摘 要:為降低鋼管被腐蝕后對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及人身安全所造成的潛在危害，研究鋼管壁厚度的無(wú)損檢測(cè)及推斷腐蝕的分布。根據(jù)超聲波通過(guò)不同介質(zhì)分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射這一特點(diǎn)，用檢測(cè)到的反射波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出被測(cè)鋼管壁的厚度，并利用互相關(guān)函數(shù)法提高反射信號(hào)間延遲的分辨精度，從而準(zhǔn)確地推斷出鋼管壁的腐蝕分布。

關(guān)鍵詞:超聲波;鋼管;無(wú)損測(cè)厚;互相關(guān)函數(shù)

中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)03-090-03

Experimental Observation of Corrosion Distribution in Steel Pipe Based on Ultrasonic Reflection

FAN Honghui，ZHU Hongjin，Yasutaka Tamura

(Graduate School of Science and Engineering，Yamagata University，Yonezawa-shi Yamagata，992-8510，Japan)

Abstract:In order to reduce the potential danger for industrial production and the personal safety caused by corrosion on steel pipe.Non-destructive thickness measurement of steel pipe and inferring the distribution of corrosion for research purpose.This is the basis of ultrasound through different media ultrasonic waves are reflected at boundaries，reflection waves have been used to calculate steel pipe wall.And using cross-correlation function method to improve delay accuracy of reflection waves to accurately infer the corrosion distribution of steel pipe wall.

Keywords:ultrasonic;steel pipe;non-destructive thickness measurement;cross correlation function

目前，鋼管已廣泛應(yīng)用于流體運(yùn)輸領(lǐng)域，如石油、天燃?xì)狻⑺?、煤氣、蒸汽等。同時(shí)，在制造機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，由于鋼材的高強(qiáng)度等特性，也得到了廣泛應(yīng)用。為防止鋼管腐蝕并增加其使用壽命，鋼管內(nèi)外壁一般都涂有防腐層，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年累月的使用或高溫高壓的使用條件下[1]，鋼管的防腐涂層會(huì)逐漸剝落，從而造成鋼材生銹、厚度變薄、鋼材質(zhì)量逐漸劣化，如果繼續(xù)使用，會(huì)存有一定的潛在危險(xiǎn)[2]。為防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生并有針對(duì)性地維修及更換，無(wú)損檢測(cè)變得尤為重要。超聲波無(wú)損檢測(cè)[3-5]技術(shù)與其他常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，具有被測(cè)對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、周期短、成本低、靈活方便、效率高及對(duì)人體無(wú)害等特點(diǎn)，因此已在醫(yī)療、化工及工程探傷等方面得到廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)利用超聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)在分界面有聲波反射這一特點(diǎn)[6-8]，對(duì)測(cè)得的反射信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，從而能夠用超聲波從鋼管外部檢測(cè)其厚度并判斷鋼管壁劣化程度。

1 原 理

利用超聲波測(cè)鋼管壁厚度的原理可簡(jiǎn)單描述為:超聲波發(fā)生器定期發(fā)送超聲波，當(dāng)超聲波通過(guò)鋼管和空氣分界面處時(shí)會(huì)發(fā)生反射，發(fā)射波經(jīng)由接收器接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)計(jì)算外壁層和內(nèi)壁層兩處的反射信號(hào)的時(shí)間差t，按照式(1)計(jì)算，即可檢測(cè)出鋼管壁的厚度d:

d=c*(t/2)

(1)

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置的概略圖。超聲波發(fā)生后，用超聲波換能器(探頭)來(lái)對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行發(fā)送和接收，用電子示波器對(duì)超聲波反射信號(hào)進(jìn)行波形觀測(cè)分析及數(shù)據(jù)暫存。超聲波在鋼管外壁和內(nèi)壁兩個(gè)層面均有超聲波的反射，檢測(cè)點(diǎn)超聲波反射示意如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置概略圖

由于超聲波在遇到空氣時(shí)會(huì)急劇衰減掉，所以在本實(shí)驗(yàn)中用超聲波耦合劑去除超聲波探頭和鋼管壁間的空氣。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下:

鋼管長(zhǎng)度為20 cm;

超聲波信號(hào)發(fā)生器相關(guān)參數(shù):

PRF為100 Hz;

PULSER VOLTAGE為100 V;

TRANSDUCER FREQ為15~20 MHz;

示波器相關(guān)參數(shù):

V/DIV為500 mV;

s/DIV為500 ns;

鋼管中的音速為5 700 m/s。

圖2 超聲波反射示意圖

被測(cè)對(duì)象如圖3所示，鋼管內(nèi)部上層生銹。在鋼管上設(shè)置20個(gè)間距相同的檢測(cè)點(diǎn)，為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度，先用物理測(cè)厚儀測(cè)出20個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)際厚度(見(jiàn)表1)。表1中的數(shù)據(jù)表明，檢測(cè)點(diǎn)1到10之間由于腐蝕的影響，厚度已經(jīng)變薄。

圖3 被測(cè)鋼管

表1 20個(gè)測(cè)定點(diǎn)的實(shí)際厚度

測(cè)定點(diǎn)厚度 /mm測(cè)定點(diǎn)厚度 /mm

11.51112.41

20.78122.55

30.72132.48

40.32142.45

50.55152.4

60.5162.4

70.42172.52

80.35182.42

90.45192.4

101.33202.47

3 波形分析

在鋼管檢測(cè)點(diǎn)得到的超聲波反射信號(hào)如圖4所示。

在檢測(cè)點(diǎn)14(鋼管壁無(wú)生銹)所測(cè)得的波形中可以看出，超聲波信號(hào)發(fā)出后探頭最初接收到反射信A后又接收到一較弱反射信號(hào)B。對(duì)這兩個(gè)反射波之間的時(shí)間延遲計(jì)算后所測(cè)得此處鋼管壁厚度為2.35 mm，與實(shí)際測(cè)量值2.45 mm接近，所以可推定反射波B為內(nèi)壁處反射波。但在鋼管壁生銹處(厚度變薄、測(cè)定點(diǎn)5)，雖然鋼管外壁處的反射信號(hào)(A)明顯，但由于多重超聲信號(hào)反射的影響，在鋼管內(nèi)壁處的反射波形(B)較不明顯，所以不能較準(zhǔn)確地推算此處鋼管壁厚度。

圖4 檢測(cè)點(diǎn)5和14處所測(cè)波形圖

為解決多重反射引起的兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間延遲不易分辨的這一問(wèn)題，信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)(Cross correlation function)被應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中。

d(τ)=∫r(t)u(t-τ)*dt

(2)

式中:r(t)為反射波波形;u(t)為參照波形。參照波形是厚度為10 mm鋁塊的底部反射波。

互相關(guān)實(shí)驗(yàn)的反射信號(hào)如圖5所示。

圖5 加入互相關(guān)函數(shù)后所測(cè)波形圖

信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)可以更精確地分析兩個(gè)信號(hào)間的時(shí)間延遲關(guān)系的作用[5，6]，所以在檢測(cè)點(diǎn)5和檢測(cè)點(diǎn)14處測(cè)得的波形中都可以清楚地分辨出鋼管外壁和內(nèi)壁兩處的反射信號(hào)A和B，在檢測(cè)點(diǎn)14處的得到的波形中，還有一個(gè)小的反射信號(hào)C，這個(gè)反射信號(hào)是超聲波在鋼管壁和防腐涂層分界處的反射信號(hào)，所以加入互相關(guān)函數(shù)后可測(cè)出防腐涂層厚度。

4 結(jié)果比較及總結(jié)

根據(jù)20個(gè)測(cè)量點(diǎn)處所測(cè)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算后得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。

圖6 實(shí)際值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果1中可以看出，由于多重反射的影響，測(cè)量值與實(shí)際值之間誤差較大，對(duì)腐蝕程度的判斷也較

為困難。加入互相關(guān)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得波形可以清楚地分辨出鋼管表面和內(nèi)壁層兩處的反射信號(hào)，鋼管壁的防腐層處的反射信號(hào)也能清楚分辨，互相關(guān)函數(shù)解決了多重反射的問(wèn)題，同時(shí)也提高了測(cè)量精度。

利用超聲波反射法并加以互相關(guān)函數(shù)后，可以精確地分辨兩個(gè)反射信號(hào)間時(shí)間延遲，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值的曲線走向與實(shí)際測(cè)量曲線走向基本吻合，能準(zhǔn)確檢測(cè)出鋼管壁厚度及準(zhǔn)確地推斷出鋼管壁的腐蝕分布情況。

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