金屬管道超聲波無損檢測方法的研究

鄒智慧

（長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院，吉林 長春 130122）

金屬管道作為工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可缺少的設(shè)備之一，如何保證生產(chǎn)過程的安全性，就需要定期對(duì)金屬管道進(jìn)行檢測，而傳統(tǒng)的檢測方法，基本上都是需要在生產(chǎn)停產(chǎn)的情況下進(jìn)行檢測。這種檢測方法雖然準(zhǔn)確，但檢測速度慢，檢測過程相對(duì)復(fù)雜?；诔暡o損檢測方法的研究，可以在生產(chǎn)過程中不需要停產(chǎn)的前提下完成對(duì)設(shè)備的無損檢測，通過檢測設(shè)備，可以準(zhǔn)確快速地發(fā)展金屬管道中損傷及測定材料性能劣化程度。

1 金屬管道無損檢測技術(shù)的介紹

金屬管道無損檢測技術(shù)的研究，當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展而不斷進(jìn)步，其檢測技術(shù)由以前的單一的檢測技術(shù)與方法，變成多樣的檢測方法與技術(shù)，其檢測過程也由單一的缺陷檢測向精確定量發(fā)展[1]。目前常用的無損檢測方法有以下幾種：

1.1 磁粉檢測技術(shù)

此技術(shù)是利用強(qiáng)磁性材料磁化后，磁化后所形成的磁力線遇到裂紋等缺陷時(shí)，會(huì)繞過缺陷而產(chǎn)生磁漏的現(xiàn)象，通過這種原理來檢測金屬材料的缺陷。這種檢測方法具有較強(qiáng)的通用性，可以方便準(zhǔn)確地檢測出金屬表面出現(xiàn)的問題，但在檢測過程中具有一定的局限性，其檢測深度只局限于金屬表面[2]。

1.2 渦流檢測技術(shù)

這種檢測技術(shù)是用電磁線圈使被測材料內(nèi)部由于電磁感應(yīng)形成渦流，通過電磁感應(yīng)原理來判斷金屬管道材料的缺陷。這種檢測方法簡單、成本低、具有較方廣泛的應(yīng)用。

1.3 超聲檢測技術(shù)

這種檢測技術(shù)是利用超聲波本身固有的特性，聲波射入被檢物體，聲波遇到缺陷反射回來的聲訊號(hào)參數(shù)不一樣，因?yàn)椴煌馁|(zhì)的金屬物質(zhì)對(duì)聲波的反射特性不同，這樣就可以通過這種方式，較方便地判斷出金屬管道內(nèi)部的缺陷。

2 超聲波無損檢測技術(shù)方案的設(shè)計(jì)

2.1 超聲波無損檢測工作原理

超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)，主要涉及到超聲波的產(chǎn)生、傳播與接收技術(shù)。當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)(固體)的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射外，還會(huì)有橫波的反射和折射。各種波形都符合波的反射定律和折射定律。

超聲波在氣體和液體中沒有橫波，只能傳播縱波。其傳播速度為

式中，K—介質(zhì)的體積彈性模量，它是體積(絕熱的)壓縮性的倒數(shù)；ρ—介質(zhì)的密度。

氣體中的聲速約為344m/s，液體中的聲速為900—1900m/s。

超聲波在固體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為

式中，E—固體介質(zhì)的楊氏模量；—固體介質(zhì)的泊松比；G—固體介質(zhì)的剪切彈性模量；—介質(zhì)密度。對(duì)于固體介質(zhì)，介于0.2～0.5之間，因此一般認(rèn)為c橫≈c縱/2。

在一般探測頻率上，材料的衰減系數(shù)在l到幾百之間。若衰減系數(shù)為1dB/mm，聲波穿透1mm時(shí)，則衰減1dB，即衰減10%；聲波穿透20mm，則衰減20dB，即衰減90%。

2.2 超聲波檢測電路的設(shè)計(jì)

本檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是采用微控制器作為控制核心，通過超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬管道進(jìn)行檢測，超聲波傳感器采用發(fā)射與接收分離的傳感器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效地提高擾動(dòng)的干擾，具有較好的檢測性能。超聲波接收部分電路采用電阻與集成電路74LS06構(gòu)成，這種接收電路具有結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定。

2.3 系統(tǒng)檢測方案的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)檢測整體方案的設(shè)計(jì)是采用微處理器作為系統(tǒng)的整體控制核心，微處理器采用STM32F103系列；穩(wěn)壓電路采用ASM1117集成穩(wěn)壓電路，具有較低的功耗；傳感器采用超聲波傳感器，其結(jié)構(gòu)采用發(fā)射與接收分離兩種結(jié)構(gòu)，這部分檢測電路與轉(zhuǎn)換電路采用如上面設(shè)計(jì)所論述。

3 超聲波無損檢測結(jié)果的分析

根據(jù)前面設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)，利用超聲波實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬管道進(jìn)行無損檢測。在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)金屬管道進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)在內(nèi)壁上出現(xiàn)一條1mm的裂紋。利用本文中所設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)，在一定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)管道進(jìn)行檢測，測試出三維視圖如圖1所示。

通過圖1所示的檢測結(jié)果中，三維可視化測量結(jié)果視圖，可以清晰的看到其檢測結(jié)果與真實(shí)情況完全一樣。利用超聲波進(jìn)行檢測，其測量精度可以檢測出1mm的管道裂紋。

圖1 金屬管道模檢測三維可視化測量結(jié)果

4 總結(jié)

基于超聲波傳感器的金屬管道無損檢測方法的研究，在文中首先探討了目前常用的幾種無損檢測方法，分別詳細(xì)地分析了每種無損檢測方法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，通過這幾種檢測方法的對(duì)比可知，利用超聲波進(jìn)行檢測，是一種比較實(shí)用、整體成本較低、檢測方便和穩(wěn)定的檢測方法。通過對(duì)實(shí)物檢測結(jié)果的分析與實(shí)際裂紋進(jìn)行對(duì)比，突出本文所設(shè)計(jì)的無損檢測技術(shù)是一種具有較高分辨力。