基于激光超聲的厚壁管內(nèi)壁爬波傳播的可視化

詹 超1,彭笑永,李 陽

(1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 珠海檢測院，珠海 519002；2.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001)

通常把壁厚和管徑之比大于0.05的鋼管稱為厚壁管，厚壁管常見于鍋爐給水管道、主蒸汽管道、再熱器冷段和熱段管道中，在化工廠和電廠中占較大的比例。如：珠海寶塔石化有限公司、華峰石化有限公司等化工廠都存在很多厚壁管道。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，厚壁管的內(nèi)壁上會(huì)逐漸出現(xiàn)腐蝕坑、裂紋、點(diǎn)蝕等缺陷。而承壓管的內(nèi)壁應(yīng)力比外壁應(yīng)力大得多，故內(nèi)壁缺陷更具有危害性。一旦厚壁管出現(xiàn)破裂或失效，將會(huì)造成重大的安全事故。而現(xiàn)有厚壁管內(nèi)壁缺陷的常規(guī)檢測方法主要是小角度縱波法、變形橫波內(nèi)切法及端角反射法，但存在靈敏度低和易漏檢等問題，并且厚壁管道的常規(guī)超聲檢測方法需要逐點(diǎn)掃查被檢工件，因此工作量巨大，效率低下，成本高[1]，甚至有些部位由于探頭無法接觸到而無法檢測，所以利用傳統(tǒng)超聲方法很難實(shí)現(xiàn)全面、快速、可靠的檢測。因此，厚壁管內(nèi)壁缺陷仍是常規(guī)超聲檢測的難點(diǎn)之一。

爬波是縱波以第一臨界角入射到第二介質(zhì)中時(shí)，產(chǎn)生的一種非均勻波。這種波類似瑞利波，其能量主要集中在表面下的某個(gè)范圍內(nèi)，對工件表面粗糙度不敏感。1981年，應(yīng)崇福等[2]通過光彈法觀察了玻璃內(nèi)的圓柱形空腔上彈性波的爬波現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)縱波入射至固體中的傳播情況和流體中的情況一樣，其衰減較大；而橫波入射至固體中的情況比較復(fù)雜，其衰減相對較小。HASSAN等[3]通過數(shù)值方法求解了爬波在圓柱空腔中的頻散曲線，發(fā)現(xiàn)沿周向傳播的爬波隨著傳播距離的增加，其向周圍散射體波，進(jìn)而導(dǎo)致爬波能量的泄漏，影響傳播距離。WU等[4]理論計(jì)算了圓柱體上瑞利波的頻散曲線，并通過激光超聲試驗(yàn)驗(yàn)證了理論結(jié)果。王小民等[5]通過理論分析和光彈試驗(yàn)研究了圓柱空腔上爬波的傳播規(guī)律，通過斜入射脈沖回波試驗(yàn)裝置建立了爬波反射回波的幅度與裂紋長度的關(guān)系。

爬波在傳播過程中存在較為復(fù)雜的特性，主要有兩個(gè)方面：一是爬波會(huì)不斷地向周圍傳播其他模態(tài)的波，導(dǎo)致能量衰減較快；另一方面是由于爬波存在一定的頻散特性，隨著傳播距離的增加，波包能量發(fā)散較大[5]。因此，這些復(fù)雜的因素導(dǎo)致了爬波受限于工程應(yīng)用。為了更好地了解爬波在厚壁管內(nèi)壁上的形成機(jī)理和傳播特性，筆者通過激光超聲可視化技術(shù)，研究了直探頭在厚壁管外側(cè)激勵(lì)的縱波在內(nèi)壁上形成爬波的過程，以期為爬波無損檢測厚壁管內(nèi)壁缺陷的工程應(yīng)用提供參考。

1 試樣及激光超聲試驗(yàn)裝置

激光超聲檢測系統(tǒng)示意如圖1所示。Nd…YAG激光器的波長為1 064 nm，單脈沖激光能量最大可達(dá)到2 mJ，單脈沖時(shí)間寬度為1.6 ns，脈沖激光的重復(fù)頻率最高可達(dá)2 000 Hz。脈沖激光器前置電動(dòng)聚焦小鏡，可自動(dòng)控制聚焦距離，并且可聚焦激光光斑直徑小于1 mm。由于單脈沖激光能量小于2 mJ，根據(jù)激光超聲理論，其超聲產(chǎn)生機(jī)制為熱彈效應(yīng)[6-7]。通過探頭接收超聲信號(hào)，電信號(hào)通過前置放大器和帶通濾波器后，被數(shù)據(jù)采集卡(NI PXIe-5160,帶寬為1 000 MHz，采樣率為2.5 GS/s)采集，并保存至計(jì)算機(jī)中。

圖1 激光超聲檢測系統(tǒng)示意

圖2 厚壁管激光超聲檢測示意

所用的厚壁管試樣是外徑為108 mm，內(nèi)徑為50 mm的不銹鋼管，直探頭采用OLYMPUS公司的2.5 MHz探頭，通過耦合劑貼附于厚壁管外側(cè)(見圖2)。設(shè)定的激光掃查區(qū)域如虛線框所示。然后通過偏轉(zhuǎn)小鏡控制激光束的掃查位置，實(shí)現(xiàn)激光的S型掃查。通過超聲傳播的互異性，可得到直探頭在厚壁管上的聲場分布情況[6]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

在直探頭下方15 mm處激勵(lì)一個(gè)脈沖激光后，直探頭接收到的A掃信號(hào)如圖3所示。

圖3 直探頭下方激勵(lì)后接收到的A掃信號(hào)

從圖3可以看出，A掃信號(hào)較為復(fù)雜，通過脈沖到達(dá)時(shí)間t=2.6 μs和傳播距離l=15 mm，可以得到第一個(gè)波包的傳播速度v=5 759 m·s-1，該速度與縱波速度的理論值相近，因此該波為縱波。對所有掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行超聲C掃成像，就可以得到掃查區(qū)域上每個(gè)時(shí)刻的超聲波的傳播圖像，進(jìn)而得到超聲波在管壁上傳播的動(dòng)態(tài)圖像[6]。

為了能夠得到直探頭入射聲場的能量分布，將每個(gè)點(diǎn)上的A掃數(shù)據(jù)的最大幅值依次畫出，得到掃查區(qū)域的最大振幅圖(見圖4)。

從圖4可以看出，直探頭的聲束擴(kuò)散角小于10°，能量分布較為集中，探頭聲束無法完全覆蓋厚壁管的內(nèi)壁。部分管內(nèi)壁雖然不在探頭的聲束范圍內(nèi)，其上的能量分布卻比周圍管壁上的強(qiáng)，說明直探頭激勵(lì)出的超聲波通過某種傳播機(jī)制，到達(dá)了管內(nèi)壁的盲區(qū)。為了能夠清晰地看出超聲波的傳播過程，可以從超聲波的動(dòng)態(tài)圖像上得到超聲波的傳播過程，選取第5，8，10，12 μs時(shí)刻的圖像(見圖5)。

圖5 超聲波在厚壁管中的傳播過程

從圖5可以看出，直探頭不僅激勵(lì)出了能量較強(qiáng)、傳播速度較快的縱波L，同時(shí)還激勵(lì)出了能量較弱、傳播速度較慢的橫波S。由此可以看出，直探頭激勵(lì)出的聲場包含了較弱能量的橫波，與已有研究結(jié)果相同[7]。在第8 μs時(shí)，超聲縱波L在管內(nèi)壁上發(fā)生反射形成反射縱波LL，同時(shí)由于模態(tài)轉(zhuǎn)換形成橫波LS和爬波C。橫波LS由于速度較慢，其波前逐漸和反射縱波LL的波前分離開。張家駿[1]在利用超聲縱波檢測內(nèi)壁裂紋時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)縱波在內(nèi)壁上產(chǎn)生了變形橫波的現(xiàn)象，而形成的爬波C以和縱波相近的速度沿管內(nèi)壁傳播，爬波在內(nèi)壁的振動(dòng)位移相對較大，有集中現(xiàn)象，因此可利用這種爬波集中現(xiàn)象檢測內(nèi)壁缺陷。另外，從已有研究[5]得知：縱波形成的爬波衰減較大。在第10 μs時(shí)，由于直探頭聲束無法完全覆蓋管內(nèi)壁，所以這時(shí)的管內(nèi)壁上不再存在反射縱波和橫波，而爬波仍然沿管內(nèi)壁繼續(xù)傳播。雖然爬波能量有一定的衰減，但是仍然能夠清晰地看到爬波的傳播過程。當(dāng)?shù)竭_(dá)第12 μs時(shí)，直探頭激勵(lì)出的橫波在管內(nèi)壁發(fā)生反射，形成反射橫波SS，同時(shí)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換形成能量較弱的縱波SL。通過最大振幅圖，可以得到不同時(shí)刻爬波在內(nèi)壁上的最大幅值(見表1)。從得到的結(jié)果可以看出：隨著傳播距離的增加，爬波的幅值有較大程度的衰減。

表1 不同時(shí)刻爬波在內(nèi)壁上的最大幅值

根據(jù)以上結(jié)果，可以初步得到：超聲縱波在合適的入射角下，可以在厚壁管內(nèi)壁上形成爬波，并且爬波以與縱波相近的速度沿管內(nèi)壁傳播。下一步，將根據(jù)爬波的形成機(jī)制，研制合適的入射角的探頭，以激勵(lì)出較強(qiáng)能量的爬波。由于縱波形成的爬波有一定衰減，不適用于傳播距離大的檢測條件。

3 結(jié)論

(1)直探頭在厚壁管上不僅激勵(lì)出了縱波，同樣也激勵(lì)出了能量較弱的橫波。

(2)利用激光超聲可視化技術(shù)，可清晰地觀察到超聲縱波和橫波在管內(nèi)壁上發(fā)生的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。

(3)縱波在管內(nèi)壁上形成了速度和縱波速度相當(dāng)?shù)呐啦?，爬波沿管?nèi)壁傳播可到達(dá)探頭聲束覆蓋不到的區(qū)域。