國產(chǎn)和進(jìn)口電磁（壓電）超聲測(cè)厚儀檢測(cè)性能的比對(duì)試驗(yàn)

王 杜 阮星翔 錢盛杰 尹建斌 邵冬冬

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

超聲波應(yīng)用于材料測(cè)厚已成為一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)， 常見的超聲測(cè)厚有壓電超聲測(cè)厚、電磁超聲測(cè)厚及相控陣測(cè)厚等。 壓電超聲測(cè)厚因具有探頭體積小、 工藝簡單及質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)在超聲測(cè)厚方面發(fā)揮了舉足輕重的作用［1］。 電磁超聲是一種新型的超聲檢測(cè)技術(shù)［2～4］，其工作原理有別于傳統(tǒng)的壓電超聲， 采用電磁耦合換能機(jī)制產(chǎn)生超聲波，無需耦合介質(zhì)、重復(fù)性好，能應(yīng)用于高溫、高速的檢測(cè)環(huán)境［5～8］。目前，電磁超聲檢測(cè)技術(shù)成熟的應(yīng)用有超聲測(cè)厚、 超聲導(dǎo)波 檢 測(cè) 等［9，10］。 超 聲 相 控 陣 測(cè) 厚 技 術(shù) 的 基 本 原理與常規(guī)超聲相同， 也屬于壓電超聲技術(shù)，因而使用方法類似， 但相控陣技術(shù)具有直觀成像和高覆蓋面積的優(yōu)點(diǎn)， 使之能夠得到更加直觀的厚度分布情況。

因壓電超聲技術(shù)和電磁超聲技術(shù)所產(chǎn)生超聲波的原理不同， 故在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)厚中的檢測(cè)效率、檢測(cè)靈敏度和缺陷檢出率相差較大。 筆者針對(duì)一臺(tái)內(nèi)表面下極部位腐蝕的球罐，分別采用電磁超聲和壓電超聲測(cè)厚技術(shù)的不同儀器、探頭進(jìn)行檢測(cè)性能的比對(duì)試驗(yàn)。

1 比對(duì)試驗(yàn)概況

1.1 球罐簡介

該球罐的主體結(jié)構(gòu)為單層（無保溫層），支座為赤道正切型，罐體上有14 支接管，對(duì)接焊縫長度166m，開罐由打開上下人孔完成，1980 年1 月開始投用。

球罐主要技術(shù)參數(shù)如下：

材料 16MnR

介質(zhì) 液化石油氣

內(nèi)徑 7 100mm

厚度 24mm

容積 200m3

腐蝕裕度 3.0mm

設(shè)計(jì)壓力 1.76MPa

工作壓力 1.40MPa

設(shè)計(jì)溫度 -20～50℃

工作溫度 30℃

球罐罐體上的焊縫布置如圖1 所示，焊縫總長166m。 對(duì)此，筆者制定的壁厚測(cè)定要求如下：

a. 對(duì)球罐的每塊球殼板應(yīng)進(jìn)行壁厚測(cè)定，每塊不少于6 點(diǎn)， 必要時(shí)采用爬行器增加測(cè)厚比例；

b. 對(duì)可檢接管，每個(gè)接管一般不少于2 點(diǎn)；

c. 重點(diǎn)檢驗(yàn)液面經(jīng)常波動(dòng)的部位，包括物料進(jìn)口、流動(dòng)轉(zhuǎn)向及截面突變等易受腐（沖）蝕的部位，制造成型時(shí)壁厚減薄部位，使用中易產(chǎn)生變形（磨損）的部位，接管部位。

圖1 球罐焊縫布置示意圖

常規(guī)壓電超聲測(cè)厚過程中發(fā)現(xiàn)球罐的下極部位測(cè)厚效果很差，數(shù)據(jù)跳動(dòng)，甚至出現(xiàn)無數(shù)據(jù)情況，不能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地讀數(shù)。 結(jié)合該液化石油氣球罐的使用工況，超聲測(cè)厚后初步判斷其下極部位發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。 經(jīng)宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，確認(rèn)球罐下極部位內(nèi)表面有嚴(yán)重的腐蝕，部分已形成腐蝕凹坑。

1.2 測(cè)厚部位與儀器

針對(duì)球罐下極部位的腐蝕情況，筆者選取E2球殼板中的一部分進(jìn)行壁厚測(cè)定比對(duì)試驗(yàn)，測(cè)厚部位照片如圖2 所示，在靠近E3 球殼板的E2 球殼板右上角用記號(hào)筆畫出定點(diǎn)測(cè)厚網(wǎng)格，共計(jì)64個(gè)測(cè)厚網(wǎng)格，每個(gè)測(cè)厚格的尺寸為30mm×30mm。顯而易見，測(cè)厚部位的尺寸為240mm×240mm。

比對(duì)試驗(yàn)所采用的儀器有：美國進(jìn)口的電磁超聲測(cè)厚儀，搭配的測(cè)厚探頭為進(jìn)口單點(diǎn)式高溫探頭；國產(chǎn)電磁超聲測(cè)厚儀，搭配的測(cè)厚探頭為國產(chǎn)單點(diǎn)式高溫探頭；美國進(jìn)口的壓電式超聲測(cè)厚儀，搭配的測(cè)厚探頭為進(jìn)口壓電超聲探頭。

圖2 球罐測(cè)厚部位照片

1.3 試驗(yàn)方案

為了比對(duì)上述3 種超聲測(cè)厚儀在檢測(cè)靈敏度和缺陷檢出率上的差別， 制定了3 個(gè)比對(duì)方案：

a. 比對(duì)方案1——進(jìn)口和國產(chǎn)電磁超聲測(cè)厚儀的比對(duì)，即采用進(jìn)口儀器搭配進(jìn)口探頭和國產(chǎn)儀器搭配進(jìn)口探頭對(duì)64 個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行帶漆狀態(tài)下的測(cè)厚檢測(cè)比對(duì)；

b. 比對(duì)方案2——進(jìn)口和國產(chǎn)電磁超聲探頭測(cè)厚比對(duì)，即采用進(jìn)口儀器搭配進(jìn)口和國產(chǎn)探頭對(duì)64 個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行帶漆狀態(tài)下的測(cè)厚檢測(cè)比對(duì)；

c. 比對(duì)方案3——電磁和壓電超聲波測(cè)厚儀的比對(duì)，即采用進(jìn)口壓電超聲波測(cè)厚儀搭配進(jìn)口探頭對(duì)64 個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行帶漆狀態(tài)下的測(cè)厚檢測(cè)比對(duì)。

在測(cè)厚過程中，通過自相關(guān)、交叉零點(diǎn)和峰值法3 種方法測(cè)得數(shù)據(jù)。

2 比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 比對(duì)方案1

2.1.1 進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀+進(jìn)口探頭測(cè)厚

采用進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀+進(jìn)口探頭測(cè)厚的結(jié)果列于表1（64 個(gè)測(cè)厚網(wǎng)格的數(shù)據(jù)按圖2 的編號(hào)依次填入表格內(nèi)，下同）。 其中，紅色數(shù)據(jù)由峰值法測(cè)得，綠色數(shù)據(jù)由交叉零點(diǎn)法測(cè)得，黑色數(shù)據(jù)由自相關(guān)法測(cè)得。

由表1 可見， 采用進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀+進(jìn)口探頭測(cè)厚時(shí)，大部分測(cè)點(diǎn)可以通過自相關(guān)法測(cè)得，只有7 個(gè)點(diǎn)無法通過自相關(guān)法測(cè)得，但可以通過峰值法和交叉零點(diǎn)法測(cè)得（說明這7 處的腐蝕可能較為嚴(yán)重）。 另外，15#測(cè)點(diǎn)位置的測(cè)厚數(shù)據(jù)明顯小于其他點(diǎn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)表面宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此處為一較大的腐蝕凹坑。

表1 進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀+進(jìn)口探頭測(cè)厚結(jié)果 mm

2.1.2 國產(chǎn)電磁超聲測(cè)厚儀+進(jìn)口探頭測(cè)厚

由于測(cè)試的球罐使用已超過40 年，外壁油漆層較厚且不均勻，內(nèi)壁存在很多腐蝕坑，導(dǎo)致采用國產(chǎn)電磁超聲測(cè)厚儀+進(jìn)口單點(diǎn)式高溫探頭測(cè)厚的效果很差，基本不能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地讀數(shù)。

2.2 比對(duì)方案2

采用進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀+國產(chǎn)探頭測(cè)厚的結(jié)果列于表2。

表2 進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀+國產(chǎn)探頭測(cè)厚結(jié)果 mm

（續(xù)表2）

由表2 可見， 采用進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀+國產(chǎn)探頭測(cè)厚時(shí)，通過自相關(guān)法測(cè)得厚度的測(cè)點(diǎn)明顯少于表1 中所列的測(cè)點(diǎn)， 有17 個(gè)測(cè)點(diǎn)無法用自相關(guān)法測(cè)得，但可通過峰值法和交叉零點(diǎn)法測(cè)得。 由此可得，進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀+國產(chǎn)探頭的檢測(cè)性能雖不如進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀+進(jìn)口探頭，但優(yōu)于國產(chǎn)電磁超聲測(cè)厚儀+進(jìn)口探頭。

2.3 比對(duì)方案3

采用進(jìn)口壓電超聲波測(cè)厚儀測(cè)厚的結(jié)果列于表3。

表3 進(jìn)口壓電超聲波測(cè)厚儀測(cè)厚結(jié)果 mm

由表3 可見，采用進(jìn)口壓電超聲波測(cè)厚儀測(cè)厚時(shí)，通過自相關(guān)法可以測(cè)得厚度的測(cè)點(diǎn)明顯少于表1、2 中所列的測(cè)點(diǎn)， 有25 個(gè)點(diǎn)無法用自相關(guān)法測(cè)得，也無法通過切換算法的方式來測(cè)試這25 個(gè)測(cè)點(diǎn)（表3 中用“-”表示）。此外，采用壓電超聲波測(cè)厚儀測(cè)厚時(shí)， 需要表面打磨且涂抹耦合劑， 而電磁超聲測(cè)厚儀測(cè)厚時(shí)不需要這兩個(gè)環(huán)節(jié)，其檢測(cè)效率顯然比前者的高。 由此可以得出，對(duì)于這類內(nèi)表面腐蝕的設(shè)備，電磁超聲測(cè)厚儀的檢出率和檢測(cè)效率均高于常規(guī)壓電超聲波測(cè)厚儀。

3 結(jié)論

3.1 對(duì)于內(nèi)表面腐蝕嚴(yán)重的設(shè)備，采用電磁超聲測(cè)厚儀的檢出率高于常規(guī)壓電超聲測(cè)厚儀。

3.2 采用進(jìn)口電磁超聲測(cè)厚儀搭配進(jìn)口探頭的檢測(cè)性能優(yōu)于國產(chǎn)電磁超聲測(cè)厚儀搭配國產(chǎn)探頭。

3.3 采用電磁超聲測(cè)厚儀測(cè)厚時(shí)，可以同時(shí)利用自相關(guān)法、峰值法和交叉零點(diǎn)法這3 種方法進(jìn)行測(cè)試。 對(duì)于表面平整的工件，推薦采用自相關(guān)法進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于表面不平整且無法用自相關(guān)法進(jìn)行檢測(cè)的工件，推薦采用峰值法和交叉零點(diǎn)法進(jìn)行檢測(cè)。