超聲波無損檢測技術在鋼管檢測中的應用

【摘要】隨著無縫鋼管應用的廣泛性，對其質量要求也越來越高，通過超聲波無損檢測技術可有效對無縫鋼管缺陷進行檢測。本文主要介紹了超聲波激發的原理，同時介紹了超聲波無損探傷技術具有的準確率高、適用性強、應用方便、易自動化等優點，著重介紹了超聲波的特性和在鋼管無損探傷中的應用。

【關鍵詞】超聲波無損探傷無縫鋼管

近幾年無縫鋼管技術的開發，無縫鋼管得到了廣泛的應用，其質量直接關乎工程質量的好壞，因此對其的質量檢測也得到了廣泛的關注。對無縫鋼管的檢查一般從材料的物理性能、化學成分以及幾何形態幾個方面入手，要求其單純、連續和均勻。某一方面存在不足即表示鋼管有缺陷，會給工程質量安全留下隱患。無縫鋼管內部存在缺陷在使用中會造成鋼管斷裂，會引發嚴重的事故。通過超聲波無損探傷技術可以在不損傷鋼管的情況下對其進行全面檢測，從而檢測無縫鋼管的各項工程特征和技術特性。由于其具有低代價、高效率等優點，在無縫鋼管及有覆蓋物的管件的檢測中得到了廣泛的應用。

1超聲波的基本原理

可聞聲波由物體振動產生，人們可以聽見，頻率范圍在20HZ~20000HZ，低于20HZ的是次聲波，高于20000HZ的就是超聲波。它的原理是通過擾動源激發超聲波，其在彈性介質中傳播，由于超聲波的傳播速度與介質的密度、彈性特質以及環境條件有關，當超聲波在有一個以上界面中傳播時，超聲波會在這些界面上出現多次反復的折射與反射現象；同時超聲波在介質中傳播時，由于傳播距離的增加以及介質吸收能量，使得超聲波的強度衰減，利用超聲波傳感器將機械能與電能轉化的信號顯示出來，從而實現對所測量物體內部的觀察，由于超聲波無損探傷具有準確率高、適用性強、應用方便、易自動化等優點，其被廣泛應用在醫療、家電、工業檢測等領域，我們重點介紹其在鋼管無損檢測中的應用。

2超聲波的諧振模式和頻射特性

2.1超聲波的諧振模式

在不同的結構探頭激勵下，可以激發出兩種不同的導波諧振模式，分別是軸對稱和非軸對稱模式。

將探頭以環狀形式擺放在管子的外面，便可得到軸對稱諧振模式的導波，此種模式激發較容易；由于在探頭外面的管子都保持其平面不變，同時繞著中心旋轉，其激發出的軸對稱模式保持原樣，當把探頭放到管子中時，便可在管內激發出軸對稱的的縱向諧振模式的導波；同時利用其他方法在管壁內產生間隔相同的導波也可以形成諧振模式，這種模式只能在縱向進行壓縮和伸展運動，不能在橫向進行移動。當把超聲波探頭斜向放置在管子里面時就會激發出非對稱諧振模式的導波，它的形式通常為雙螺旋形式，雙螺旋形式的導波從探頭處向管子兩邊散開，到達盡頭后聚攏之后再散開，以此方式在管子中傳播。

2.2導波的頻射特性

如果把被測物體看成是彈性均勻介質，則各種類型的波就會在里面以恒定的速度傳播，只有介質本身材料影響反射波的速度，當超聲波以斜向打入同性管中時，由于管子表面的反射作用，使得機械振動在管中傳播，由于反射波徑向運動和軸向運動合成，從而使超聲波在管內傳播形成導波。

超聲波頻射的特征之一就是會隨相速度的頻率不同而變化，由于脈沖是由多個頻率不同的諧波組成的，各個整個脈沖的群速度不等于單個諧波的相速度，導波以群速度向前傳播，而相速度則由于各諧波頻率不同而有所改變。

在實際測量當中，導波速度還受到管材的規格尺寸以及聲學性質等因素的影響，使得頻散曲線不同，這會給實測應用帶來很大不便，通過加強探頭設計以及合理選擇導波模式，從而解決實際探傷中遇到的問題。

3超聲波無損探傷方法

超聲波無損探傷技術是目前應用非常廣泛的一種無損探傷檢測手段。它既可以用來檢測物體表面的缺陷，又可以探測到物體內部幾米深的缺陷，而這是其他檢測手段所無法達到的深度。超聲波無損探傷技術具有靈敏度高、周期短、靈活方便、成本低、效率高，并且對人體不產生不良影響等優點，但同時其也具有不少缺點，例如需要富有工作經驗的技術人員操作，要求被測物體表現平整光滑，對被測物體的損傷類型沒有明確的顯示，需要工作人員根據經驗判斷。不過它適用于厚度尺寸比較大的物體檢測。

目前可以應用超生波探傷進行無損檢測的方法主要有以下幾種：（表1）

超聲波探傷的方法有很多種，常用的一般使脈沖反射法。由于物體內部有缺陷，會使物體材料內部不連續，當脈沖傳播到不連續處時，由于不連續處的聲阻抗的不一致，而脈沖會在兩個聲阻抗不一致的地方發生反射現象，同時超聲波反射回來的能量大小和方向與交界面處的取向大小有關。由這一原理就可以設計出脈沖反射式超聲波探傷儀。

目前所用的脈沖反射式超聲波探傷儀大多是A掃描方式，顯示器縱坐標顯示的是反射波的幅值，而橫坐標顯示的是超聲波在物體傳播的距離或是時間。當一個鋼管物件中存在缺陷時，會在鋼管材料與缺陷之間形成一個介質不同的界面，當超聲波傳遞到交界面時，由于兩物質的聲阻抗不同，會使超聲波發生反射，從而使反射回來的能量被接收器接收到，在顯示器上顯示出反射波的波形，由于反射波的形狀和高度不相同，從而反映了缺陷的不同性質。

4超聲波無損探傷在鋼管檢測中的應用

4.1試塊設計

現行的技術標準和規范要求在采用無損檢測時要有人工參照反射物的標準試件用來檢查探測儀的靈敏度。超聲波的探傷參照物一般是采用各種不同尺寸和形狀的人工刻槽。因此由無縫鋼管可能出現的缺陷類型，設計出參考試塊，在試塊的內外壁上制成缺陷形成人工反射體，這些試塊都是從待檢測的鋼管工件上取得，作為評價缺陷的類型以及用于調節探傷靈敏度。

4.2檢測方法

開始檢測時，將鋼管外面的放置探頭處的油漆和氧化膜去除掉，用來使探頭和鋼管能夠更好的接觸。對于無縫鋼管，當導波入射到有裂縫等危險缺陷時，反射的波信號會十分強烈，顯示的波形十分陡峭尖銳，而當鋼管內外壁有腐蝕性缺陷時，它的反射波顯示的波形比較緩和，因此對于不同類型的缺陷是很容易區分開來的。

4.3實測結果

實際檢測時選取三十根無縫管材進行測試，利用制成的人工反射參照體調節儀器和探頭的靈敏度，測試中根據相關技術規范要求，測試三十根管材時，發現存在缺陷管材時認定為不合格，同時將不合格管材進行解剖以證實缺陷確實存在。超聲波無損探傷與其他方法相比具有速度快的優點，每次只需將探頭接觸一次管材即可完成測試，同時應用方便靈敏，其精度不受管材上覆蓋的雜物影響，能夠發現一些其他檢測方法所發現不了的缺陷，如凹坑大面積腐蝕等。

5結語

超聲波無損探傷技術具有多種優點，能夠一次性測量長距離物件，效率高，現場操作簡單快速，所用時間短同時代價較低，檢測過程不受管材上覆蓋的雜物影響，具有很強的實用性，目前已成為無損檢測的主要熱門手段，但不可否認，該種檢測手段還存在缺陷，不能夠直觀的顯示缺陷，對其成像技術的的應用還不是很成熟，使其的應用造成了一定的局限，因此未來的發展方向應該向信號處理、圖像成型等方向發展，使其技術更加成熟。

參考文獻

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