基于超聲波反射法檢測鋼管腐蝕分布的觀測實驗

2010-04-12 00:00:00范洪輝朱洪錦田村安孝

現代電子技術 2010年3期

摘要:為降低鋼管被腐蝕后對工業生產及人身安全所造成的潛在危害，研究鋼管壁厚度的無損檢測及推斷腐蝕的分布。根據超聲波通過不同介質分界面時會發生反射這一特點，用檢測到的反射波形進行數據處理，從而計算出被測鋼管壁的厚度，并利用互相關函數法提高反射信號間延遲的分辨精度，從而準確地推斷出鋼管壁的腐蝕分布。

關鍵詞:超聲波;鋼管;無損測厚;互相關函數

中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-090-03

Experimental Observation of Corrosion Distribution in Steel Pipe Based on Ultrasonic Reflection

FAN Honghui，ZHU Hongjin，Yasutaka Tamura

(Graduate School of Science and Engineering，Yamagata University，Yonezawa-shi Yamagata，992-8510，Japan)

Abstract:In order to reduce the potential danger for industrial production and the personal safety caused by corrosion on steel pipe.Non-destructive thickness measurement of steel pipe and inferring the distribution of corrosion for research purpose.This is the basis of ultrasound through different media ultrasonic waves are reflected at boundaries，reflection waves have been used to calculate steel pipe wall.And using cross-correlation function method to improve delay accuracy of reflection waves to accurately infer the corrosion distribution of steel pipe wall.

Keywords:ultrasonic;steel pipe;non-destructive thickness measurement;cross correlation function

目前，鋼管已廣泛應用于流體運輸領域，如石油、天燃氣、水、煤氣、蒸汽等。同時，在制造機械零件和工程結構領域，由于鋼材的高強度等特性，也得到了廣泛應用。為防止鋼管腐蝕并增加其使用壽命，鋼管內外壁一般都涂有防腐層，但是經過長年累月的使用或高溫高壓的使用條件下[1]，鋼管的防腐涂層會逐漸剝落，從而造成鋼材生銹、厚度變薄、鋼材質量逐漸劣化，如果繼續使用，會存有一定的潛在危險[2]。為防止危險事故的發生并有針對性地維修及更換，無損檢測變得尤為重要。超聲波無損檢測[3-5]技術與其他常規無損檢測技術相比，具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準確、檢測靈敏度高、周期短、成本低、靈活方便、效率高及對人體無害等特點，因此已在醫療、化工及工程探傷等方面得到廣泛應用。本實驗利用超聲波通過介質時在分界面有聲波反射這一特點[6-8]，對測得的反射信號進行數據化處理，從而能夠用超聲波從鋼管外部檢測其厚度并判斷鋼管壁劣化程度。

1 原理

利用超聲波測鋼管壁厚度的原理可簡單描述為:超聲波發生器定期發送超聲波，當超聲波通過鋼管和空氣分界面處時會發生反射，發射波經由接收器接收并轉化為電信號，根據電信號計算外壁層和內壁層兩處的反射信號的時間差t，按照式(1)計算，即可檢測出鋼管壁的厚度d:

d=c*(t/2)

(1)

2 實驗系統

圖1為實驗系統裝置的概略圖。超聲波發生后，用超聲波換能器(探頭)來對超聲信號進行發送和接收，用電子示波器對超聲波反射信號進行波形觀測分析及數據暫存。超聲波在鋼管外壁和內壁兩個層面均有超聲波的反射，檢測點超聲波反射示意如圖2所示。

圖1 實驗系統裝置概略圖

由于超聲波在遇到空氣時會急劇衰減掉，所以在本實驗中用超聲波耦合劑去除超聲波探頭和鋼管壁間的空氣。

實驗環境如下:

鋼管長度為20 cm;

超聲波信號發生器相關參數:

PRF為100 Hz;

PULSER VOLTAGE為100 V;

TRANSDUCER FREQ為15~20 MHz;

示波器相關參數:

V/DIV為500 mV;

s/DIV為500 ns;

鋼管中的音速為5 700 m/s。

圖2 超聲波反射示意圖

被測對象如圖3所示，鋼管內部上層生銹。在鋼管上設置20個間距相同的檢測點，為檢驗實驗準確度，先用物理測厚儀測出20個檢測點的實際厚度(見表1)。表1中的數據表明，檢測點1到10之間由于腐蝕的影響，厚度已經變薄。

圖3 被測鋼管

表1 20個測定點的實際厚度

測定點厚度 /mm測定點厚度 /mm

11.51112.41

20.78122.55

30.72132.48

40.32142.45

50.55152.4

60.5162.4

70.42172.52

80.35182.42

90.45192.4

101.33202.47

3 波形分析

在鋼管檢測點得到的超聲波反射信號如圖4所示。

在檢測點14(鋼管壁無生銹)所測得的波形中可以看出，超聲波信號發出后探頭最初接收到反射信A后又接收到一較弱反射信號B。對這兩個反射波之間的時間延遲計算后所測得此處鋼管壁厚度為2.35 mm，與實際測量值2.45 mm接近，所以可推定反射波B為內壁處反射波。但在鋼管壁生銹處(厚度變薄、測定點5)，雖然鋼管外壁處的反射信號(A)明顯，但由于多重超聲信號反射的影響，在鋼管內壁處的反射波形(B)較不明顯，所以不能較準確地推算此處鋼管壁厚度。

圖4 檢測點5和14處所測波形圖

為解決多重反射引起的兩個信號之間的時間延遲不易分辨的這一問題，信號的互相關函數(Cross correlation function)被應用于實驗中。

d(τ)=∫r(t)u(t-τ)*dt

(2)

式中:r(t)為反射波波形;u(t)為參照波形。參照波形是厚度為10 mm鋁塊的底部反射波。

互相關實驗的反射信號如圖5所示。

圖5 加入互相關函數后所測波形圖

信號的互相關函數可以更精確地分析兩個信號間的時間延遲關系的作用[5，6]，所以在檢測點5和檢測點14處測得的波形中都可以清楚地分辨出鋼管外壁和內壁兩處的反射信號A和B，在檢測點14處的得到的波形中，還有一個小的反射信號C，這個反射信號是超聲波在鋼管壁和防腐涂層分界處的反射信號，所以加入互相關函數后可測出防腐涂層厚度。

4 結果比較及總結

根據20個測量點處所測的波形數據進行分析計算后得到實驗結果，如圖6所示。

圖6 實際值與實驗值對比圖

在實驗結果1中可以看出，由于多重反射的影響，測量值與實際值之間誤差較大，對腐蝕程度的判斷也較

為困難。加入互相關函數的實驗中所測得波形可以清楚地分辨出鋼管表面和內壁層兩處的反射信號，鋼管壁的防腐層處的反射信號也能清楚分辨，互相關函數解決了多重反射的問題，同時也提高了測量精度。

利用超聲波反射法并加以互相關函數后，可以精確地分辨兩個反射信號間時間延遲，實驗檢測值的曲線走向與實際測量曲線走向基本吻合，能準確檢測出鋼管壁厚度及準確地推斷出鋼管壁的腐蝕分布情況。

參考文獻

[1]羅宏.316L不銹鋼在沉積鹽堿混合物下的高溫腐蝕[J].腐蝕與防護，2008，29(9):510-513.

[2]宋曉芳，張可剛.堿性條件下碳鋼的縫隙腐蝕行為[J].腐蝕與防腐，2008，29(10):593-596.

[3]應崇福.超聲學[M].北京:科學出版社，1990.

[4]王明偉，李秦君，姚展.新型超聲波混凝土結構層析成像檢測系統的設計[J].無損檢測，2008，30(11):832-834.

[5]鄭華.電磁超聲波檢測技術在制管檢驗中的應用[J].無損檢測，2008，30(5):321-315.