趙 遠

（天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津300384）

超聲導波對小直徑薄壁無縫管周向檢測的應用研究

趙 遠

（天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津300384）

為了對小直徑薄壁無縫管的周向導波檢測進行系統(tǒng)研究，以超聲導波技術為研究對象，通過對晶粒噪聲有效控制以及檢測靈敏度的有效調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對薄壁小直徑管缺陷的有效檢出，且應用效果較好；同時，利用對比試塊對定制的國產(chǎn)導波探頭檢測距離進行了測定，其對1 mm深的模擬缺陷檢測距離能達到130 mm左右；增大探頭至缺陷間的距離，缺陷反射波幅明顯降低，且回波寬度有所增大，在實際工程檢測中，應盡量避免導波頻散帶來的檢測分辨率降低的現(xiàn)象。

檢測；超聲導波；小直徑管；周向；靈敏度；反射波；分辨率

1 概 述

小直徑薄壁無縫管被廣泛應用于電力、航空、船艦等重要工業(yè)領域[1]，此類管材在制造過程中，往往由于母材純凈度或生產(chǎn)工藝問題而導致管材成型后表面或內(nèi)部存在缺陷影響其正常使用，特別是裂紋或劃傷等軸向缺陷對管材危害很大。由于此類管材的使用范圍較大，且需要長期工作在高溫高壓的復雜環(huán)境下，如果管材在使用中因存在缺陷而失效，后果不堪設想，因此，在應用前有必要對其進行檢測[2-3]。

目前，對于小直徑薄壁無縫管的檢測方法主要采用渦流檢測或超聲波進行逐點檢測，考慮到檢測效率和較高的檢測靈敏度要求，上述檢測方法仍顯不足。超聲導波技術是近些年剛剛興起的一種新的無損檢測技術，其可以利用超聲在管材中傳播的周向導波模式，快速提取并識別管材中的缺陷信號，并且能夠保持較高的靈敏度，實現(xiàn)對管材的快速檢測[4-6]。

本研究以超聲導波為研究對象，對其在小直徑薄壁無縫管的周向掃查方法、檢測靈敏度等方面進行了系統(tǒng)研究，為超聲導波技術在工業(yè)無損檢測中的應用提供參考依據(jù)。

2 超聲導波檢測原理

超聲導波的產(chǎn)生機理與薄板中的蘭姆波激勵機理類似，當超聲傳播介質被局限在一定的邊界內(nèi)，邊界就會對超聲波產(chǎn)生往復不斷的反射，這樣就能形成導波。在管道檢測中，超聲波可以沿管道軸向和周向進行傳播，軸向傳播的超聲波形成縱向導波，而周向傳播的超聲波則形成周向導波。周向導波具有傳播距離遠、靈敏度高的優(yōu)點，其工作頻率低于常規(guī)超聲波檢測，但卻高于縱向導波檢測，主要適用于管道中縱向裂紋、劃痕、腐蝕等缺陷[7-9]。圖1給出了周向導波的檢測原理，由圖1可知，探頭激發(fā)出沿管道單方向傳播的周向導波，其可沿管壁傳播很長的距離，遇到缺陷后信號會沿反方向返回進而被探頭接收。

圖1 超聲導波周向檢測原理圖

3 設備選擇及檢測距離標定

超聲導波檢測設備選用以色列ISONIC2008超聲波成像檢測系統(tǒng)，該儀器具備ISONIC2005的導波檢測功能，可快速實現(xiàn)導波檢測數(shù)據(jù)存儲、記錄及分析；同時，選用帶有縱向模擬缺陷的Φ60 mm×6 mm的小直徑管對比試塊進行檢測靈敏度調(diào)節(jié)，模擬缺陷為1 mm寬、1 mm深的縱向切割槽。采用從某廠定制的帶曲率國產(chǎn)周向導波探頭，首先對導波傳播距離進行測定，將探頭置于對比試塊表面，保持探頭與管壁耦合良好，捕捉到模擬缺陷信號最大回波，將探頭沿單方向轉動，不斷增大探頭與模擬缺陷的距離，并適當調(diào)節(jié)增益，晶粒噪聲最大控制在15%左右，當缺陷最大反射波降低到滿屏幕20%時，記錄下此時傳播距離，并將此距離作為最大檢測距離，經(jīng)實測，所選用國產(chǎn)探頭對1 mm深的模擬缺陷檢測距離能達到130 mm左右，所選用的對比試塊如圖2所示。

圖2 對比試塊示意圖

4 結果分析及討論

4.1 周向導波檢測效果分析

對某電廠規(guī)格為Φ62 mm×4 mm的小直徑薄壁無縫管進行周向導波檢測，利用上述對比試塊進行檢測靈敏度調(diào)節(jié)，保持探頭與對比試塊耦合良好，捕捉到缺陷反射回波，并前后旋動探頭，找到缺陷的最大反射回波，為避免噪聲過大影響檢測結果分析，對靈敏度進行調(diào)節(jié)時，可適當降低增益，將晶粒噪聲控制在15%以下，且反射體最大回波控制在滿屏的80%左右作為檢測靈敏度，檢測靈敏度調(diào)節(jié)效果圖如圖3所示。

圖3 檢測靈敏度調(diào)節(jié)效果示意圖

依據(jù)實測探頭的檢測距離，采用半周檢測的方案對該小直徑管進行檢測，并制定工藝如下：將探頭與管壁耦合良好，沿管壁軸向進行逐段檢測，完成管道的半周檢測，之后將探頭旋動180°，往軸向相反方向完成剩余半周的導波檢測，以最初設定的檢測靈敏度作為參考，當缺陷最大反射回波大于滿屏幕80%時，則說明其當量深度大于1 mm，由于導波在小直徑管內(nèi)外壁的振動位移形態(tài)相仿，因此對同一小直徑管內(nèi)外壁同等缺陷檢出能力相近，但針對不同類型的缺陷其檢測效果也有所不同。具體檢測效果如圖4所示。圖4（a）為裂紋缺陷檢測波形圖，其反射波信號強烈，波形尖銳；圖4（b）為內(nèi)壁腐蝕坑缺陷檢測波形圖，其反射聲壓低，動態(tài)變化反應遲緩，兩種缺陷具有不同的波形形貌，但通過周向導波檢測均能明顯檢出，且檢測靈敏度較高，保證了小直徑管缺陷的檢出率。

圖4 導波檢測結果

4.2 檢測距離對檢測靈敏度的影響

圖5為同一缺陷不同位置的周向導波檢測結果。由圖5可知，增大探頭至缺陷間的距離，缺陷反射波幅明顯降低。從波形上看，導波回波寬度有所增大，這主要是因為導波的頻散現(xiàn)象所致，即在管道中傳播的超聲導波其相速度和群速度隨頻率的變化而變化，降低了檢測分辨率[10-11]，而導波相速度不僅取決于探頭頻率，還與管材的特性有關，即使材質相同，其頻散曲線也會因壁厚、直徑等參數(shù)不同有所變化，所以在實際應用中，應盡量避免導波的頻散現(xiàn)象，并輔以信號處理和模式識別等工具來解決工程中的探傷問題。

圖5 同一缺陷不同位置的周向導波檢測結果

5 結 論

（1）利用對比試塊對定制的國產(chǎn)導波探頭檢測距離進行了測定，其對1 mm深的模擬缺陷檢測距離能達到130 mm左右。

（2）通過對晶粒噪聲有效控制以及檢測靈敏度的有效調(diào)節(jié)，能夠實現(xiàn)薄壁小直徑管缺陷的有效檢出，且應用效果較好。

（3）增大探頭至缺陷間的距離，缺陷反射波幅明顯降低，且回波寬度有所增大，在實際工程檢測中，應盡量避免導波頻散帶來的檢測分辨率降低的現(xiàn)象。

[1]牛曉光,宋慶學.小徑管超聲導波探傷的應用研究[J].河北電力技術,2001,20（5）:10-11.

[2]杜好陽,張春雷,隋忠學,等.電站鍋爐小徑管母材缺陷檢測的導波技術及其應用[J].吉林電力,2002（3）:1-3.

[3]周正干,馮海偉.超聲導波檢測技術的研究進展[J].無損檢測,2006,28（2）:57-63.

[4]馬慶增,張春雷,張新祥.超聲導波檢測技術在小直徑管檢測中的應用[J].廣東電力,2012,25（9）:76-78.

[5]李隆濤,何存富,吳斌.周向超聲導波對管道縱向缺陷檢測的研究[J].聲學學報,2005,30（4）:343-348.

[6]郭秋娟,蔡桂喜,董瑞琪.小口徑薄壁管中縱向缺陷的周向超聲導波檢測[J].無損檢測,2009,31（3）:201-205.

[7]何存富,李隆濤,吳斌.周向超聲導波在薄壁管道中的傳播研究[J].實驗力學,2002,17（4）:419-424.

[8]何存富,李隆濤,吳斌.空心圓柱體中的周向超聲導波[J].機械工程學報,2004,40（8）:7-12.

[9]李一博,靳世久,孫立瑛.超聲導波在管道中的傳播特性的研究[J].電子測量與儀器學報,2005,19（5）:63-66.

[10]齊向前.導波檢測技術在小徑管檢測中的應用[J].無損檢測,2014,36（8）:54-56.

[11]吳斌,鄧菲,何存富.超聲導波無損檢測中的信號處理研究進展[J].北京工業(yè)大學學報,2007,33（4）:342-348.

Research on Circumferential Ultrasonic Guided Wave Testing of Small Diameter Thin-walled Seamless Tube

ZHAO Yuan
（Tianjin Chengxinda Metal-Testing Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China）

In order to conduct systematic research on circumferential ultrasonic guided wave testing of small diameter thin-walled seamless tube,with ultrasonic guided wave technology as the research object,the ultrasonic guided wave technology can realize the effective detection of small tube defects through the effective control of grain noise and effective regulation of detection sensitivity,and the application effect was good.Meanwhile,the customized domestic guided wave probe detection distance was measured by using a reference blocks,its detection distance of 1 mm deep defect can reach about 130 mm;increasing the distance between the probe and defects,the defect reflection amplitude was significantly reduced,and the echo width increased.In the practical engineering detection,it should try to avoid detection resolution reduction caused by the phenomenon of guided wave dispersion.

testing;ultrasonic guided wave;small diameter tube;circumference;sensitivity;reflected wave;resolution

TH878

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.013

趙 遠（1988—），男，碩士，主要從事無損檢測新技術及金屬材料組織性能控制研究。

2016-07-04

汪翰云