超声导波检测技术在压力管道检测中的应用研究

超声导波检测技术在压力管道检测中的应用研究

林文举 周吉军

新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院 新疆 830000

【摘要】：超声检测的原理是将超声波射入被测对象中，如果被测对象中存在缺陷，那么在缺陷界面处的声阻抗会发生变化，超声波经过此处会发生反射现象，这种不同的反射波信号包含缺陷的相关信息，从而对缺陷的大小和数量等信息做出分析。超声导波检测方法还具有灵敏度高、检测成本低、现场使用方便，对检测人员及环境无害等优点。本文首先对超声导波的分类、原理进行分析，然后对其在压力管道检测中的应用进行研究。

【关键词】：超声导波检测；压力管道；应用

引言

随着检测技术的发展，管道无损检测技术也由此悄然兴起，常见的管道损伤检测技术主要包括涡流检测法、超声检测法、漏磁检测法、超声导波检测法等。与其它检测方法相比，超声导波检测法具有检测效率高、检测速度快，适应不同尺寸与厚度的管道等优点，因此超声导波技术在管道损伤检测等领域得到了快速发展和广泛应用。

1.超声导波的分类

一类称为纵波，也可称为疏密波或P波；另一类称为横波，也可以称为剪切波或S波，横波又分为水平偏振波（SH波）和垂直偏振波（SV波）。这两类波在介质中传播时，由于两者具有不同的传播特征和传播形式，故不会出现波形之间的祸合。如果根据频率范围进行分类，可将声波划分为三类：次声波（频率低于20Hz的声波）、可闻声波（频率介于20Hz~20KHz之间的声波）、超声波（频率高于20KHz的声波）。本文研究选取的频率为超声范围。

如果弹性介质不是无限大的，由于介质的不连续性，弹性波在两种介质的交界面处会产生透射和反射而发生波形转换，后续各种类型的反射波、折射波和界面转换波均己各自恒定的速度传播。经反射后的超声波特性仅与介质的弹性参数有关，与本身的波动性质无关，经过多次反射后的超声波沿着波导的方向传播下去，形成超声导波。若存在一个厚度方向平面有界的弹性介质，就形成了一个无限延伸的弹性平板。该平板存在两个交界面，两交界面之间的材料属性相同，而两交界面之外为不同材料属性的介质。当超声波在板中传播时，将会在两个界面之间来回反射而沿着平板面的方向传传播，在发生反射时伴随模式转换和相互干涉，这就形成了平板超声导波，也称之为板波或Lamb波。超声导波在平板中的传播过程如图1所示。这种具有将声波约束或引导声波传播的结构称之为声波导，除了平板之外，圆柱体、圆棒、层状弹性体等都是典型的波导，其共同的特点是存在两个或者多个平行界面，从而使声波在其中发生多次反射和模式转换。在波导中传播的超声波统称为超声导波。

图1 平板中导波传播示意图

2.超声导波检测的基本原理

所谓导波，就是波导中的弹性波。当声波的传播介质不能视为无限大时，其在介质中的不连续交界面就会发生反射、干涉等现象，就会产生导波。导波如果在传播过程中遇到缺陷就会发生折射、透射与散射等现象。由此，就可以通过研究导波的传播特性来评价介质的完整性。与常规超声波检测相比，超声导波具有检测范围大、传播距离远的优点，适合长距离、大范围结构的无损检测和健康监测。

根据导波激励方式的不同，可以分为压电、电磁超声、磁致伸缩等。其中，基于磁致伸缩效应的导波检测技术因具有不需要对被检测试件进行事先的表面处理、可在高温下工作、能检测带包裹层试件等特点成为近年来的研究热点。磁致伸缩导波检测的原理是：在外界磁场作用下，铁磁体经磁化会产生磁致伸缩的形变，从而在其内部激发出弹性导波。伴随着导波的传播，铁磁体各部分的磁导率发生改变，在影响导波的传播特性的同时，使铁磁体的磁感应强度发生变化。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁感应强度会引起感应电动势，利用传感器测量相关电压信号，就能获得导波的反射情况，进而反映铁磁体中是否存在腐蚀、裂纹等缺陷。

导波有纵向、扭转和弯曲三种模态，不同模态的导波在传播过程中的相速度和群速度会随频率变化而发生改变，即导波具有多模态特性和频散特性。这将对缺陷回波定位产生干扰，需要使用合适的信号处理方法以满足检测要求。

3.超声导波检测技术在压力管道检测中的应用

3.1导波模态的选取

在压力管道结构中，常见的超声导波有两类，兰姆（Lamb）波和水平剪切（SH）波。导波具有的多模态性会大大增加检测结果的复杂性，而导波的频散特性会让脉冲波包在传播过程中发生严重衰减，影响检测精度。因此需要对导波的模态进行控制，并尽量降低其频散特性对结果的影响。目前常用于工业检测的两个模态为扭转模态和纵向模态。模态导波在整个频率范围内不发生频散，且在低频范围内不存在高阶扭转模态。

3.2传感器的选择及安装

利用压电材料作为激励源的传感器（包含压电晶片和压电斜探头）具有能量转换效率高、技术成熟等优点，但压电材料质脆容易被破坏，受制于压电晶体的高温性能，最高只能用于125～160℃范围内的检测。而且一般压电传感器在使用过程中需要通过耦合剂与被测结构件紧密接触，需要去除被测件的包裹层并进行表面处理，检测成本较高。

磁致伸缩传感器能够有效进行高温检测，且不需要去除被测结构件的防护层，能够在保证精度的前提下进行大范围检测。同时，由于其成本较低，在低频范围内满足换能效率的要求，因而成为目前研究的热点之一。

电磁超声传感器也称电磁超声换能器（EMAT），优点是无需接触，适用于高温、高速和在线检测，磁化力、磁致伸缩力及洛伦兹力是其主要的换能动力。在铁磁材料中，磁致伸缩力发挥主要作用；而在非铁磁材料中，洛伦兹力发挥主要作用。但由于超声换能器的换能效率总体还不高，因此需要根据适用场合进行优化设计。

3.3导波信号的处理方法

导波信号处理是检测工作的最后一个环节，信号处理的效果直接影响着检测结果的精度。由于实际激励产生的导波信号是具有一定带宽的多模态频散信号，且环境噪声及被测件结构引发的信号散射，都会对导波信号识别造成干扰，需要针对导波特性，研究相应的信号处理方法。

结语

综上，随着化工行业的快速发展，压力管道缺陷风险也在大幅增加。超声导波技术作为一种新型的无损检测手段，近年来开始逐渐应用在压力管道检测中。但由于理论和技术层面尚存在的问题，还未在工业领域大规模普及应用。

参考文献

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