超聲波在管道測(cè)厚中的應(yīng)用及其波形評(píng)價(jià)

沈凱峰

（上海金藝檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 201900）

0 引言

寶鋼集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱：寶鋼）現(xiàn)存大量的在役管道需要測(cè)定其壁厚，主要有煤氣管道、水冷壁壓力管道、換熱器管束等。而有些管道表面具有一定厚度的防銹層，大多數(shù)管道壓力值較大，屬于特種設(shè)備的壓力管道。管道關(guān)鍵部位的真實(shí)厚度情況間接反應(yīng)著管道的腐蝕情況。由于管道腐蝕情況嚴(yán)重，導(dǎo)致壁厚減薄存在泄露風(fēng)險(xiǎn)，不僅影響正常生產(chǎn)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，甚至可能出現(xiàn)安全隱患。

寶鋼在役管道內(nèi)無介質(zhì)，溫度自然冷卻時(shí)進(jìn)行常規(guī)接觸式超聲波厚度檢測(cè)。如果管道表面有防銹層，檢測(cè)人員需要先去除防銹層，然后對(duì)管道表面進(jìn)行修磨，保證檢測(cè)部位具有一定的光潔度。由于管道年定修周期較長(zhǎng)，這種檢測(cè)方式難以了解管道的腐蝕狀況，特別是承壓類設(shè)備的壓力管道，萬一出現(xiàn)狀況，就會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)此，國家頒布了《在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程》，高溫壓力管道檢驗(yàn)成為迫切需要解決的問題，特別是DN＜32 mm 的管道和高溫管道。G 門模式超聲波探傷儀搭配適合的探頭，可降低盲區(qū)區(qū)域、減少脈沖寬度，對(duì)DN＜32 mm 的小徑管道進(jìn)行厚度檢測(cè)，并提供精準(zhǔn)的實(shí)測(cè)值，具有完整的檢波電路，可以準(zhǔn)確分析波形圖，有助于提高檢測(cè)厚度的精度，而換能器與高溫設(shè)備不會(huì)直接接觸，減少人員灼傷的風(fēng)險(xiǎn)，該方法適合高溫管道的檢測(cè)。

1 G 門模式超聲波測(cè)厚原理

用超聲波探傷儀對(duì)管壁測(cè)厚時(shí)，探頭將超聲波傳遞到工件中，當(dāng)遇到工件邊界時(shí)返回后得到回波，一部分回波被探頭接受并轉(zhuǎn)換成信號(hào)送回探傷儀進(jìn)行計(jì)算處理，此時(shí)的回波信號(hào)記作一次底波B1；而另一部分回波在探頭與工件的界面再次反射，重新進(jìn)入工件，重復(fù)著前一次的傳遞過程，循環(huán)依次產(chǎn)生B2、B3、…、Bn-1、Bn，如圖1 所示。儀器會(huì)記錄接收相鄰二次回波信號(hào)，并計(jì)算出時(shí)間間隔，該時(shí)間間隔就是超聲波通過被檢工件所需的時(shí)間，根據(jù)超聲波在被檢工件中的傳播速度求出工件的厚度，厚度D 可用公式求出：

式中：v 為被檢工件中的聲速；△t 為超聲波在被檢工件兩表面之間往返一次的時(shí)間，如圖2 所示。

往復(fù)時(shí)間的測(cè)定有下面三種方法：

1）計(jì)算始脈沖T 和一次底波B1之間的時(shí)間；

2）計(jì)算第一次底波B1與第二次底波B2之間的時(shí)間；

3）計(jì)算任意相鄰二次底波Bn-1與Bn之間的時(shí)間。

以上三種測(cè)量方式的選擇可以通過常規(guī)超聲波探傷儀實(shí)現(xiàn)。

第一種測(cè)量方法是利用A 門或者B 門模式進(jìn)行測(cè)厚，由于脈沖波幅較大，增加了盲區(qū)范圍，這就限制了儀器的測(cè)量范圍，最終導(dǎo)致測(cè)量精度較低。第二種測(cè)量方法，由于脈沖窄，測(cè)厚精度明顯提高，同時(shí)能檢測(cè)比較薄的材料，此時(shí)若用高頻（15 MHz）探頭就能檢測(cè)小于1 mm 厚度的材料，大大提高了儀器測(cè)量下限。第三種測(cè)量方法，其效果和第二種方法接近，當(dāng)?shù)撞ㄎ挥诼暿鴶U(kuò)散區(qū)內(nèi)，聲束存在擴(kuò)散角，檢測(cè)精度可能會(huì)稍許降低。綜上所述，第二種和第三種方法效果差異不大，適合G 門模式超聲波進(jìn)行測(cè)厚。

2 G 門模式超聲波測(cè)厚方法

1）首先根據(jù)被檢工件的材質(zhì)、形狀和厚度選擇適合的超聲波探頭，如果工件材質(zhì)晶粒較細(xì)或者被測(cè)厚度較薄，則可以選擇高頻探頭和雙晶探頭；對(duì)于被測(cè)工件部位存在較小曲率半徑時(shí)（小直徑管道測(cè)厚），則可以選擇小尺寸晶片探頭；對(duì)于壁厚較厚且材質(zhì)晶粒較大的工件，則可以選擇低頻探頭。

2）連接探頭、探頭線和超聲波探傷儀，打開儀器，在儀器上調(diào)節(jié)與探頭匹配的頻率，調(diào)低儀器發(fā)射脈沖波的重復(fù)頻率，避免產(chǎn)生幻象波，打開A 門和B 門，將門（GATE）觸發(fā)模式設(shè)置為前沿（FLANK）觸發(fā)，然后調(diào)整合適的聲程便于觀察底波。

3）開啟超聲波探傷儀的G 門模式后，進(jìn)入菜單選擇材質(zhì)的聲速，調(diào)節(jié)增益或衰減，使儀器屏幕清晰顯示多次底波，并將底波調(diào)節(jié)至低于100%B.S。移動(dòng)A門和B 門至相鄰二個(gè)底波，A 門和B 門的高度應(yīng)該與相鄰二個(gè)底波高度成正比，此時(shí)儀器上顯示的讀數(shù)為該工件的厚度，可以多測(cè)幾個(gè)數(shù)值，選取平均數(shù)作為最終實(shí)測(cè)結(jié)果。

3 G 門模式超聲波測(cè)厚實(shí)際檢測(cè)結(jié)果及分析

熱軋加熱爐換熱器管束腐蝕較為嚴(yán)重，一旦管束泄漏將直接影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。如果發(fā)生泄漏事故后再修復(fù)或者更換管束將會(huì)造成更大的損失。這就急需一種快速、精準(zhǔn)的測(cè)厚方法，在不耽誤日常生產(chǎn)的前提下，不定期檢修對(duì)管束進(jìn)行精確且多點(diǎn)測(cè)厚，以判斷管束是否存在腐蝕情況。在檢測(cè)過程中，運(yùn)用該技術(shù)對(duì)換熱器管束進(jìn)行除銹，然后再利用G 門模式對(duì)管束進(jìn)行測(cè)厚。

用壁厚為3 mm 的管束進(jìn)行測(cè)厚得到實(shí)測(cè)值為2～2.8 mm，然后在實(shí)驗(yàn)室對(duì)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，G 門模式下的測(cè)厚數(shù)值精度高（如圖3 所示），為判斷腐蝕區(qū)域提供有力的保障，避免了在生產(chǎn)中因散熱問題導(dǎo)致異常停機(jī)帶來的損失。

圖3 管束外壁G 門模式測(cè)厚界面

4 電磁超聲波測(cè)厚原理

電磁超聲波換能器物理結(jié)構(gòu)包含有高頻線圈和磁鐵兩個(gè)部分，高頻線圈用于產(chǎn)生高頻激發(fā)磁場(chǎng)，磁鐵用來提供外加磁場(chǎng)[1]。

當(dāng)工件表面上的高頻線圈通過高頻電流時(shí)，它在工件表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流在外加磁場(chǎng)的作用下受力產(chǎn)生高頻振動(dòng)，此時(shí)主要是洛倫茲力的效應(yīng)形成了超聲波聲源。

在對(duì)鐵磁性材料檢測(cè)過程中，由于外加磁場(chǎng)的作用，磁疇之間的平衡被破壞，磁疇磁化強(qiáng)度矢量全部轉(zhuǎn)向外加磁場(chǎng)方向，并與外加磁場(chǎng)方向一致，材料出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。在磁化的過程中，每個(gè)磁疇之間的界限發(fā)生位移轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)機(jī)械形變，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。因此在常規(guī)的鐵磁性材料中，洛倫茲力效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)均能產(chǎn)生不同波形的電磁超聲波。

該技術(shù)是采用電磁超聲波檢測(cè)方法對(duì)高溫管道進(jìn)行測(cè)厚，適用于帶有防銹涂層的管道和難以直接接觸的高溫壓力管道。

5 電磁超聲測(cè)厚方法

5.1 自相關(guān)算法校準(zhǔn)

自相關(guān)算法是一種波峰與波峰之間的測(cè)量方式，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高。該方法需要在掃描中至少出現(xiàn)兩個(gè)回波信號(hào)，假如選定的回波信號(hào)大于兩個(gè)，第二個(gè)回波信號(hào)波幅一定要小于第一個(gè)波幅信號(hào)。使用相同材質(zhì)已知厚度的工件來校準(zhǔn)儀器和測(cè)量聲速。

5.2 過零點(diǎn)算法校準(zhǔn)

如材料厚度較大或者材質(zhì)衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致只能收到一個(gè)回波信號(hào)時(shí)，就需要使用過零點(diǎn)算法。該算法通常適用于只有一個(gè)回波信號(hào)，是計(jì)算從始波到指定回波之間的距離，為了增加精度，測(cè)量點(diǎn)是與X 軸零點(diǎn)交叉的波形，因此叫過零點(diǎn)。過零點(diǎn)校準(zhǔn)需要兩個(gè)不同厚度的工件來校準(zhǔn)其聲速和探頭零位。

5.3 高溫測(cè)厚法

采用自相關(guān)算法和過零點(diǎn)算法校準(zhǔn)法儀器設(shè)備時(shí)，選用的工件溫度通常是室溫，和現(xiàn)場(chǎng)管道的工件溫度不一致，尤其在高溫管道測(cè)厚時(shí)，溫度的差異會(huì)嚴(yán)重影響超聲波傳播的速度，增大測(cè)厚檢測(cè)的誤差。

在實(shí)際檢測(cè)過程中，開啟設(shè)備的“溫度補(bǔ)償”功能，糾正溫度的改變導(dǎo)致材料聲速變化。溫度傳感器測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)同步顯示，需要注意的是其溫度值也可以手動(dòng)修正。

6 電磁超聲測(cè)厚結(jié)果

6.1 自相關(guān)模式測(cè)出的厚度值

電磁超聲探頭通常使用橫波（SH 波）來測(cè)厚的。當(dāng)檢測(cè)的材料是各向異性時(shí)，通常回波信號(hào)沒有嚴(yán)格呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。在一個(gè)極化方向上的橫波聲速不相同，會(huì)導(dǎo)致第二次回波高度低于第一次和第三次回波。如果三個(gè)回波都在閘門范圍內(nèi)，那在自相關(guān)模式下，則會(huì)計(jì)算出第一次和第三次回波的平均值，因此就會(huì)出現(xiàn)二倍的厚度值。

6.2 解決方案

確保在A 掃描中，閘門僅包含第一次和第二次回波信號(hào)，則可避免由于第二次回波信號(hào)小于第一次和第三次回波信號(hào)造成的誤差。

移動(dòng)閘門位置，包含第二次、第三次、第四次回波信號(hào)。如果閘門位于第二次回波信號(hào)后，那么第二次回波信號(hào)就會(huì)小于第三次回波，但由于第二次回波是閘門內(nèi)出現(xiàn)的第一個(gè)回波信號(hào)，因此能夠準(zhǔn)確計(jì)算出厚度值。

7 A 掃描波形評(píng)價(jià)

7.1 缺陷導(dǎo)致的結(jié)果誤差

電磁超聲波能夠像常規(guī)的壓電晶片換能器一樣，在金屬工件中產(chǎn)生橫波和縱波，也會(huì)像常規(guī)超聲波一樣在檢測(cè)中出現(xiàn)缺陷，特別是在比較薄的工件中。常規(guī)的超聲波測(cè)厚儀在檢測(cè)過程中，如果遇到工件中存有缺陷就會(huì)將缺陷的深度誤報(bào)成工件的厚度，給檢測(cè)結(jié)果帶來了不確定性。

而使用電磁超聲檢測(cè)，由于有各類檢波的波形圖顯示，能清楚地分析出實(shí)際工件的狀況，包括缺陷波和多次底面反射波，在檢測(cè)厚度的同時(shí)，還能查找出工件中的各類缺陷。

7.2 相鄰二次底波之間數(shù)值誤差

超聲波波源輻射是以特定的角度向外擴(kuò)散的，波源附近存在一個(gè)未擴(kuò)散區(qū)，在未擴(kuò)散區(qū)波束不存在衰減，此區(qū)域波陣面的聲壓一致，而電磁超聲的信噪比和常規(guī)壓電晶片換能器超聲相比要低很多，特別是遠(yuǎn)場(chǎng)性能較差。在對(duì)薄壁管測(cè)厚時(shí)，盡量選用未擴(kuò)散區(qū)附近的相鄰二次底波作為測(cè)厚的依據(jù)。

8 結(jié)語

該技術(shù)已在熱軋換熱器管束測(cè)厚、能環(huán)部焚燒爐外壁測(cè)厚等項(xiàng)目中予以實(shí)施，取得了良好效果，可廣泛運(yùn)用于各類工件設(shè)備厚度測(cè)試。