超聲導(dǎo)波對(duì)小直徑薄壁無縫管周向檢測(cè)的應(yīng)用研究

趙 遠(yuǎn)

（天津誠信達(dá)金屬檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津300384）

超聲導(dǎo)波對(duì)小直徑薄壁無縫管周向檢測(cè)的應(yīng)用研究

趙 遠(yuǎn)

（天津誠信達(dá)金屬檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津300384）

為了對(duì)小直徑薄壁無縫管的周向?qū)Рz測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)研究，以超聲導(dǎo)波技術(shù)為研究對(duì)象，通過對(duì)晶粒噪聲有效控制以及檢測(cè)靈敏度的有效調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁小直徑管缺陷的有效檢出，且應(yīng)用效果較好；同時(shí)，利用對(duì)比試塊對(duì)定制的國產(chǎn)導(dǎo)波探頭檢測(cè)距離進(jìn)行了測(cè)定，其對(duì)1 mm深的模擬缺陷檢測(cè)距離能達(dá)到130 mm左右；增大探頭至缺陷間的距離，缺陷反射波幅明顯降低，且回波寬度有所增大，在實(shí)際工程檢測(cè)中，應(yīng)盡量避免導(dǎo)波頻散帶來的檢測(cè)分辨率降低的現(xiàn)象。

檢測(cè)；超聲導(dǎo)波；小直徑管；周向；靈敏度；反射波；分辨率

1 概 述

小直徑薄壁無縫管被廣泛應(yīng)用于電力、航空、船艦等重要工業(yè)領(lǐng)域[1]，此類管材在制造過程中，往往由于母材純凈度或生產(chǎn)工藝問題而導(dǎo)致管材成型后表面或內(nèi)部存在缺陷影響其正常使用，特別是裂紋或劃傷等軸向缺陷對(duì)管材危害很大。由于此類管材的使用范圍較大，且需要長期工作在高溫高壓的復(fù)雜環(huán)境下，如果管材在使用中因存在缺陷而失效，后果不堪設(shè)想，因此，在應(yīng)用前有必要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[2-3]。

目前，對(duì)于小直徑薄壁無縫管的檢測(cè)方法主要采用渦流檢測(cè)或超聲波進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，考慮到檢測(cè)效率和較高的檢測(cè)靈敏度要求，上述檢測(cè)方法仍顯不足。超聲導(dǎo)波技術(shù)是近些年剛剛興起的一種新的無損檢測(cè)技術(shù)，其可以利用超聲在管材中傳播的周向?qū)РＪ剑焖偬崛〔⒆R(shí)別管材中的缺陷信號(hào)，并且能夠保持較高的靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)管材的快速檢測(cè)[4-6]。

本研究以超聲導(dǎo)波為研究對(duì)象，對(duì)其在小直徑薄壁無縫管的周向掃查方法、檢測(cè)靈敏度等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為超聲導(dǎo)波技術(shù)在工業(yè)無損檢測(cè)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理

超聲導(dǎo)波的產(chǎn)生機(jī)理與薄板中的蘭姆波激勵(lì)機(jī)理類似，當(dāng)超聲傳播介質(zhì)被局限在一定的邊界內(nèi)，邊界就會(huì)對(duì)超聲波產(chǎn)生往復(fù)不斷的反射，這樣就能形成導(dǎo)波。在管道檢測(cè)中，超聲波可以沿管道軸向和周向進(jìn)行傳播，軸向傳播的超聲波形成縱向?qū)Р?，而周向傳播的超聲波則形成周向?qū)Р?。周向?qū)Рň哂袀鞑ゾ嚯x遠(yuǎn)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，其工作頻率低于常規(guī)超聲波檢測(cè)，但卻高于縱向?qū)Рz測(cè)，主要適用于管道中縱向裂紋、劃痕、腐蝕等缺陷[7-9]。圖1給出了周向?qū)Рǖ臋z測(cè)原理，由圖1可知，探頭激發(fā)出沿管道單方向傳播的周向?qū)Р?，其可沿管壁傳播很長的距離，遇到缺陷后信號(hào)會(huì)沿反方向返回進(jìn)而被探頭接收。

圖1 超聲導(dǎo)波周向檢測(cè)原理圖

3 設(shè)備選擇及檢測(cè)距離標(biāo)定

超聲導(dǎo)波檢測(cè)設(shè)備選用以色列ISONIC2008超聲波成像檢測(cè)系統(tǒng)，該儀器具備ISONIC2005的導(dǎo)波檢測(cè)功能，可快速實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記錄及分析；同時(shí)，選用帶有縱向模擬缺陷的Φ60 mm×6 mm的小直徑管對(duì)比試塊進(jìn)行檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)，模擬缺陷為1 mm寬、1 mm深的縱向切割槽。采用從某廠定制的帶曲率國產(chǎn)周向?qū)Рㄌ筋^，首先對(duì)導(dǎo)波傳播距離進(jìn)行測(cè)定，將探頭置于對(duì)比試塊表面，保持探頭與管壁耦合良好，捕捉到模擬缺陷信號(hào)最大回波，將探頭沿單方向轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷增大探頭與模擬缺陷的距離，并適當(dāng)調(diào)節(jié)增益，晶粒噪聲最大控制在15%左右，當(dāng)缺陷最大反射波降低到滿屏幕20%時(shí)，記錄下此時(shí)傳播距離，并將此距離作為最大檢測(cè)距離，經(jīng)實(shí)測(cè)，所選用國產(chǎn)探頭對(duì)1 mm深的模擬缺陷檢測(cè)距離能達(dá)到130 mm左右，所選用的對(duì)比試塊如圖2所示。

圖2 對(duì)比試塊示意圖

4 結(jié)果分析及討論

4.1 周向?qū)Рz測(cè)效果分析

對(duì)某電廠規(guī)格為Φ62 mm×4 mm的小直徑薄壁無縫管進(jìn)行周向?qū)Рz測(cè)，利用上述對(duì)比試塊進(jìn)行檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)，保持探頭與對(duì)比試塊耦合良好，捕捉到缺陷反射回波，并前后旋動(dòng)探頭，找到缺陷的最大反射回波，為避免噪聲過大影響檢測(cè)結(jié)果分析，對(duì)靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可適當(dāng)降低增益，將晶粒噪聲控制在15%以下，且反射體最大回波控制在滿屏的80%左右作為檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)效果圖如圖3所示。

圖3 檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)效果示意圖

依據(jù)實(shí)測(cè)探頭的檢測(cè)距離，采用半周檢測(cè)的方案對(duì)該小直徑管進(jìn)行檢測(cè)，并制定工藝如下：將探頭與管壁耦合良好，沿管壁軸向進(jìn)行逐段檢測(cè)，完成管道的半周檢測(cè)，之后將探頭旋動(dòng)180°，往軸向相反方向完成剩余半周的導(dǎo)波檢測(cè)，以最初設(shè)定的檢測(cè)靈敏度作為參考，當(dāng)缺陷最大反射回波大于滿屏幕80%時(shí)，則說明其當(dāng)量深度大于1 mm，由于導(dǎo)波在小直徑管內(nèi)外壁的振動(dòng)位移形態(tài)相仿，因此對(duì)同一小直徑管內(nèi)外壁同等缺陷檢出能力相近，但針對(duì)不同類型的缺陷其檢測(cè)效果也有所不同。具體檢測(cè)效果如圖4所示。圖4（a）為裂紋缺陷檢測(cè)波形圖，其反射波信號(hào)強(qiáng)烈，波形尖銳；圖4（b）為內(nèi)壁腐蝕坑缺陷檢測(cè)波形圖，其反射聲壓低，動(dòng)態(tài)變化反應(yīng)遲緩，兩種缺陷具有不同的波形形貌，但通過周向?qū)Рz測(cè)均能明顯檢出，且檢測(cè)靈敏度較高，保證了小直徑管缺陷的檢出率。

圖4 導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果

4.2 檢測(cè)距離對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響

圖5為同一缺陷不同位置的周向?qū)Рz測(cè)結(jié)果。由圖5可知，增大探頭至缺陷間的距離，缺陷反射波幅明顯降低。從波形上看，導(dǎo)波回波寬度有所增大，這主要是因?yàn)閷?dǎo)波的頻散現(xiàn)象所致，即在管道中傳播的超聲導(dǎo)波其相速度和群速度隨頻率的變化而變化，降低了檢測(cè)分辨率[10-11]，而導(dǎo)波相速度不僅取決于探頭頻率，還與管材的特性有關(guān)，即使材質(zhì)相同，其頻散曲線也會(huì)因壁厚、直徑等參數(shù)不同有所變化，所以在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象，并輔以信號(hào)處理和模式識(shí)別等工具來解決工程中的探傷問題。

圖5 同一缺陷不同位置的周向?qū)Рz測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）利用對(duì)比試塊對(duì)定制的國產(chǎn)導(dǎo)波探頭檢測(cè)距離進(jìn)行了測(cè)定，其對(duì)1 mm深的模擬缺陷檢測(cè)距離能達(dá)到130 mm左右。

（2）通過對(duì)晶粒噪聲有效控制以及檢測(cè)靈敏度的有效調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)薄壁小直徑管缺陷的有效檢出，且應(yīng)用效果較好。

（3）增大探頭至缺陷間的距離，缺陷反射波幅明顯降低，且回波寬度有所增大，在實(shí)際工程檢測(cè)中，應(yīng)盡量避免導(dǎo)波頻散帶來的檢測(cè)分辨率降低的現(xiàn)象。

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[11]吳斌,鄧菲,何存富.超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)中的信號(hào)處理研究進(jìn)展[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,33（4）:342-348.

Research on Circumferential Ultrasonic Guided Wave Testing of Small Diameter Thin-walled Seamless Tube

ZHAO Yuan
（Tianjin Chengxinda Metal-Testing Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China）

In order to conduct systematic research on circumferential ultrasonic guided wave testing of small diameter thin-walled seamless tube,with ultrasonic guided wave technology as the research object,the ultrasonic guided wave technology can realize the effective detection of small tube defects through the effective control of grain noise and effective regulation of detection sensitivity,and the application effect was good.Meanwhile,the customized domestic guided wave probe detection distance was measured by using a reference blocks,its detection distance of 1 mm deep defect can reach about 130 mm;increasing the distance between the probe and defects,the defect reflection amplitude was significantly reduced,and the echo width increased.In the practical engineering detection,it should try to avoid detection resolution reduction caused by the phenomenon of guided wave dispersion.

testing;ultrasonic guided wave;small diameter tube;circumference;sensitivity;reflected wave;resolution

TH878

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.013

趙 遠(yuǎn)（1988—），男，碩士，主要從事無損檢測(cè)新技術(shù)及金屬材料組織性能控制研究。

2016-07-04

汪翰云