淺談普通超聲波測厚儀在高溫界面的應用

程小翠

摘 要：LA-30型超聲波測厚儀由于其使用方便、操作簡單、價格相對較低的特點，在特種設備檢驗行業等到了很廣泛的應用，但由于其探頭晶振片材質原因，不能使用于高溫容器表面的壁厚測定，所以解決普通超聲波測厚儀不能在高溫壓力容器表面進行壁厚測定的難題，對節約損耗，降低成本具有一定的現實意義。

關鍵詞：超聲波測厚儀;高溫測厚

前言：TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中規定，金屬壓力容器定期檢驗項目中，以壁厚測定等項目為主，壓力容器金屬厚度滿足強度要求是壓力容器安全保障的基本要求，所以在定期檢驗中，準確地檢測出壓力容器壁厚對壓力容器最終的安全等級評定尤為重要。隨著工業的快速發展，在用壓力容器呈現高溫、高壓、高危害性的特點。對于高溫類壓力容器，一般檢驗單位選擇使用超聲波高溫測厚儀進行壁厚測定，但超聲波高溫測厚儀價格較高，高溫耦合劑易損耗，故研究如何使用普通超聲波測厚儀在高溫界面進行壁厚測定存在一定現實意義。

一、超聲波測厚儀測厚原理

超聲波測厚儀是根據超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當探頭發射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內部傳播的各種材料均可采用此原理測量。

測厚儀發射始脈沖波，t時間后第一次底面反射回波被接收到，兩者的時間差乘以聲速，再除以2，就是超聲波在工件一個單程傳遞的路程，即厚度值。

由于超聲波在空氣中難以傳播，因此探頭與被測面之間必須涂抹耦合劑、“擠掉”空氣間隙，使超聲波有效地傳播進入被測件內部，并獲得底面的反射號。該反射信號必須足 夠穩定、明確、清晰，儀器才能辨識并進行計算，從而顯示厚度值。

二、超聲波在異質界面的傳播規律

測厚儀發射始脈沖波，由一種界面傳播到另外一種界面，所以弄清楚超聲波在異質界面的傳播規律是改變傳統容器壁厚測定方法的前提。

超聲波是超聲振動在介質中的傳播，其實質是以波動形式在彈性介質中傳播的機械振動。把充滿超聲波的空間，或在介質中超聲振動波及的質點所占據的范圍稱為超聲場。聲壓、聲強、聲阻抗是描述超聲場特征的幾個重要物理量，也就是超聲場的特征量。

超聲波在界面發生折射的能量分別用聲強反射率R1和聲強透射率T1表示，同時也用聲壓反射率R和聲壓透射率T來表示超聲波傳播特性。

超聲波垂直入射到單一平界面上，超聲波垂直入射界面時產生一個與入射方向相反的反射波，和一個與入射波同方向的透射波，而波型沒有改變。

用角標i、r和t分別表示入射、反射和折射。在垂直入射時介質兩側聲波必須滿足兩個邊界條件：①一側總聲壓等于另一側總聲壓：Pi+Pr=Pt ②兩側質點速度振幅相等，保持連續性：Vi+Vr=Vt

式中 Pi=ρ1C1Vi=Z1Vi

Pt=C2ρ2Vt=Z2Vt

Pr=-ρ1C1Vr=-Z1Vr

所以 公式一

公式二

其中R稱為聲壓反射率，T稱為聲壓透射率，Z稱為聲阻抗，Pr為反射聲壓振幅，Pt為透射聲壓振幅，Pi為入射聲壓振幅。

三、改變普通探頭與高溫容器表面接觸方式的可行性分析

經上分析，由公式一、二知：①Z1<Z2時，入射聲壓和反射聲壓同相位，界面上反射波與入射波疊加類似駐波，故透射聲壓相當于入射聲壓和反射聲壓之和，如水/鋼界面。②Z1>Z2時，入射和反射聲壓反相，總聲壓相抵消而減小，故透射聲壓很小，如鋼/水界面。③Z1>>Z2時，聲壓（聲強）幾乎全反射，透射率趨于0，如鋼/空氣界面。④Z1≈Z2時，反射率R≈0，T≈1，聲波基本不發生反射，全部透射。

故表明，在第④種聲波全透射情況下，當滿足Z（外加特制墊片）≈Z（待測高溫容器），可以實現普通測厚儀在高溫容器表面的應用。（實際壁厚測定時外加特制墊片的使用如下圖）

四、總結

在實際檢驗的壁厚測定中，我們可以根據被檢容器材質的不同，預先制備相同或者相近材質的特制墊片（厚度盡量薄），并且在壁厚測定過程中，保證探頭與墊片之間、墊片與待測容器表面間的良好耦合，基本可以實現普通測厚儀對高溫容器進行壁厚測定。

參考文獻

[1]鄭暉，林樹青.超聲檢測.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.