利用超聲導波實現(xiàn)工業(yè)管道對接焊縫的遠距離掃描

楊虎誠

（鄂爾多斯特種設備檢驗所，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

覆蓋層下的鋼結(jié)構(gòu)是特種設備中極為普遍的結(jié)構(gòu)。這些覆蓋材料有很多類型，如保溫層、混凝土或是防腐蝕層等，這些覆蓋層起到了保護層下鋼結(jié)構(gòu)的功能，使鋼結(jié)構(gòu)免于腐蝕或起到加固作用。但覆蓋層的存在使對層下鋼結(jié)構(gòu)的定期檢驗的難度大大提高。主要問題來源于覆蓋層使檢測探頭難以直接接觸鋼結(jié)構(gòu)的表面來實現(xiàn)有效檢測。因此覆蓋層下鋼結(jié)構(gòu)及鋼管的檢測一直是特種設備檢測行業(yè)的一個難題。

近年來隨著超聲導波技術(shù)的發(fā)展，利用導波技術(shù)實現(xiàn)不可接觸區(qū)域的遠距離掃描已逐步推廣，如保溫層下的鋼管、埋地管道等等。這種檢測以低頻陣列式導波為主。但這種檢測方法的缺點一是低頻導波的分辨率有限，僅能對大面積的腐蝕區(qū)域?qū)崿F(xiàn)檢測，而且很難進行定量分析。另一個就是檢測所用的陣列式探頭價格昂貴，而且安裝拆卸均不方便。

本文提出了新型的導波檢測方法。該技術(shù)充分利用了導波在鋼管中傳播時圓周能量分布周期性重復的特點，實現(xiàn)了用單一探頭激發(fā)導波的遠距離自然聚焦。在該聚焦區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了管道對接焊縫的檢測。

本文首先討論了導波在鋼管中傳播時的自然聚焦原理，介紹了超聲導波與傳統(tǒng)體波傳播時的不同特點。分析了利用超聲導波自然聚焦特性實現(xiàn)鋼管對接焊縫遠距離掃描的可行性。然后介紹了我們采用的實驗儀器和超聲導波探頭，以及實驗樣管與檢測參數(shù)的設置。最后展示了實驗結(jié)果與分析，給出了結(jié)論。

1 超聲導波的自然聚焦原理

超聲導波在鋼管中傳播有多種模式，包括圓周對稱模式L（0，N）和非圓周對稱模式f（M，N）。當在管道上的激勵探頭沿圓周方向?qū)ΨQ時，如梳狀換能器，在管道中激發(fā)能量分布圓周對稱的導波L（0，N）。圓周對稱導波的特性以及在管壁內(nèi)的聲場振動分布與板材中的蘭姆波類似。當管道上的激發(fā)探頭為局部激發(fā)源時，管道中產(chǎn)生聲場沿圓周方向非對稱的導波。產(chǎn)生的非對稱導波聲場是各種導波模式L（0,N）與f（M，N）的疊加，其中L（0，N）為圓周對稱模式，F(xiàn)（M，N）為非圓周對稱模式。各模式的能量分布取決于發(fā)射源。由于各導波模式的相速度不同，所以各模式之間疊加后的效果會隨距離變化而變化。美國賓州州立大學的Li和Rose給出了由發(fā)射源推導出產(chǎn)生的導波中各模式的能量分布，以及給出了疊加后隨距離變化的聲場圓周分布。

超聲體波（縱波，橫波）在傳播時，在超過近場區(qū)域后聲場會逐步發(fā)散。與體波不同，在管道中的超聲導波由于能量集中在管道壁厚區(qū)域內(nèi)，能量不會產(chǎn)生越過遠場距離的發(fā)散。相反，聲場分布模態(tài)會隨傳播距離周期性重復。美國賓州州立大學的Li和Rose給出了聲場模態(tài)重復的距離。如果激發(fā)源是電源，經(jīng)過導波重復距離后，聲場又聚集到一起，也就是管道中導波的自然聚焦距離。

本文就是利用管道中導波聲場周期性重復以及自然聚焦的特性，實現(xiàn)了遠距離焊縫的導波掃描，得到了超聲導波檢測焊縫時的圓周分布圖像。

我們采用了工業(yè)管道常用的碳鋼無縫鋼管作為試驗樣管。樣管的內(nèi)徑和外徑分別是300毫米和324毫米，所以樣管的壁厚為12毫米，平均半徑為156毫米。樣管的長度為60米，由5根12米長的樣管焊接在一起。樣管示意圖如圖1所示。

圖1

激發(fā)的導波探頭為基于楔型塊的縱探頭組成導波探頭，如圖2。楔型塊的材料選用亞克力制作，楔形塊的角度可以根據(jù)所要激發(fā)的導波的相速度進行調(diào)節(jié)。

本實驗采用了上海鼎聲超聲導波檢測儀器，其中包括超聲導波檢測系統(tǒng)GUWIS2000。本檢測儀器可以激發(fā)頻率在50kHz到5MHz之間的窄帶脈沖序列（tone burst）。激發(fā)脈沖的峰峰值為150伏。檢測儀器激發(fā)的超聲探頭為上海鼎聲的低頻縱波探頭LUT200，中心頻率200kHz，帶寬50%。探頭和楔形塊組合在一起放在鋼管上的實物圖如圖2。

圖2

2 實驗結(jié)果(圖3）

圖3