超聲導波技術在特種設備檢測中的應用研究

摘 要：由于特種設備具有一定的特殊性，因此其對于質量檢測、損傷檢測的要求較高，而超聲導波技術對于特種設備檢測具有較高的應用性。本文將通過以某焊接結構為例，在簡單闡明超聲導波成像檢測系統具體構成的基礎上，通過探究超聲導波技術在特種設備檢測中的實際應用進行簡要分析研究。

關鍵詞：超聲導波技術;特種設備;設備檢測

在對特種設備進行檢測過程中，如果采用傳統的檢測技術手段，雖然可以在一定程度上完成特種設備探傷與質量檢測，但容易在檢測過程中對特種設備造成二次損傷，同時其檢測精準度也難以始終維持較高水準。而超聲導波技術則可以有效突破傳統檢測技術中的局限性，其可以在避免對特種設備造成損傷的基礎上，快速、精準地完成特種設備檢測工作，對于保障設備質量具有重要作用。

一、超聲導波技術的簡要概述

（一）超聲導波概念

超聲導波從本質上來說屬于激光，超聲導波可以根據給定形狀完成機械傳播，且超聲導波直接受到構件邊緣的約束作用影響。從類別角度來看，超聲導波類型眾多，主要包括變形波、縱波等等，一般在管道狀的特種設備檢測當中，所使用的超聲導波類型為扭力波和縱波，其中前者的傳播介質只局限于固體，因而通常在管道焊接件和鑄造件的檢測當中，會采用扭力波進行檢測。

（二）具體技術原理

超聲導波技術是當前在特種設備檢測當中常用的檢測技術之一，該技術主要是通過運用探頭陣列發出的超聲能脈沖，此種脈沖充斥整個圓周方向以及焊接件和鑄造件的構件壁位置上，并向四周進行傳播。最后由同樣的探頭陣列付反饋回的信號進行驗收，若在檢查過程中發現焊接件、鑄造件的構件壁位置厚度出現明顯改變，此時在構件內壁與外壁的位置處均會有反射信號產生，探頭陣列將會自動捕捉其產生的反射信號并進行反饋分析。根據這一技術原理，如果焊接件或鑄造件等特種設備的外壁與內壁因受到腐蝕或其他因素影響而存在一定缺陷，則通過利用超聲導波技術可以有效幫助工作人員快速、精準地檢測特種設備具體質量情況，及時判斷其存在的質量問題。即檢測人員可以通過根據被測設備中各缺陷所產生的附加波形，在完成信號轉換后對特種設備的具體外形、缺陷類型及嚴重程度等進行準確區分。

二、檢測對象與檢測系統

（一）檢測對象

為有效說明超聲導波技術在特種設備檢測中的實際應用，本文選擇以某大尺度焊接結構檢測為例。該焊接結構主要由鋼板的立板和底板等焊接而成。其中立板與立板之間的焊接采用對接焊接的方式，而立板在與底板進行焊接時則采用T形焊接的形式，鋼板相互搭接焊接最終構成底板。在該焊接結構當中所使用的鋼板材料為Q235A，底板與立板的厚度分別為8mm與12mm。[1]由于該焊接結構當中擁有眾多焊接縫，因此為有效保障焊接結構整體質量，在進行檢測時通過結合實際情況，檢測人員最終選擇使用超聲導波技術。

（二）檢測系統

在使用超聲導波技術對該大尺度焊接結構進行檢測時，檢測人員通過結合實際檢測要求以及各項現有優勢資源與技術條件，在壓電效應的基礎上，利用專業的超聲導波檢測儀、超聲導波換能器等將其與待檢測的大尺度焊接結構進行相互連接，進而構成了一個完整的可現場成像的超聲導波檢測系統。檢測人員將8個超聲導波換能器構成的線型數組，布設在焊接結構構件底板邊緣處，其中每一個換能器的主頻均為1MHz，數組布陣間距為5mm。在方波脈沖的激發下，鋼板當中由超聲導波換能器所產生的超聲導波模態基本為0階模態，人工缺陷回波信號主頻約為0.45MHz。在此次檢測過程中，檢測人員選擇將最佳脈沖激勵頻率設定為0.5MHz。在對焊接構件進行超聲導波檢測時，工作人員需要利用計算機分析處理采集得到的信號，并運用壓縮空氣及時清理干凈底板、立板等構件部件，以防止在超聲導波檢測過程中，焊接構件表面和傳感器之間無法實現良好接觸。而在運用低頻超聲時，無需使用耦合劑，但同樣需要檢測人員及時對被檢測設備表面進行清理。在探頭探測位置處要求檢測人員嚴格按照相關規定要求對其進行氧化處理，為保障檢測結果的真實性和有效性，檢測人員需要在20min內完成焊接構件的超聲導波檢測工作。

三、檢測結果分析

（一）焊接結構成像檢測數組信號

在利用該超聲導波成像檢測系統對焊接構件進行檢測中，可知當檢測距離在不超過4m的聲程范圍時，可得到明顯的數組信號，此時系統能夠清晰現實出4道焊縫數組信號。在檢測距離在2.4m之內，檢測信號具有較強的數組特征，而在檢測距離在2.4m到4m之間時，信號數組雙曲線特征相對較弱，這主要是由于經過眾多散射體的散射作用影響，聲波的波形以及傳播路徑等均會發生一定變化，進而在一定程度上減弱信號數組雙曲線特征。基于信號數組特征角度下的焊縫1，其作為T形焊縫，在長期暴露在外的情況下，底板外邊緣表面出現眾多大小各一、形狀不同的蝕坑，其直徑基本在1mm到2mm之間，受此影響超聲導波換能器同底板間無法形成平整耦合，耦合層厚度較大，使得聲波信號出現約有30dB衰減。[2]在檢測距離為1.6m時可檢測發現焊縫2，該焊縫屬于搭接焊縫。該搭接焊縫信號到達之后，對應的焊縫搭接頭反射信號才到達，兩者產生的聲程差在80mm到120mm，焊縫信號幅值比搭接頭信號幅值要小，與該焊接結構的實際情況基本相符。另外，在該焊縫及搭接頭處檢測發現具有較大線性尺度，且存在較為嚴重的聲波散射情況，其雙曲線數組特征相對較弱。在檢測距離為2.3m時刻檢測發現焊縫3，該焊縫形式同樣也屬于搭接焊縫。但因受到聲程變化以及焊縫散射的影響，該焊縫及其搭接頭信號極為相似，幾乎無法準確區分。而在焊縫3之前則是在檢測距離為2.1m位置處，立板當中的焊縫4，焊縫4的類型屬于對接焊縫。基于聲程角度而言，焊縫3與焊縫4之間的間距在200mm左右。在該大尺度焊接結構當中，焊縫3與焊縫4對應的部位并不相同，雖然在檢測過程中，二者的信號幅值均不強，但仍然可以進行區分。

（二）焊接結構超聲導波成像檢測圖像

在利用超聲導波技術對該焊接結構進行檢測的過程中，檢測人員在直接利用其建立的超聲導波成像檢測系統下，可以直接獲得相應的檢測成像結果。值得注意的是，由于成像檢測需實現的檢測距離相對較大，因此需要檢測人員結合實際情況，根據現有的超聲導波成像檢測換能器數量。將超聲導波成像檢測距離范圍設定在1.5m到3.5m之間，成像寬度設定為450mm。根據獲得的相關檢測圖像可知，當檢測距離分別為16m和1.7m時，可以清晰顯示出焊縫2及其對應的搭接接頭。當檢測距離分別為2.1m與2.3m時，則在超聲導波成像檢測圖中可以直觀看到該焊接構件中的焊縫4與焊縫3，另外圖像中也顯示出，當檢測距離為2.7m與3.1m時，也顯示出較為微弱的焊縫圖像。

通過結合檢測人員獲得的焊接結構超聲導波成像檢測圖像，檢測人員基本可以清晰、全面地了解在該焊接構件當中，各焊接結構的具體區域特征、焊縫是否存在缺陷等問題。[3]有研究指出，在實際使用超聲導波對特種設備進行檢測時，相較于傳統的檢測技術，超聲導波技術的靈敏度可以達到0.7%左右，而在現場檢查當中，超聲導波技術的檢測靈敏度最高也可以達到4.8%。尤其是在超聲導波成像技術的運用下，通過在成像圖中精確顯示出搭接焊縫與其對應的搭接接頭成像細節圖，對檢測人員準確掌握焊縫具體位置并對其缺陷空間位置進行準確定位具有重要的幫助作用。而根據相關研究資料可知，超聲導波技術在檢查特種設備內部情況時，主要采用低頻扭曲模態導波以及縱向模態導波，其中前者可以在朝向被檢測特種設備圓周方向進行振動的同時，朝特種設備軸向位置進行波形傳播，因此可以獲得良好的傳播效果。此時即便特種設備當中存在金屬液體或設備以特殊形式存在，聲能也不會受到實質性影響。可見超聲導波技術對于檢測帶有液體的特種設備也同樣具有一定的應用價值。

四、結語

通過本文的分析研究，可知在特種設備檢測中，運用超聲導波技術可在避免對被檢測設備造成二次損傷的情況下，有效幫助檢測人員全面掌握設備具體質量情況，及時鎖定缺陷位置并對其進行相應處理，有助于進一步保障特種設備質量水平。在實際運用超聲導波技術檢測特種設備時，檢測人員也需要充分結合特種設備實際情況及具體檢測需求，在嚴格依照國家相關標準要求進行規范操作下，以充分發揮出超聲導波技術的應有效用，切實完成特種設備檢測工作。

參考文獻：

[1]楊虎誠.利用超聲導波實現工業管道對接焊縫的遠距離掃描[J].中國設備工程，2018（14）：153-154.

[2]鄭陽，林樹青，鄭暉，等.金屬材料超聲無損檢測與微損測試新技術研究[J].中國特種設備安全，2016，32（11）：1-4.

[3]梅陽，劉獻游，王平杰，等.MsS超聲導波技術的管道缺陷檢測精度實驗研究[J].石油和化工設備，2015，18（11）：47-49.

作者簡介：李振杰（1976-），男，天津人，碩士研究生，工程師，研究方向為工程技術。