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）

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節，從而實現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工藝問題而導致管材成型后表面或內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研究，為超聲導波技術在工業無損檢測中的應用提供參考依據。

2 超聲導波檢測原理

超聲導波的產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，邊界就會對超聲波產生往復不斷的反射，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、靈敏度高的優點，其工作頻率低于常規超聲波檢測，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，該儀器具備ISONIC2005的導波檢測功能，可快速實現導波檢測數據存儲、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節，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，并適當調節增益，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，經實測，所選用國產探頭對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節，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，對靈敏度進行調節時，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，檢測靈敏度調節效果圖如圖3所示。

圖3 檢測靈敏度調節效果示意圖

依據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外壁的振動位移形態相仿，因此對同一小直徑管內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）為內壁腐蝕坑缺陷檢測波形圖，其反射聲壓低，動態變化反應遲緩，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節，能夠實現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.

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[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.

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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