承壓設備表面裂紋的高頻導波檢測

張子健 ，吳家喜，陳旭杰，陸建平，柴軍輝，2 ，張小龍， 胡 健

(1.寧波市勞動安全技術服務有限公司,寧波 315048 ； 2.寧波市特種設備檢驗研究院,寧波 315048)

承壓類特種設備在使用過程中，由于所儲存介質的特性特殊，極有可能發生環境開裂，較為常見的環境開裂有氯化物應力腐蝕開裂、濕硫化氫破壞中的硫化物應力腐蝕開裂、連多硫酸應力腐蝕開裂等。環境開裂在內外表面均有可能發生，傳統的裂紋檢測方式技術較為成熟，但同時存在一定的局限性。例如射線檢測的靈敏度受裂紋走向的影響較大，磁粉檢測對于大面積母材裂紋的檢測效率較低，渦流方法檢測表面裂紋還未廣泛應用于承壓類特種設備領域。高頻導波通過探頭在一定直線范圍內的移動，可對探頭前方一定范圍內的母材內外表面進行檢測，檢測效率高，現場適用性好，且具有較高的檢測靈敏度及定位精度。相比其他缺陷，高頻導波檢測技術對于裂紋這類面狀缺陷的檢測靈敏度較高，可在一定程度上彌補常規裂紋檢測技術的局限性，在大面積快速檢測母材裂紋方面具有獨特的優勢[1]。

1 高頻導波檢測原理

1.1 基本原理

導波是聲波在波導介質中傳播時，與介質邊界不斷發生反射、折射以及波型轉換而產生的一種特殊的聲波，比較常見的有蘭姆波、瑞利波等。板中傳播的超聲導波被稱為蘭姆波。蘭姆波是在自由板中產生的平面應變波，在板的邊界上來回反射并向前傳播，文章中檢測所用的高頻導波即為超聲蘭姆波[2]。

超聲蘭姆波是厚度與激勵聲波波長為相同數量級的一種特殊形式的應力波。超聲蘭姆波在板中傳播時，聲場遍及整個板厚，具有一定的傳播距離且衰減小，檢測時僅從一個探測點即可實現對板件的大面積長距離檢測。蘭姆波在板中傳播遇到缺陷時會有部分波發生反射和散射。檢測時，由于缺陷對蘭姆波傳播的阻礙作用，探頭最終接收到的板端邊界反射波信號能量比沒有缺陷時小，邊界反射波的幅值變小。缺陷反射波被接收后會在波形上出現一個小波峰，與沒有缺陷時相比，波形發生較大畸變。通過波形對比，如果邊界反射波與始波之間出現波峰就可判斷接收探頭與反射邊界之間存在缺陷，根據反射波包的衰減程度和出現位置就可以判斷缺陷的大小和具體位置。

1.2 導波的速度

群速度和相速度是導波的主要參數。其中群速度是指一束頻率相近的波群的前進速度，也是導波能量的傳遞速度；相速度是指導波的相位速度，即導波的某一恒定相位點的前進速度，二者的計算表達式分別為

Cg=dω/dk

(1)

Cp=ω/k

(2)

式中：k為導波波矢；ω為圓(角)頻率；Cg為群速度；Cp為相速度。

群速度與相速度的大小關系，存在以下3種情況：① 當Cp>Cg時，為正常頻散情況，發生在波群后面，向前移行，而后消失；② 當Cp=Cg時，無頻散現象；③ 當Cp

1.3 導波的頻散

導波在波導介質中傳播時存在多個模態，由于不同波成分的相速度不同，波群的形態在傳播過程中會發生變化，同時波的能量分布也會隨之改變，這種現象就稱為頻散現象。具體到蘭姆波主要表現為相速度和群速度隨頻率和板厚的變化而呈現出復雜的關系，頻率不同則波速不同；相同頻率，若模態不同，則波速也不相同。

根據聲波質點的振動特點，蘭姆波可分為對稱型(S型)和反對稱型(A型)，每種類型又可根據不同的相速度分為若干模態，通常以S0，S1，S2等和A0，A1，A2等表示不同類型和階次(即模態)，頻散現象的存在通常會造成導波信號的頻率混疊或波包數量增多，導致無法區分各波包的性質，增加了損傷信號分析的難度[3]。

2 對比試板檢測

2.1 對比試板的設計與加工

針對試驗所需檢測的裂紋設計了相應的試板，設計時綜合考慮高頻導波可檢測的最大距離和最小缺陷尺寸，試板材料為Q235A；試板長度為1 300 mm,寬度為520 mm；厚度為25 mm；試板上加工6個寬度為1 mm的矩形槽(正面3個，反面3個)，深度分別為0.5，1，2，3，4，5 mm；試板的粗糙度Ra為6.3 μm。高頻導波試板尺寸如圖1所示，具體參數如表1所示。

圖1 加工的檢測試板尺寸示意

表1 加工的試板缺陷參數

2.2 檢測設備與檢測工藝

檢測設備為以色列ISONIC 2009型高頻導波檢測儀;探頭為S544008型導波專用平面探頭，該探頭檢測厚度適用范圍為16～30 mm。相關檢測參數設置如下：增益為78 dB；聲速為3 230 mm·s-1；顯示延時為10 μs；探頭延時為30 μs；重復頻率為500 Hz；檢測頻率為1 MHz；入射角為50°。

導波探頭的行程由編碼器控制，耦合劑為機油，為了研究同一檢測距離下，所能發現裂紋的最小深度，以及針對某一裂紋，所能檢出的最大距離，制定如下的掃查方案：① 針對深度為0.5～2 mm的缺陷采用正面橫向掃查，對于深度為3～5 mm的缺陷采用反面橫向掃查；② 針對深度為1 mm的缺陷采用正面縱向掃查，對深度為5 mm的缺陷采用反面縱向掃查。兩種高頻導波掃查方式如圖2所示。

圖2 高頻導波的兩種掃查方式示意

2.3 檢測結果分析

根據所設置的檢測工藝進行掃查，得到的檢測結果如圖3所示。對檢測圖譜中的缺陷尺寸進行測量，其結果如表2所示。

圖3 試板缺陷的高頻導波掃查結果

表2 缺陷的高頻導波檢測結果

由圖3和表2可以看出，高頻導波對于母材內外表面裂紋缺陷具有較高的檢出率，且信噪比較高，在縱向距離測量方面，具有較高精度。對于寬度測量，尺寸越大的缺陷，測量精度越高；正反面檢測因素對于缺陷檢出率和測量精度影響較小。對于縱向檢測，缺陷越小，可檢出的距離越小，正反面檢測因素對于可檢出距離影響較小，所測得的最大檢測距離與橫向檢測結果較為吻合。基于以上幾點試驗結果可以看出，高頻導波對于承壓設備母材裂紋的檢測主要是對于縱向距離的測量，缺陷大小與回波沒有明顯的對應關系，在實際檢測時可靠度較低，需要采用其他方法對所定位的缺陷進行復驗，如采用滲透、磁粉、相控陣超聲等方法。其次由于內外表面檢測靈敏度差異較小，故可在設備外表面進行掃查，來檢測內表面母材裂紋缺陷。

3 結語

(1) 高頻導波對于承壓設備環境開裂所致的裂紋具有較高的檢出率，內外表面檢測靈敏度差異較小，可實現在線檢測。

(2) 高頻導波檢測應用于母材裂紋檢測時，具有檢測效率高，一次性掃查面積大等優勢，可對未拆除包覆層部分進行檢測。

(3) 現場檢測應結合高頻導波粗掃和其余檢測方法復驗的方法進行，防止缺陷的漏判與誤判。

(4) 高頻導波技術對于深度為0.5～2 mm的小尺寸裂紋，最大檢測距離為600 mm；對于深度為3～5 mm的大尺寸裂紋，最大檢測距離為1 000 mm。