【摘要】隨著無(wú)縫鋼管應(yīng)用的廣泛性，對(duì)其質(zhì)量要求也越來(lái)越高，通過(guò)超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可有效對(duì)無(wú)縫鋼管缺陷進(jìn)行檢測(cè)。本文主要介紹了超聲波激發(fā)的原理，同時(shí)介紹了超聲波無(wú)損探傷技術(shù)具有的準(zhǔn)確率高、適用性強(qiáng)、應(yīng)用方便、易自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，著重介紹了超聲波的特性和在鋼管無(wú)損探傷中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】超聲波無(wú)損探傷無(wú)縫鋼管

近幾年無(wú)縫鋼管技術(shù)的開發(fā)，無(wú)縫鋼管得到了廣泛的應(yīng)用，其質(zhì)量直接關(guān)乎工程質(zhì)量的好壞，因此對(duì)其的質(zhì)量檢測(cè)也得到了廣泛的關(guān)注。對(duì)無(wú)縫鋼管的檢查一般從材料的物理性能、化學(xué)成分以及幾何形態(tài)幾個(gè)方面入手，要求其單純、連續(xù)和均勻。某一方面存在不足即表示鋼管有缺陷，會(huì)給工程質(zhì)量安全留下隱患。無(wú)縫鋼管內(nèi)部存在缺陷在使用中會(huì)造成鋼管斷裂，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的事故。通過(guò)超聲波無(wú)損探傷技術(shù)可以在不損傷鋼管的情況下對(duì)其進(jìn)行全面檢測(cè)，從而檢測(cè)無(wú)縫鋼管的各項(xiàng)工程特征和技術(shù)特性。由于其具有低代價(jià)、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)縫鋼管及有覆蓋物的管件的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1超聲波的基本原理

可聞聲波由物體振動(dòng)產(chǎn)生，人們可以聽見，頻率范圍在20HZ~20000HZ，低于20HZ的是次聲波，高于20000HZ的就是超聲波。它的原理是通過(guò)擾動(dòng)源激發(fā)超聲波，其在彈性介質(zhì)中傳播，由于超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度、彈性特質(zhì)以及環(huán)境條件有關(guān)，當(dāng)超聲波在有一個(gè)以上界面中傳播時(shí)，超聲波會(huì)在這些界面上出現(xiàn)多次反復(fù)的折射與反射現(xiàn)象；同時(shí)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于傳播距離的增加以及介質(zhì)吸收能量，使得超聲波的強(qiáng)度衰減，利用超聲波傳感器將機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)化的信號(hào)顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)量物體內(nèi)部的觀察，由于超聲波無(wú)損探傷具有準(zhǔn)確率高、適用性強(qiáng)、應(yīng)用方便、易自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、家電、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域，我們重點(diǎn)介紹其在鋼管無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用。

2超聲波的諧振模式和頻射特性

2.1超聲波的諧振模式

在不同的結(jié)構(gòu)探頭激勵(lì)下，可以激發(fā)出兩種不同的導(dǎo)波諧振模式，分別是軸對(duì)稱和非軸對(duì)稱模式。

將探頭以環(huán)狀形式擺放在管子的外面，便可得到軸對(duì)稱諧振模式的導(dǎo)波，此種模式激發(fā)較容易；由于在探頭外面的管子都保持其平面不變，同時(shí)繞著中心旋轉(zhuǎn)，其激發(fā)出的軸對(duì)稱模式保持原樣，當(dāng)把探頭放到管子中時(shí)，便可在管內(nèi)激發(fā)出軸對(duì)稱的的縱向諧振模式的導(dǎo)波；同時(shí)利用其他方法在管壁內(nèi)產(chǎn)生間隔相同的導(dǎo)波也可以形成諧振模式，這種模式只能在縱向進(jìn)行壓縮和伸展運(yùn)動(dòng)，不能在橫向進(jìn)行移動(dòng)。當(dāng)把超聲波探頭斜向放置在管子里面時(shí)就會(huì)激發(fā)出非對(duì)稱諧振模式的導(dǎo)波，它的形式通常為雙螺旋形式，雙螺旋形式的導(dǎo)波從探頭處向管子兩邊散開，到達(dá)盡頭后聚攏之后再散開，以此方式在管子中傳播。

2.2導(dǎo)波的頻射特性

如果把被測(cè)物體看成是彈性均勻介質(zhì)，則各種類型的波就會(huì)在里面以恒定的速度傳播，只有介質(zhì)本身材料影響反射波的速度，當(dāng)超聲波以斜向打入同性管中時(shí)，由于管子表面的反射作用，使得機(jī)械振動(dòng)在管中傳播，由于反射波徑向運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)合成，從而使超聲波在管內(nèi)傳播形成導(dǎo)波。

超聲波頻射的特征之一就是會(huì)隨相速度的頻率不同而變化，由于脈沖是由多個(gè)頻率不同的諧波組成的，各個(gè)整個(gè)脈沖的群速度不等于單個(gè)諧波的相速度，導(dǎo)波以群速度向前傳播，而相速度則由于各諧波頻率不同而有所改變。

在實(shí)際測(cè)量當(dāng)中，導(dǎo)波速度還受到管材的規(guī)格尺寸以及聲學(xué)性質(zhì)等因素的影響，使得頻散曲線不同，這會(huì)給實(shí)測(cè)應(yīng)用帶來(lái)很大不便，通過(guò)加強(qiáng)探頭設(shè)計(jì)以及合理選擇導(dǎo)波模式，從而解決實(shí)際探傷中遇到的問題。

3超聲波無(wú)損探傷方法

超聲波無(wú)損探傷技術(shù)是目前應(yīng)用非常廣泛的一種無(wú)損探傷檢測(cè)手段。它既可以用來(lái)檢測(cè)物體表面的缺陷，又可以探測(cè)到物體內(nèi)部幾米深的缺陷，而這是其他檢測(cè)手段所無(wú)法達(dá)到的深度。超聲波無(wú)損探傷技術(shù)具有靈敏度高、周期短、靈活方便、成本低、效率高，并且對(duì)人體不產(chǎn)生不良影響等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其也具有不少缺點(diǎn)，例如需要富有工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員操作，要求被測(cè)物體表現(xiàn)平整光滑，對(duì)被測(cè)物體的損傷類型沒有明確的顯示，需要工作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷。不過(guò)它適用于厚度尺寸比較大的物體檢測(cè)。

目前可以應(yīng)用超生波探傷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法主要有以下幾種：（表1）

超聲波探傷的方法有很多種，常用的一般使脈沖反射法。由于物體內(nèi)部有缺陷，會(huì)使物體材料內(nèi)部不連續(xù)，當(dāng)脈沖傳播到不連續(xù)處時(shí)，由于不連續(xù)處的聲阻抗的不一致，而脈沖會(huì)在兩個(gè)聲阻抗不一致的地方發(fā)生反射現(xiàn)象，同時(shí)超聲波反射回來(lái)的能量大小和方向與交界面處的取向大小有關(guān)。由這一原理就可以設(shè)計(jì)出脈沖反射式超聲波探傷儀。

目前所用的脈沖反射式超聲波探傷儀大多是A掃描方式，顯示器縱坐標(biāo)顯示的是反射波的幅值，而橫坐標(biāo)顯示的是超聲波在物體傳播的距離或是時(shí)間。當(dāng)一個(gè)鋼管物件中存在缺陷時(shí)，會(huì)在鋼管材料與缺陷之間形成一個(gè)介質(zhì)不同的界面，當(dāng)超聲波傳遞到交界面時(shí)，由于兩物質(zhì)的聲阻抗不同，會(huì)使超聲波發(fā)生反射，從而使反射回來(lái)的能量被接收器接收到，在顯示器上顯示出反射波的波形，由于反射波的形狀和高度不相同，從而反映了缺陷的不同性質(zhì)。

4超聲波無(wú)損探傷在鋼管檢測(cè)中的應(yīng)用

4.1試塊設(shè)計(jì)

現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求在采用無(wú)損檢測(cè)時(shí)要有人工參照反射物的標(biāo)準(zhǔn)試件用來(lái)檢查探測(cè)儀的靈敏度。超聲波的探傷參照物一般是采用各種不同尺寸和形狀的人工刻槽。因此由無(wú)縫鋼管可能出現(xiàn)的缺陷類型，設(shè)計(jì)出參考試塊，在試塊的內(nèi)外壁上制成缺陷形成人工反射體，這些試塊都是從待檢測(cè)的鋼管工件上取得，作為評(píng)價(jià)缺陷的類型以及用于調(diào)節(jié)探傷靈敏度。

4.2檢測(cè)方法

開始檢測(cè)時(shí)，將鋼管外面的放置探頭處的油漆和氧化膜去除掉，用來(lái)使探頭和鋼管能夠更好的接觸。對(duì)于無(wú)縫鋼管，當(dāng)導(dǎo)波入射到有裂縫等危險(xiǎn)缺陷時(shí)，反射的波信號(hào)會(huì)十分強(qiáng)烈，顯示的波形十分陡峭尖銳，而當(dāng)鋼管內(nèi)外壁有腐蝕性缺陷時(shí)，它的反射波顯示的波形比較緩和，因此對(duì)于不同類型的缺陷是很容易區(qū)分開來(lái)的。

4.3實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)際檢測(cè)時(shí)選取三十根無(wú)縫管材進(jìn)行測(cè)試，利用制成的人工反射參照體調(diào)節(jié)儀器和探頭的靈敏度，測(cè)試中根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，測(cè)試三十根管材時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在缺陷管材時(shí)認(rèn)定為不合格，同時(shí)將不合格管材進(jìn)行解剖以證實(shí)缺陷確實(shí)存在。超聲波無(wú)損探傷與其他方法相比具有速度快的優(yōu)點(diǎn)，每次只需將探頭接觸一次管材即可完成測(cè)試，同時(shí)應(yīng)用方便靈敏，其精度不受管材上覆蓋的雜物影響，能夠發(fā)現(xiàn)一些其他檢測(cè)方法所發(fā)現(xiàn)不了的缺陷，如凹坑大面積腐蝕等。

5結(jié)語(yǔ)

超聲波無(wú)損探傷技術(shù)具有多種優(yōu)點(diǎn)，能夠一次性測(cè)量長(zhǎng)距離物件，效率高，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單快速，所用時(shí)間短同時(shí)代價(jià)較低，檢測(cè)過(guò)程不受管材上覆蓋的雜物影響，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，目前已成為無(wú)損檢測(cè)的主要熱門手段，但不可否認(rèn)，該種檢測(cè)手段還存在缺陷，不能夠直觀的顯示缺陷，對(duì)其成像技術(shù)的的應(yīng)用還不是很成熟，使其的應(yīng)用造成了一定的局限，因此未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)該向信號(hào)處理、圖像成型等方向發(fā)展，使其技術(shù)更加成熟。

參考文獻(xiàn)

[1]孟立凡.傳感器原理及應(yīng)用.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005

[2]劉偉.傳感器原理及實(shí)用技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2006

[3]左建國(guó).組合無(wú)損檢測(cè)及其在無(wú)縫鋼管在線自動(dòng)檢驗(yàn)中的應(yīng)用.鋼鐵，1999，34（6）:60-64.