儲(chǔ)罐底板的在役超聲高頻導(dǎo)波檢測

鄧 進(jìn)，李 兵，劉書宏，魏孔山

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013；2.南昌航空大學(xué) 無損檢測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；3.化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，蘭州 730060）

超聲導(dǎo)波與傳統(tǒng)超聲波技術(shù)相比具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢［1］。首先，在構(gòu)件的一點(diǎn)處激勵(lì)超聲導(dǎo)波，由于導(dǎo)波本身沿傳播路徑衰減很小的特性，它可以沿構(gòu)件傳播非常遠(yuǎn)的距離，最遠(yuǎn)可達(dá)幾十米。超聲導(dǎo)波具有傳播距離遠(yuǎn)、檢測范圍大的優(yōu)點(diǎn)，常用于板中的缺陷檢測和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估［2－3］。另一方面，由于超聲導(dǎo)波在管（或板）的內(nèi)、外（上、下）表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場遍及整個(gè)壁厚（板厚），因此整個(gè)壁厚（或板厚）都可以被檢測到，這就意味著既可以檢測構(gòu)件的內(nèi)部缺陷也可以檢測構(gòu)件的表面缺陷。金屬儲(chǔ)罐常年在自然環(huán)境下工作，遭受內(nèi)含物的侵蝕，不可避免地會(huì)受到腐蝕。一旦儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，將對(duì)生產(chǎn)生活產(chǎn)生巨大損失，因此，儲(chǔ)罐腐蝕檢測顯得尤為重要［4］。利用超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測管道時(shí)具有快速、可靠、經(jīng)濟(jì)且無須剝離包覆層的優(yōu)點(diǎn)。

1 導(dǎo)波檢測原理

采用導(dǎo)波進(jìn)行儲(chǔ)罐底板在線檢測時(shí)，探頭在儲(chǔ)罐底板外露部分激發(fā)Lamb波，并接收底板上缺陷返回的反射波，通過分析處理獲得儲(chǔ)罐罐底的腐蝕狀況［5］。探頭激勵(lì)超聲導(dǎo)波，板的整個(gè)厚度都在作復(fù)雜的振動(dòng)，根據(jù)聲波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的特點(diǎn)，導(dǎo)波分為對(duì)稱（S）型和反對(duì)稱（A）型，每種型式又可以進(jìn)一步分成具有不同相速度cp的若干模式，通常用S0，S1，S2，A0，A1，A2表示不同的形式和階次（即模態(tài)）。當(dāng)超聲導(dǎo)波遇到板中的缺陷后，就會(huì)出現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，并且波形有不同程度頻散和衰減。通過對(duì)缺陷回波的數(shù)值分析和信號(hào)處理，可以得到缺陷位置和大小等信息。板中的導(dǎo)波頻散方程［6］如下所示：

群速度cg可以由相速度cp得到，如式（2）所示：

式中：cg和cp分別為群速度和相速度。

由上述方程可以得到薄板中各模態(tài)的相速度頻散曲線和群速度頻散曲線。以相速度為自變量，以函數(shù)間斷點(diǎn)劃分求解區(qū)域，用Matlab軟件可以繪制出導(dǎo)波在鋼板中傳播時(shí)的頻散曲線［7］。

不同模態(tài)的導(dǎo)波在缺陷的不同板厚處，質(zhì)點(diǎn)水平垂直振動(dòng)位移不同，對(duì)不同缺陷的檢出能力不一樣。因此，對(duì)于特定的缺陷，可以通過改變?nèi)肷浣恰㈩l率等方式激勵(lì)一定模態(tài)的導(dǎo)波。實(shí)際探傷中的導(dǎo)波模態(tài)是非常復(fù)雜的。由于儲(chǔ)罐經(jīng)過長期的使用，經(jīng)過風(fēng)吹日曬和儲(chǔ)罐內(nèi)溶液的腐蝕，使得表面粗糙，截面形狀不規(guī)則，所以在檢測中常采用對(duì)比試塊的方法對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測。

2 探頭的選擇

在采用超聲高頻導(dǎo)波檢測中，依據(jù)被檢工件厚度選擇探頭頻率和折射角度，見表1。

表1 高頻導(dǎo)波探頭選擇

3 人工試塊的研制

試塊上加工了不同種類和尺寸的人工缺陷，缺陷信息見表2。

表2 試塊人工缺陷參數(shù)

圖1為試塊俯視圖，加粗線條部分代表B1，B2，C1，C2四塊罐罐壁板。B1壁板厚度為22mm，由高度分別為1 000mm和500mm兩部分組成，詳見圖2，B2，C1，C2厚度和高度均分別為6mm 和100mm；整個(gè)試塊底板厚度為12mm，底板邊緣到壁板焊接部位，預(yù)留200mm，用于放置探頭。

圖1 試塊俯視圖

圖2 B1壁板主視圖

在B1和B2壁板側(cè)使用高頻導(dǎo)波對(duì)五種負(fù)載下的試塊進(jìn)行檢測，分別為無負(fù)載、帶油漆、帶壁板、帶壁板帶油漆和帶壁板注油，并且研究了不同壁厚的壁板對(duì)導(dǎo)波的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析在不同情況下高頻導(dǎo)波的檢測能力。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用以色列Isonic 2005便攜式聲定位多功能超聲成像檢測系統(tǒng)，如圖3所示。試驗(yàn)參數(shù)：脈沖重復(fù)頻率為500Hz，脈沖寬度為155ns，阻尼為1 000Ω，濾波頻率為2MHz。圖4為不同頻率的導(dǎo)波探頭。

圖3 Isonic 2005檢測儀

圖4 導(dǎo)波探頭

4.1 無負(fù)載時(shí)高頻導(dǎo)波掃查

對(duì)沒有任何負(fù)載的試塊在B1側(cè)和B2側(cè)進(jìn)行檢測，試塊上所有19個(gè)不同尺寸的缺陷回波能量高、輪廓清晰。B1側(cè)（2區(qū)）掃查圖如圖5所示。

圖5 B1側(cè)（2區(qū)）掃查圖譜

4.2 壁板厚度對(duì)高頻導(dǎo)波影響

試驗(yàn)壁板厚度有兩種規(guī)格，B1壁板厚度為16mm，其他三個(gè)壁板厚度均為6mm。因此厚度對(duì)高頻導(dǎo)波的影響我們可以通過在B1側(cè)的掃查和B2側(cè)的掃查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出。掃查結(jié)果如圖6所示。

圖6 壁板16mm和6mm的掃查圖譜

通過圖6分析可以發(fā)現(xiàn)，壁板厚的高頻導(dǎo)波始波寬度比壁板薄的小，掃查時(shí)前端盲區(qū)也小。通過此次試驗(yàn)，可以得出結(jié)論：壁板越薄對(duì)高頻導(dǎo)波的衰減越大。

4.3 帶壁板無油漆注油缺陷底板掃查

帶壁板注油試塊實(shí)物圖如圖7所示。高頻導(dǎo)波在不同邊界條件下的傳播特性各不相同，油層改變了高頻導(dǎo)波的傳播特性，對(duì)導(dǎo)波能量有衰減作用。油層使得高頻導(dǎo)波始波盲區(qū)明顯增大，缺陷回波能量減弱，對(duì)檢測產(chǎn)生不利影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高頻導(dǎo)波標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷雖然能量減小，但是仍然能清晰顯示缺陷。如圖8所示。

圖7 帶壁板注油試塊實(shí)物

圖8 帶壁板注油掃查圖譜

表3和表4分別表示從B1側(cè)和B2側(cè)掃查的缺陷回波幅值。無負(fù)載試塊中缺陷均有較強(qiáng)的回波能量，其中槽型缺陷回波能量較大，高頻導(dǎo)波對(duì)發(fā)現(xiàn)此類缺陷有較高的靈敏度。高頻導(dǎo)波經(jīng)過長距離的傳播，能量衰減。儲(chǔ)罐壁板面積較大，所以在儲(chǔ)罐檢測中，從不同方向，分多個(gè)區(qū)對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行檢測尤為重要。

上述五種不同條件的高頻導(dǎo)波對(duì)比試驗(yàn)中，油漆、儲(chǔ)罐內(nèi)的溶液，壁板及壁板厚度都對(duì)高頻導(dǎo)波能量有明顯的衰減作用，檢測靈敏度下降，增大了檢測難度。但是在試驗(yàn)中都能清晰地發(fā)現(xiàn)人工缺陷3，4，5，14，15，說明高頻導(dǎo)波檢測方法能滿足對(duì)儲(chǔ)罐底板的檢測，能有效發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板的腐蝕缺陷。

表3 從壁板B1側(cè)掃查缺陷回波幅值 dB

表4 從壁板B2側(cè)掃查缺陷回波幅值 dB

5 在役檢測試驗(yàn)

通過罐體外側(cè)邊緣板采用檢測T－8401A常壓儲(chǔ)罐罐底板腐蝕情況。超聲高頻導(dǎo)波檢測部位示意圖，如圖9所示。

圖9 T－8401A罐俯視圖

檢測時(shí)以偏東方向人孔左邊為起始點(diǎn)，每450mm為一個(gè)掃查區(qū)，將整個(gè)罐底外側(cè)邊緣板分成362個(gè)掃查區(qū)域。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同位置，不同深度的2個(gè)腐蝕缺陷，如圖10所示。

6 結(jié)語

超聲導(dǎo)波檢測法具有單次檢測距離遠(yuǎn)，靈敏度高等特點(diǎn)，能大大縮短檢測時(shí)間和工作強(qiáng)度，并且提供真實(shí)可靠的檢測結(jié)論。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油漆、壁板和油對(duì)高頻導(dǎo)波都有衰減作用，導(dǎo)波頻散程度加重，使得缺陷回波能量減小，缺陷圖像變得模糊，對(duì)儲(chǔ)罐底板檢測產(chǎn)生不利影響，但是能清晰發(fā)現(xiàn)高頻導(dǎo)波標(biāo)準(zhǔn)缺陷。在現(xiàn)場檢測中，采用高頻導(dǎo)波檢測技術(shù)對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行全面探傷，能有效發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板的腐蝕缺陷。試驗(yàn)證明了高頻導(dǎo)波檢測技術(shù)能滿足對(duì)儲(chǔ)罐底板腐蝕缺陷的檢測要求。試驗(yàn)方法和結(jié)論對(duì)于在役儲(chǔ)罐腐蝕類缺陷的超聲高頻導(dǎo)波檢測具有良好的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

圖10 T－8401A儲(chǔ)罐罐底板腐蝕缺陷導(dǎo)波檢測圖

［1］ 林遠(yuǎn)龍，陳虎，祝金丹.常壓儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況檢測與安全評(píng)估方法［J］.設(shè)備管理與維修，2010（11）：47－49.

［2］ YE Lu，LIN Ye，ZHONG Qing－Su，et al.Quantitative assessment of through－thickness crack size based on Lamb wave scattering in aluminum plates ［J］.NDT＆E International，2008（41）：59－68.

［3］ CASTAINGS M，HOSTEN B.Lamb and SH waves generated and detected by air－coupled ultrasonic transducers in composite material plates［J］.NDT＆E International，2001（34）：249－258.

［4］ 王啟宏，陳虎，竺國榮.常壓儲(chǔ)罐底板腐蝕及其安全檢測技術(shù)［J］.無損探傷，2010，34（6）：45－47.

［5］ 肖賢軍，劉麗川，劉子厚等.超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測儲(chǔ)罐底板缺陷［J］.無損檢測，2008，30（1）：6－8.

［6］ 劉增華，何存富，吳斌等.利用蘭姆波對(duì)板狀結(jié)構(gòu)中隱蔽腐蝕缺陷的檢測［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2005，02：166－170.

［7］ 李光海.常壓儲(chǔ)罐檢驗(yàn)檢測技術(shù)法［J］.無損檢測，2010，32（7）：509－6.