法需要先進(jìn)行管道的開挖、并且需要?jiǎng)冸x防腐層等，還要對(duì)于檢測(cè)的角度進(jìn)行不停的變換，檢測(cè)的效率低下。在輸氣管道中應(yīng)用超聲近場(chǎng)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)精度高、便捷，通過對(duì)于輸氣管道的回波信號(hào)的處理、分析，可以對(duì)管道進(jìn)行100%的直接評(píng)估，檢測(cè)的過程中只需要將傳感器安裝在地面管道部分或部分開挖就可以實(shí)現(xiàn)管道檢測(cè)的全方位分析，不僅能夠優(yōu)化檢測(cè)的工藝，還能夠減少停油停氣、管線的開挖以及管道維修的費(fèi)用。

結(jié)論

綜上所述，薄壁管在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，超聲近場(chǎng)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有很大的實(shí)際意義。本文通過對(duì)于超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的分析，并探討了超聲近場(chǎng)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在薄壁管檢測(cè)中的應(yīng)用，希望可以為相關(guān)研究人員提供一些參考。

參考文獻(xiàn)

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（作者簡(jiǎn)介：孔明，西安三環(huán)科技開發(fā)總公司。）