利用超聲導波實現工業管道對接焊縫的遠距離掃描

楊虎誠

（鄂爾多斯特種設備檢驗所，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

覆蓋層下的鋼結構是特種設備中極為普遍的結構。這些覆蓋材料有很多類型，如保溫層、混凝土或是防腐蝕層等，這些覆蓋層起到了保護層下鋼結構的功能，使鋼結構免于腐蝕或起到加固作用。但覆蓋層的存在使對層下鋼結構的定期檢驗的難度大大提高。主要問題來源于覆蓋層使檢測探頭難以直接接觸鋼結構的表面來實現有效檢測。因此覆蓋層下鋼結構及鋼管的檢測一直是特種設備檢測行業的一個難題。

近年來隨著超聲導波技術的發展，利用導波技術實現不可接觸區域的遠距離掃描已逐步推廣，如保溫層下的鋼管、埋地管道等等。這種檢測以低頻陣列式導波為主。但這種檢測方法的缺點一是低頻導波的分辨率有限，僅能對大面積的腐蝕區域實現檢測，而且很難進行定量分析。另一個就是檢測所用的陣列式探頭價格昂貴，而且安裝拆卸均不方便。

本文提出了新型的導波檢測方法。該技術充分利用了導波在鋼管中傳播時圓周能量分布周期性重復的特點，實現了用單一探頭激發導波的遠距離自然聚焦。在該聚焦區域實現了管道對接焊縫的檢測。

本文首先討論了導波在鋼管中傳播時的自然聚焦原理，介紹了超聲導波與傳統體波傳播時的不同特點。分析了利用超聲導波自然聚焦特性實現鋼管對接焊縫遠距離掃描的可行性。然后介紹了我們采用的實驗儀器和超聲導波探頭，以及實驗樣管與檢測參數的設置。最后展示了實驗結果與分析，給出了結論。

1 超聲導波的自然聚焦原理

超聲導波在鋼管中傳播有多種模式，包括圓周對稱模式L（0，N）和非圓周對稱模式f（M，N）。當在管道上的激勵探頭沿圓周方向對稱時，如梳狀換能器，在管道中激發能量分布圓周對稱的導波L（0，N）。圓周對稱導波的特性以及在管壁內的聲場振動分布與板材中的蘭姆波類似。當管道上的激發探頭為局部激發源時，管道中產生聲場沿圓周方向非對稱的導波。產生的非對稱導波聲場是各種導波模式L（0,N）與f（M，N）的疊加，其中L（0，N）為圓周對稱模式，F（M，N）為非圓周對稱模式。各模式的能量分布取決于發射源。由于各導波模式的相速度不同，所以各模式之間疊加后的效果會隨距離變化而變化。美國賓州州立大學的Li和Rose給出了由發射源推導出產生的導波中各模式的能量分布，以及給出了疊加后隨距離變化的聲場圓周分布。

超聲體波（縱波，橫波）在傳播時，在超過近場區域后聲場會逐步發散。與體波不同，在管道中的超聲導波由于能量集中在管道壁厚區域內，能量不會產生越過遠場距離的發散。相反，聲場分布模態會隨傳播距離周期性重復。美國賓州州立大學的Li和Rose給出了聲場模態重復的距離。如果激發源是電源，經過導波重復距離后，聲場又聚集到一起，也就是管道中導波的自然聚焦距離。

本文就是利用管道中導波聲場周期性重復以及自然聚焦的特性，實現了遠距離焊縫的導波掃描，得到了超聲導波檢測焊縫時的圓周分布圖像。

我們采用了工業管道常用的碳鋼無縫鋼管作為試驗樣管。樣管的內徑和外徑分別是300毫米和324毫米，所以樣管的壁厚為12毫米，平均半徑為156毫米。樣管的長度為60米，由5根12米長的樣管焊接在一起。樣管示意圖如圖1所示。

圖1

激發的導波探頭為基于楔型塊的縱探頭組成導波探頭，如圖2。楔型塊的材料選用亞克力制作，楔形塊的角度可以根據所要激發的導波的相速度進行調節。

本實驗采用了上海鼎聲超聲導波檢測儀器，其中包括超聲導波檢測系統GUWIS2000。本檢測儀器可以激發頻率在50kHz到5MHz之間的窄帶脈沖序列（tone burst）。激發脈沖的峰峰值為150伏。檢測儀器激發的超聲探頭為上海鼎聲的低頻縱波探頭LUT200，中心頻率200kHz，帶寬50%。探頭和楔形塊組合在一起放在鋼管上的實物圖如圖2。

圖2

2 實驗結果(圖3）

圖3