核電壓力管道表面粗糙度對超聲波測厚數據的影響

梁鵬飛，張繼榮，匡立中，王 勤

（蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004）

核電廠的壓力管道在使用過程中，其整體或局部會受到沖蝕、磨損等作用，而導致管壁逐漸減薄［1］。對其進行役前及在役壁厚檢測，不但可以獲取完整詳實的在役期間管道壁厚變化數據，而且能夠及時預防嚴重局部減薄造成的安全隱患。因此壓力管道的測厚工作一直被作為管道定期檢測時的主要檢測項目之一。筆者分析了導致壓力管道超聲波測厚過程中數據發生異常的原因，并重點分析了管壁外表面粗糙度對超聲波測厚結果的影響。

1 超聲測厚儀檢測原理

測厚儀采用的方法主要有共振法、干涉法及脈沖回波法。現在主要采用的是脈沖回波法［2］。超聲波測厚探頭與被測管道的表面通過耦合劑相接觸，在測厚儀控制下，由探頭晶片發射超聲脈沖，該超聲脈沖通過耦合劑進入管道后被內壁反射回來，繼而被接收探頭接收。

設聲波在管壁中的傳播速度為v，從發射聲波到接收到回波的時間間隔Δt，則管道的壁厚值d 為［3］：

2 超聲測厚儀指示值異常原因分析

管道超聲波測厚工作中，有時超聲波測厚儀指示值會顯示異常，如測厚儀無數據顯示、顯示值與管道壁厚相比明顯偏大或偏小等。造成指示值異常主要有現場操作、管道材質以及管道表面粗糙度等因素的影響［4］。

2.1 現場操作因素

在現場操作中，造成指示值異常的原因主要有以下幾種：

（1）耦合劑涂抹不均勻或有氣泡存在。這會造成探頭與管道表面耦合效果變差，聲波無法通過耦合劑進入到管壁中，從而導致指示值異常。比如在測厚工作中，測厚儀讀數經常會異常顯示為0～1.5mm之間，就是由于這種原因造成的。

（2）探頭擺放不正。特別是有些管道本身管徑較小時，非常容易導致探頭表面與管道表面接觸不良，導致聲強透射率低，指示值閃爍不穩。

（3）探頭表面發生磨損。常規超聲探頭表面為樹脂材料，長時間使用后會導致表面發生磨損，致使聲波衰減增加，靈敏度下降。

（4）測厚儀未進行校準或材料聲速設置不正確。在測厚前和測厚結束后，以及測厚儀工作一段時間后均需要對測厚儀進行校準，并且正確設置被測管道材質的聲速，否則就會造成示值異常。

2.2 管道材質因素

管道材質方面有以下幾個原因會造成指示值異常：

（1）被測管道內表面有較多的腐蝕凹坑。這會使超聲波在管道內表面發生散射衰減，導致指示值異常。

（2）被測管道內有較厚的沉積物。這時測厚儀指示值可能會顯示為壁厚加沉積層厚度。

（3）管壁內部存在缺陷。當管壁中存在如夾雜、夾層等缺陷時，聲波會發生嚴重的散射衰減，導致指示值失真。當缺陷較大時，測厚儀還可能會將缺陷處的回波當做內壁回波處理，致使讀數變小［5］。

（4）管道材質劣化。當管道材質發生劣化，比如氫蝕后，自身聲速會發生變化，導致測厚儀指示值失真。

2.3 管道表面粗糙度因素

管道外表面粗糙度過大會導致探頭與管道表面耦合效果變差，聲波在管道表面散射增加，反射回波降低，甚至接收不到穩定的回波信號，導致測厚儀指示值異常。

3 表面粗糙度對測厚數據的影響

由于管道表面粗糙度的影響，穩定的讀數實際上仍然是有偏差的［3］。為了進一步試驗表面粗糙度對測厚數據的影響，制作了5種不同粗糙度的不銹鋼制試樣，表面粗糙度Rz分別為：5.6，98.5，214.9，308.7，446.2μm，各試樣均為30mm 寬、15mm高，且下表面均光滑。使用的探頭標稱頻率分別為10，15，20MHz，均為點聚焦探頭，采用水浸耦合，測厚方法如圖1所示。

圖1 試樣測厚示意

下面采集5種不同粗糙度試樣在3種探頭測試下的底面回波，并對其進行了分析處理［6］。圖2所示是不同頻率下，不同粗糙時各試樣底面回波的脈沖寬度變化情況。

圖2 不同頻率，不同粗糙度時底面回波的脈沖寬度

從圖2中可以看到，試樣表面粗糙度對底面回波的脈沖寬度影響非常大，特別是粗糙度為214.9μm的試樣底面回波寬度最大。回波脈沖展寬主要是因為其在管道表面發生了散射，當超聲波波長遠大于表面粗糙度尺寸時屬于瑞利散射，這時散射強度較小；當粗糙度尺寸與超聲波波長相當時屬于米氏散射，其散射強度與粗糙度尺寸有關，散射情況復雜，散射強度大［7］。

筆者所使用三種探頭的超聲波波長在100～300μm之間，所以當Rz不大于214.9μm時，則隨著粗糙度的增加，散射增大，脈沖寬度隨之變寬；當Rz不小于214.9μm時，則隨著粗糙度的增加，散射反而減弱。

圖3是不同頻率，不同粗糙度時底面回波波峰與初始脈沖時間差的變化情況。

圖3 不同頻率，不同粗糙度下底面回波與初始脈沖的時間差

由圖3可以看到，在三種頻率下，隨著試樣粗糙度增大，底面回波波峰與初始脈沖時間差均逐漸增大。因此聲波入射到粗糙表面不同高低的位置，致使其在樣品中傳播聲程不同是造成上述結果的主要原因。在粗糙度增大的情況下，聲波入射到表面凹陷處時比入射到凸出處傳播的聲程更長，水的聲速小于鋼的聲速，因而造成了波峰位置在時間軸線上相應的后移。

4 結論

（1）在核電壓力管道超聲波測厚過程中，由于現場操作不當、管道材質具有缺陷以及表面粗糙度過大等，均有可能導致測厚數據異常。因此在檢測中要進行規范操作，在測厚儀讀數異常時應更換檢測位置，清理表面污漬后重新進行檢測。

（2）在表面粗糙度較大的情況下，即使能夠獲得穩定的測厚回波信號，回波也會發生展寬致使波峰辨識度降低，測厚結果準確度下降；同時回波波峰也會發生延遲，從而進一步導致測厚結果偏離準確值。因此在測厚時要特別注意被檢工件的表面粗糙度情況，盡量選擇平整光滑的表面進行檢測，必要時應打磨處理后，再進行測厚。

［1］廖民飛，史素梅.探討管道壁厚準確測量方法［J］.控制與測量，2000（3）：43－44.

［2］SHUTTLEWORTH P，MAUPIN J，TEITSMA A.Gas coupled ultrasonic measurement of pipeline wall thickness［J］.Pressure Vessel Technol，2005，127（3）：290.

［3］柯細勇，王占元，楊劍鋒，等.一種新型便攜超聲波測厚儀的設計［J］.傳感器與微系統，2011，30（12）：119－125.

［4］張建中，時耿海.超聲波測厚中指示值失真原因分析［J］.無損探傷，2007，31（1）：34－35.

［5］于寶虹，羅云東，邵志航.在役金屬管道壁厚檢測方法的應用性分析［J］.煉油與化工，2005，16（2）：34－35.

［6］林莉，李喜孟.超聲波頻譜分析技術及應用［M］.北京：機械工業出版社，2009：65－76.

［7］朱哲民，龔秀芬，杜功煥.聲學基礎［M］.南京：南京大學出版社，2001：388－414.