超聲導波技術在起重機結構檢測上的應用難題

夏常福，胡靜波

（南京市特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇南京210017）

超聲導波技術在起重機結構檢測上的應用難題

夏常福，胡靜波

（南京市特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇南京210017）

首先介紹了起重機結構件無損檢測的需求和超聲導波測試技術的特點，并介紹了我國超聲導波技術研究現狀及其在結構檢測上的應用，最后分析了在起重機結構無損檢測中采用超聲導波技術需解決的幾個關鍵難題。

超聲導波；起重機結構；無損檢測

起重機是機電類特種設備中的一種，其在服役過程中，由于載荷、溫度、腐蝕等因素的影響，結構會逐漸老化，主要表現形式是出現不同程度的損傷，從而導致結構的承載能力下降。如果在初始階段沒有檢測出這些損傷并采取相應的措施，損傷會逐漸累積，最終導致起重機結構的失效，嚴重時會引起設備的徹底損毀，帶來人員、財產的重大損失。為了減少損傷對起重機結構帶來的不良影響需要對其進行安全檢測，通常使用的是無損檢測的方法，即在不損害或不影響被測對象的前提下，采用聲、光、電等各種物理檢測方法判斷被檢對象中是否存在缺陷。

在常用的滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測、超聲波檢測和射線檢測五大無損檢測中，超聲波檢測由于其適用范圍廣，對人體無害而獲得廣泛應用。超聲波穿透能力強，對構件沒有傷害，超聲檢測則是使超聲波進入待測試件，利用超聲的反射、散射和折射等方式對試件進行宏觀缺陷檢測。由于其檢測能力強，檢測范圍廣，所需的設備簡單，對被測物沒有污染，在無損檢測中得到非常廣泛的應用。

在超聲檢測中主要應用的波型有縱波、橫波、表面波（瑞利波）和Lamb波等。用常規超聲掃查方式檢測大型構件相當費時、費力，而且檢驗范圍有一定的隨機性和局限性，而超聲導波具有傳播距離遠、速度快的特點，適用于起重機大型構件的大面積損傷檢測。導波中的Lamb波其產生的機理是橫波斜入射或者縱波垂直入射進入結構中進行傳播，在一定距離之后超聲波已不再是普通的橫波或者縱波而是導波。Lamb波由于傳播衰減小、檢測范圍廣、對小損傷敏感，且在無損檢測領域應用時間長、技術較為成熟，可以被很好的應用到起重機大型構件的損傷檢測中。

1　應用現狀

目前，超聲導波測試技術在起重機領域的應用尚處于空白。起重機金屬結構由鋼板組成，通過焊接或螺栓連接，具有尺寸大、結構規則、焊縫多等特點。根據起重機金屬結構的特點，近年來國內在超聲導波領域可借鑒的研究主要包括：

北京工業大學的孫雅欣等[1]利用高頻縱向導波對鋼桿進行了研究，根據在桿狀結構中波導傳播具有頻散現象及多模態的特征，選擇特定頻率下的單音頻信號激勵超聲導波，研究結果表明在一定的頻率下的縱向模態可用來對埋于介質中的鋼桿進行檢測。該方法可應用于起重機大面積結構中導波信號傳播特性的研究。

天津大學的李一博、靳世久等人[2]針對長距離管道檢測過程中經常會遇到的環形焊縫和彎管情況進行了導波測試研究。文中采用了縱向和扭轉模態導波，對導波在連續穿越七條環形焊縫和一段彎管的傳播特性進行了研究，并且對其在檢測凹槽、焊疤、支路等缺陷或管道特征方面的能力進行了對比。該方法對起重機結構中導波信號跨越焊縫時的傳播特性研究具有指導意義。

文獻[3]利用ANSYS軟件對管道超聲縱向導波裂紋檢測進行了數值模擬。通過模擬管道中的縱向入射應力波，對含單、雙裂紋的管道模型進行了仿真模擬。文獻[4]利用Abaqus軟件對導波在較厚結構中的傳播進行了仿真模擬。同時對無損傷及有損傷的仿真模型進行了實驗驗證，實驗信號與仿真波形具有很好的吻合度。利用仿真軟件對信號傳播進行數值模擬的方法同樣適用于起重機結構中導波信號的傳播研究。

2　需解決的關鍵技術

雖然超聲導波檢測對于大型結構件的損傷檢驗具有其他形式無損檢測方式難以比擬的快捷高效，但由于導波在激勵、傳播、接收以及信號處理方面的復雜性，其并未真正在工業生產尤其是起重機等大型結構件的無損檢測中獲得廣泛的應用。如需要在起重機結構測試領域應用導波測試技術上，尚需要解決以下的關鍵技術。

（1）導波缺陷識別仿真技術

對缺陷識別仿真技術的研究，包括：需要分析傳感器與板結構之間的作用機制，研究傳感器激勵機制和對激勵信號做出選擇；可采用ANSYS或ABAQUS等通用型有限元仿真軟件進行導波板內傳播的有限元模擬仿真，綜合考慮頻散、能量、激勵精確度等因素的影響，在仿真時選擇合理的計算參數，以確保計算的精度和效率；利用有限元法進行數值模擬不同的導波模式并研究其特性，研究不同導波模式與不同類型缺陷的相互作用，即在缺陷處的散射問題，包括導波在缺陷處的反射和折射系數以及在缺陷處的位移和能量變化等；研究超聲導波信號中的特征量提取方法，利用時頻域分析方法盡量提取導波信號的特征量，并分析其趨勢，利用仿真信號并結合神經網絡等技術對鋼板結構中不同缺陷進行識別，驗證算法。

（2）導波缺陷識別的實驗研究

使用實驗的方法模擬鋼板結構中的裂紋、孔洞等缺陷，采用傅里葉變換（FFT）方法、短時傅里葉變換（STFT）方法和希爾伯特變換（HHT）等方法對Lamb波信號進行模式分析，研究不同形態的缺陷對波傳播的影響，研究其特性，并利用缺陷識別算法來識別反推缺陷尺寸、位置等信息；之后利用導波檢測系統探測不同深度和型式的缺陷，通過分析導波特性，利用缺陷識別算法達到識別缺陷信息的目的。

（3）導波檢測分析軟件的研發

由于導波測試數據量較大，考慮到儀器的效率和性能，在現場采集時采用USB接口從儀器向PC機傳輸數據具有極大便利性。為此需進行USB固件的開發，特別是MassStorage協議的處理部分的開發；需要進行USB上位機驅動的開發，建立USB固件與PC端分析軟件的橋梁；進行PC端軟件的開發（可采用Visual C++等高級語言進行），開發出具有數據采集顯示模塊、FFT變換模塊、降噪處理模塊、短時傅里葉變換模塊等在內的分析軟件。

（4）適用于現場檢測的裝置研發

根據起重機現場的情況、采用的檢測標準和實際的檢測條件，選取符合實際應用的探頭類型、參數以及導波在結構中產生出的特定導波模態進行現場測試裝置的搭建。搭建的測試裝置在滿足測試要求的前提下應當盡量選取低功耗、集成化程度高的芯片，以達到功耗低、微型化和模塊化的要求。

3　結束語

本文對超聲導波技術在起重機結構檢測上的應用進行了分析，總結提出了其應用需要解決的幾個技術難題。通過解決這些難題可以研制出適用于起重機結構的基于超聲導波技術的無損檢測裝置。通過該裝置的使用，可在起重機使用現場快速、準確的判斷結構損傷，減少由于結構損傷帶來的事故隱患，推動起重機行業的整體技術進步，更好的保障起重機使用安全性，帶來極大的經濟效益和社會效益。

[1]何存富，孫雅欣，王秀彥，等.高頻縱向超聲導波在埋于無限大介質中鋼桿的傳播特性[J].機械工程學報，2007，43（3）：82-88.

[2]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）：63-66，89.

[3]周義清，王志華，馬宏偉.超聲縱向導波進行管道裂紋檢測的數值模擬[J].中北大學學報：自然科學版，2006，27（3）：258-262.

[4]孫凱，孟光，葉林，等.基于超聲導波的鋼梁結構損傷大小識別研究[J].振動與沖擊，2011，30（9）：227-231.

Application of Ultrasonic Guided Wave Technology in Crane Structure Inspection

XIA Chang-fu，HU Jing-bo
（Nanjing Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Nanjing Jiangsu 210017，China）

This paper introduces the characteristics of guided wave testing technology and ultrasonic nondestructive testing needs parts of crane structure，then introduces the research status of China’s ultrasonic guided wave technology and its application in structure detection，finally analyzes several key problems in nondestructive detection using ultrasonic guided wave technology to solve the crane structure.

ultrasonic guided wave；crane structure；nondestructive testing

TH21

A

1672-545X（2016）10-0198-02

2016-07-17

夏常福（1962-），男，江蘇人，本科，主任，研究方向：特種設備檢驗檢測技術研究。