薄壁管檢測過程中超聲近場導波的實際運用

目前，在薄壁管道檢測中具有很多方法，但是傳統的檢測方法存在很多弊端，比如檢測效率低下、過程繁瑣、儀器復雜、可操作性差，基于這種情況在薄壁管道檢測過程中應用超聲近場導波，能夠進行長距離、全面的管道檢測。本文就通過對于超聲近場導波的分析，探討超聲近場導波在薄壁管檢測過程中的應用。

薄壁管應用在航空、電力、天然氣、石油等重要工業領域，薄壁管在生產制造的過程中由于制造工藝以及材料的原因，會使得薄壁管存在裂紋、劃傷等問題，嚴重地影響到了薄壁管的使用性能。超聲導波檢測技術，作為一種新型的無損檢測技術，利用超聲在管材中傳播的周向導波模式，來快速地提取并判斷管道中存在缺點的部位，并且檢測過程時間短、靈敏度高，本文就對于超聲近場導波檢測技術進行分析，并探討其在薄壁管檢測中的應用。

超聲近場導波的概述

導波的概念

在鋼管中超聲導波一般有三種形態，即縱向形態波、彎曲形態波和扭轉形態波[1]。當一個彈面中半空間被平行于表面的另一平面進行攔截時候，就會使具有一定厚度的方向成為有界的，并且會構成一個無限延伸的彈性平板。在這種情況下，位于板中的縱波、橫波以及完全形態的波就會在兩個平行的界面中進行反射，即在平行邊界制導的超聲波在板內進行相應的傳播，上述這樣一個過程被稱為是平板超聲波導，在這種情況下超聲波傳播的板波被稱為是Lamb波。另外，在圓柱形、棒形以及層型中傳遞的超聲波都是屬于導波，它們的相同之處在于傳播的環境都為兩個或者多個平行的界面。

超聲導波的產生以及基本原理

在應用超聲波進行檢測時候，被檢測的對象常常會被當成是一個理想化的模型，認為是一個具有均勻的無限介質，基于這種情況，體波可以分為兩種形式：縱波（或稱疏密波、無旋波、拉壓波、P波）和橫波（或稱剪切波、S波），它們以各自的速度傳播而無波形耦合。在這種情況下，進行超聲波的傳遞是沒有任何形狀變化的聲波，而超聲導波檢測技術，就是通過超聲波在傳遞的過程中，由于介質的不理想狀態產生的波變，對被檢測介質狀態進行判斷分析的檢測技術。

利用超聲導波進行薄壁管的檢測原理是，在理想的狀態下超聲波的傳遞是與一般的超聲波一樣在傳遞的過程中具有一定的形狀和連續性，而正是由于薄壁管的介質有一定的特殊性，在傳遞的過程中超聲波會發生不同形狀的變化，通過相應的設備來捕捉這些形狀的波變，來實現對于薄壁管質量的檢測。超聲導波，又稱為是制導波[2]，它產生的原理是與薄板中的蘭姆波激勵機理相似，通過在有限的介質中進行往返的反射產生復雜的疊加干涉以及幾何彌散形成的。但是，在一定厚度的管壁中進行適當的波形傳播，與一般情況下超聲波的探傷頻率相比要低很多，導波的使用頻率會控制在100kHz以下，因此導波對于單個的缺陷檢測靈敏度與正常情況下超聲波的檢測具有很大的不同，導波檢測距離一般是在20m～30m之間，并隨著距離的遠近而發生很大的變化，這種性質的導波在進行使用中的管道內外壁腐蝕以及焊縫危險性缺陷的檢測具有很大的優勢，它能夠完成管道在役狀態的快速檢測，內外壁可一次探測到，也能檢出管子斷面的平面狀缺陷。

超聲導波檢測的優點分析

在使用超聲導波進行檢測的過程中，具有以下優點：第一，穿透能力較強，超聲波在鋼制材料中的有效深度可以高達1m以上，對于平面形狀的管壁缺陷，利用超聲導波檢測能夠在很短的時間內檢測出來；第二，檢測的精度較高，使用超聲導波進行檢測可以對于被測量對象的缺陷形狀、深度、大小能夠清晰的進行檢測分析；第三，超聲導波檢測使用的設備輕便，操作簡單，能夠滿足在不同場合不同情況下的管道檢測，還有利于實現自動化的檢測。

超聲近場導波在薄壁管檢測過程中的應用

檢測中的要求

薄壁管檢測過程中對于管壁內部的裂紋、夾層雜質、氣孔縫多種缺陷都需要有一個精確的檢測，在使用超聲近場導波進行檢測的過程中，具有很高的要求，基于薄壁管的自身特點與航空不銹鋼管損傷檢測標準對比，在管壁厚度、管槽長度等多項參數指標都具有不同之處，表1為薄壁鋼管與航空不銹鋼管損傷檢驗標準對比表。

表1

薄壁管與航空不銹鋼管損傷檢測參數對比表

類 型 壁厚（mm） 槽長（mm） 槽深（mm） 槽深與槽厚比例

薄壁管 0.56 0.39 最小0.03 最小0.03

航空不銹鋼管 1.6 5.1 最小0.06 最小0.03

由表1可以看出，在進行薄壁管檢測時候，需要檢測的標準要求較高，并且檢測范圍相對較小，對于缺陷的定位精度要求較高。

檢測的過程

1）檢測設備的選擇。本文就超聲近場導波在薄壁管檢測中的應用研究，采用的檢測設備為ISONIC2005儀器的導波檢測功能[4]進行檢測，所使用的導波探頭為國內某廠家定制的，詳細的參數見表2。

試驗樣品的選擇為直徑為60mm×6mm的20G鋼管制作對比試樣，制作的標準依據國家對于無縫鋼管超聲探傷檢驗方法來進行制作，其鋼管內部周向槽尺寸示意圖如圖1所示，鋼管外壁縱向槽尺寸如圖2所示。

圖2中，1#、2#、3#、4#，為在內部進行加工的縱向槽，槽深和槽寬分別為1.5×0.5、1×0.5、0.4×0.3、0.3×0.3，單位均為毫米。圖2中5個縱向槽的寬度依次為0.5mm、0.5mm、0.3mm、0.3mm、0.3mm，槽與槽之間的間距為30mm。

2）縱向導波檢測。

圖3為縱向導波檢測內部周向槽時候，檢測波達到滿屏時候，不同高度與檢測距離之間的關系。由圖3的分析，在達到20%時候為靈敏度的極限，在導波檢測距離的增加過程中，波的反射能力會隨之下降。其中深度大于1mm的內部周向槽，深度越深，檢測距離越遠；反之，檢測距離會迅速的下降。

3）周向導波檢測。

圖4

圖4為超聲周向導波對縱向槽檢測結果，其中在反射波達到20%時候，檢測距離1#為140mm、2#為135mm、3#為116mm、4#為95mm、5#為85mm，可以分析出槽深對于導波的傳播距離會有一定的影響。

4）結果分析。綜上試驗結果分析，在進行超聲導波對于薄壁管踐行檢測過程中，一般導波的探頭與缺陷之間的距離增加的過程中，缺陷的回波幅度會下降，另外導波在記錄不斷增加的過程中導波會越來越小。因此，在薄壁管檢測過程中應用超聲近場導波時候，要控制好探頭的檢測距離，并且要控制好檢測的時間。

應用案例分析

在我國管道工程使用中，輸氣管道是作為人們生活和生產必須的管道工程，對輸氣管道進行檢測，是保證輸氣運輸安全、穩定、可靠的基礎保障工作，但是由于輸氣管道一般是埋于地下，會受到水源以及雨水的腐蝕，在進行檢測時候采用一般的檢測方法需要先進行管道的開挖、并且需要剝離防腐層等，還要對于檢測的角度進行不停的變換，檢測的效率低下。在輸氣管道中應用超聲近場導波檢測技術，可以實現檢測精度高、便捷，通過對于輸氣管道的回波信號的處理、分析，可以對管道進行100%的直接評估，檢測的過程中只需要將傳感器安裝在地面管道部分或部分開挖就可以實現管道檢測的全方位分析，不僅能夠優化檢測的工藝，還能夠減少停油停氣、管線的開挖以及管道維修的費用。

結論

綜上所述，薄壁管在各個行業應用十分廣泛，超聲近場導波檢測技術具有很大的實際意義。本文通過對于超聲導波檢測技術的分析，并探討了超聲近場導波檢測技術在薄壁管檢測中的應用，希望可以為相關研究人員提供一些參考。

參考文獻

[1]邢耀淇，高佳楠，陳以方.超聲近場導波在薄壁管檢測中的應用[J].無損檢測，2016，38（2）：5-8.

[2]趙遠.超聲導波對小直徑薄壁無縫管周向檢測的應用研究[J].焊管，2016，39（11）：52-54.

[3]叢思超，王覺.超聲導波檢測技術在小直徑管檢測中的應用[J].石化技術，2016，23（9）：71-72.

[4]吳興昌，王吉滿，趙成祥，等.超聲導波在管道檢測中的應用[J].科研，2016（12）：00020.

（作者簡介：孔明，西安三環科技開發總公司。）