超聲波技術在船舶管系故障檢測中的應用

王龍

摘要：船舶管道處在惡劣的工作環(huán)境之下，主機和輔機等服務的管系受到高溫高壓的作用，因此堵塞和泄漏等類型的故障時有發(fā)生，這嚴重地影響著設備的安全運轉和船舶的安全航行。對船舶管系進行故障監(jiān)控有著重要的現(xiàn)實意義：一方面能夠保障設備的安全運行，減輕船員的勞動強度；另一方面可以提高船舶的運營效率，對于水域環(huán)境的保護也有重要的現(xiàn)實意義。本文主要對超聲波技術在船舶管系故障檢測中的應用進行了簡要的分析。

關鍵詞：超聲波技術；船舶管系；故障檢測

1超聲波檢測技術的定義

超聲波檢測指的是根據(jù)超聲波在工件傳播過程中，工件對其發(fā)生的反射、透射等現(xiàn)象，我們對波的這些特性進行研究，識別工件內(nèi)部構成、幾何特點、內(nèi)部缺陷，并能夠對工件的應用價值提供理論支持的技術。

超聲波的特點：

（1）超聲波具有良好的指向性，在介質(zhì)中能夠集中在特定的方向上，沿直線傳播。

（2）在介質(zhì)中傳播，超聲波會因為波的特性而發(fā)生散射、衰減等。

（3）相比于其他聲波的能量，超聲波具有更大的能量。

（4）相比于超聲波在其它介質(zhì)中的傳播，在固體中傳播時不會衰減太多，能夠傳播距離更遠。超聲波在傳播過程中，如果從一種介質(zhì)進入到另一種介質(zhì)，就會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，特別是在氣體和固體之間傳播時。例如在固體中，存在空洞、斷痕、異物等，超聲波傳播時，遇見缺陷會發(fā)生反射現(xiàn)象，尤其全反射時信號最強，接收探頭接收到反射回來的缺陷波，通過超聲波檢測儀進行信號處理，可以在超聲波檢測儀的顯示器上顯示不同幅值及坐標位置的波形。我們能夠通過波形幅值大小及時間坐標得出缺陷在固體中的大小、位置和特性等參數(shù)信息。

超聲波檢測具有很大的優(yōu)勢，具體來說：

（1） 適用范圍廣，可以對非金屬、金屬或一些復雜材料進行無破壞的檢測；

（2） 穿透能力強，當被測固件厚度比較大時，超聲波是一個很好的選擇。如在一些鋼結構的檢測中，對于3mm厚度的金屬材料或者幾米長的鋼結構試件都可以很好的檢測；

（3） 缺陷識別分辨率高；

（4） 能夠容易識別到一定面積的缺陷；

（5） 靈敏度高，對于很小的裂痕等就能夠很好的檢測；

（6） 檢測時間短、花費少，對人體不構成健康威脅，儀器攜帶方便，操作簡單。

2超聲波檢測方法

超聲波檢測具有很多分類方法，按耦合方式分為接觸法與浸液法；按檢測原理可以分為脈沖反射法和穿透法等，按波形分為縱波檢測，橫波檢測，表面波檢測等。接觸法就是在超聲波換能器和被測工件表面中的空隙里涂上耦合劑直接接觸進行檢測的方法。常用的耦合劑有機油，甘油，水玻璃等，具有降低阻抗，減少衰減，傳遞超聲波能量的作用。直接接觸檢測法操作方便，但是對被檢測工件表面的粗造度具有一定的要求。當工件表面太粗糙時，會影響到超聲波的檢測質(zhì)量，降低檢測的準確性?？v波脈沖反射法分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法。一次脈沖反射法是以一次底波為依據(jù)進行檢測的方法。超聲波在向被檢測工件傳播的過程中，部分超聲波遇到障礙時會反射回來，其余聲波會繼續(xù)傳播直到傳播到工件底面反射回來。由發(fā)射波，缺陷波和底波在時間基在線的相對位置，就可以知道缺陷的大致位置。多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)對缺陷位置進行定位的方法，通常用于對疏松材料工件的檢測。表面波檢測法是表面波沿著被檢測工件表面?zhèn)鞑ィ鶕?jù)表面波只能在固體中傳播的特性工作，表面波在傳播的過程中，遇到裂紋等會發(fā)生反射，就能準確的反映檢測工件表面的狀態(tài)。采用表面波進行檢測時，需要對被檢測工件進行清潔。在我們的實驗中我們采用多次脈沖反射，提高系統(tǒng)定位的精度，根據(jù)船舶實際工況，為了方便超聲波換能器的檢修，我們選擇直接接觸法進行檢測。利用超聲波縱波能夠在液體中傳播的特性和表面波不能在液體中傳播的特性，采取超聲縱波對管道故障進行定位，超聲表面波對泄漏進行檢測的方案檢驗船舶管道故障。

3超聲波換能器在系統(tǒng)中的安裝

在超聲波換能器的功率選擇上，通常應該留有一定的功率余量，因為船舶機艙的工作環(huán)境往往比較惡劣，存在噪音大，高溫，潮濕，有較強的電磁干擾等等的客觀因素，這些因素能大大的消耗超聲波的功率。若不選擇大功率超聲波換能器，在系統(tǒng)工作時往往會出現(xiàn)測量響應慢，檢測精度低，系統(tǒng)容易誤報警等現(xiàn)象，嚴重影響整個系統(tǒng)的正常運行。超聲波探頭和工況檢測主機之間的連接需要高頻同軸電纜，電纜需要屏蔽，避免環(huán)境電磁噪聲的干擾，在檢測過程中不得隨意更換電纜。在更換電纜的同時，需要對系統(tǒng)的阻抗進行重新匹配，超聲波換能器的安裝位置進行重新調(diào)整，確保檢測的靈敏度和精確度。超聲波探頭和被檢測管道之間需要采用耦合劑，采用耦合劑可以驅除超聲波換能器和被測管道之間的空氣，增加聲能的穿透率，降低聲阻抗，使超聲波更好的進入管道。常用甘油作為耦合劑進行耦合處理。為保證測量精度和穩(wěn)定性，超聲波換能器的安裝的安裝點應選擇在流場分布均勻的直管段部分（安裝時管道中必須充滿液體），必須遵循以下原則：

（1） 選擇材質(zhì)均勻質(zhì)密、超聲波易于傳輸出的管道。盡量選擇無結垢的管道進行安裝，充分考慮管內(nèi)壁結垢狀況和管道充滿流體工質(zhì)的情況，如垂直管道（流體向上流動）或水平管道，避免安裝在管道系統(tǒng)的最高點或帶有自由出口的豎直管道上（流體向下流動）。

（2） 安裝超聲波換能器時必須把欲安裝換能器的管道區(qū)域清理干凈，換能器與管道的接觸部分涂滿足夠的耦合劑，防止空氣進入影響超聲波信號傳輸。

（3） 應選擇在上游大于10倍管道直徑、下游大于5倍管道直徑以內(nèi)無任何閥門、彎頭、變徑等均勻的直管上安裝超聲波換能器，安裝點應充分遠離閥門、泵、高壓電和變頻器等干擾源，如圖1所示。兩個換能器間安裝距離滿足公式：應保證安裝有超聲波換能器的管段有足夠的上下游直管段長度，一般要求前直管段為10D，后直管段為30D。

（4） 在安裝方式上，Z方式安裝的換能器信號強度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，因而選用Z方式安裝。兩個傳感器必須安裝在管道軸面的水平方向上，并且在軸線水平位置±45°范圍內(nèi)安裝。

4結語

目前，船舶上更多的是采用人工巡視的方法對管道泄漏進行檢測和定位，這時故障發(fā)現(xiàn)的及時性和故障點定位準確性主要取決于船員的責任心和工作經(jīng)驗，大大的增加了船員的勞動強度，無法滿足現(xiàn)代船舶智慧化的發(fā)展需求現(xiàn)狀?，F(xiàn)在雖然全球眾多國家都投入了大量的人力和財力研究管道泄漏的檢測定位及防護，但大部分研究成果還僅應用于石油管道，在現(xiàn)在已經(jīng)擁有的船舶管系故障檢測與定位技術中，還沒有成熟的系統(tǒng)技術和先進的實時在線監(jiān)測設備應用。本文主要對超聲波技術在船舶管系故障檢測中的應用進行了簡要的分析，希望能夠起到一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1]韓雪峰，張杰，彭中波.超聲波流量計在船舶管系泄漏檢測與定位中的應用[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2012，03：497-500.

[2]王杰.基于小波變換的船舶管系泄漏檢測定位系統(tǒng)研究[D].重慶交通大學，2012.