基于激光超聲的厚壁管內壁爬波傳播的可視化

詹 超1,彭笑永,李 陽

(1.廣東省特種設備檢測研究院 珠海檢測院，珠海 519002；2.鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001)

通常把壁厚和管徑之比大于0.05的鋼管稱為厚壁管，厚壁管常見于鍋爐給水管道、主蒸汽管道、再熱器冷段和熱段管道中，在化工廠和電廠中占較大的比例。如：珠海寶塔石化有限公司、華峰石化有限公司等化工廠都存在很多厚壁管道。隨著運行時間的增加，厚壁管的內壁上會逐漸出現腐蝕坑、裂紋、點蝕等缺陷。而承壓管的內壁應力比外壁應力大得多，故內壁缺陷更具有危害性。一旦厚壁管出現破裂或失效，將會造成重大的安全事故。而現有厚壁管內壁缺陷的常規檢測方法主要是小角度縱波法、變形橫波內切法及端角反射法，但存在靈敏度低和易漏檢等問題，并且厚壁管道的常規超聲檢測方法需要逐點掃查被檢工件，因此工作量巨大，效率低下，成本高[1]，甚至有些部位由于探頭無法接觸到而無法檢測，所以利用傳統超聲方法很難實現全面、快速、可靠的檢測。因此，厚壁管內壁缺陷仍是常規超聲檢測的難點之一。

爬波是縱波以第一臨界角入射到第二介質中時，產生的一種非均勻波。這種波類似瑞利波，其能量主要集中在表面下的某個范圍內，對工件表面粗糙度不敏感。1981年，應崇福等[2]通過光彈法觀察了玻璃內的圓柱形空腔上彈性波的爬波現象，發現縱波入射至固體中的傳播情況和流體中的情況一樣，其衰減較大；而橫波入射至固體中的情況比較復雜，其衰減相對較小。HASSAN等[3]通過數值方法求解了爬波在圓柱空腔中的頻散曲線，發現沿周向傳播的爬波隨著傳播距離的增加，其向周圍散射體波，進而導致爬波能量的泄漏，影響傳播距離。WU等[4]理論計算了圓柱體上瑞利波的頻散曲線，并通過激光超聲試驗驗證了理論結果。王小民等[5]通過理論分析和光彈試驗研究了圓柱空腔上爬波的傳播規律，通過斜入射脈沖回波試驗裝置建立了爬波反射回波的幅度與裂紋長度的關系。

爬波在傳播過程中存在較為復雜的特性，主要有兩個方面：一是爬波會不斷地向周圍傳播其他模態的波，導致能量衰減較快；另一方面是由于爬波存在一定的頻散特性，隨著傳播距離的增加，波包能量發散較大[5]。因此，這些復雜的因素導致了爬波受限于工程應用。為了更好地了解爬波在厚壁管內壁上的形成機理和傳播特性，筆者通過激光超聲可視化技術，研究了直探頭在厚壁管外側激勵的縱波在內壁上形成爬波的過程，以期為爬波無損檢測厚壁管內壁缺陷的工程應用提供參考。

1 試樣及激光超聲試驗裝置

激光超聲檢測系統示意如圖1所示。Nd…YAG激光器的波長為1 064 nm，單脈沖激光能量最大可達到2 mJ，單脈沖時間寬度為1.6 ns，脈沖激光的重復頻率最高可達2 000 Hz。脈沖激光器前置電動聚焦小鏡，可自動控制聚焦距離，并且可聚焦激光光斑直徑小于1 mm。由于單脈沖激光能量小于2 mJ，根據激光超聲理論，其超聲產生機制為熱彈效應[6-7]。通過探頭接收超聲信號，電信號通過前置放大器和帶通濾波器后，被數據采集卡(NI PXIe-5160,帶寬為1 000 MHz，采樣率為2.5 GS/s)采集，并保存至計算機中。

圖1 激光超聲檢測系統示意

圖2 厚壁管激光超聲檢測示意

所用的厚壁管試樣是外徑為108 mm，內徑為50 mm的不銹鋼管，直探頭采用OLYMPUS公司的2.5 MHz探頭，通過耦合劑貼附于厚壁管外側(見圖2)。設定的激光掃查區域如虛線框所示。然后通過偏轉小鏡控制激光束的掃查位置，實現激光的S型掃查。通過超聲傳播的互異性，可得到直探頭在厚壁管上的聲場分布情況[6]。

2 試驗結果及討論

在直探頭下方15 mm處激勵一個脈沖激光后，直探頭接收到的A掃信號如圖3所示。

圖3 直探頭下方激勵后接收到的A掃信號

從圖3可以看出，A掃信號較為復雜，通過脈沖到達時間t=2.6 μs和傳播距離l=15 mm，可以得到第一個波包的傳播速度v=5 759 m·s-1，該速度與縱波速度的理論值相近，因此該波為縱波。對所有掃查數據進行超聲C掃成像，就可以得到掃查區域上每個時刻的超聲波的傳播圖像，進而得到超聲波在管壁上傳播的動態圖像[6]。

為了能夠得到直探頭入射聲場的能量分布，將每個點上的A掃數據的最大幅值依次畫出，得到掃查區域的最大振幅圖(見圖4)。

從圖4可以看出，直探頭的聲束擴散角小于10°，能量分布較為集中，探頭聲束無法完全覆蓋厚壁管的內壁。部分管內壁雖然不在探頭的聲束范圍內，其上的能量分布卻比周圍管壁上的強，說明直探頭激勵出的超聲波通過某種傳播機制，到達了管內壁的盲區。為了能夠清晰地看出超聲波的傳播過程，可以從超聲波的動態圖像上得到超聲波的傳播過程，選取第5，8，10，12 μs時刻的圖像(見圖5)。

圖5 超聲波在厚壁管中的傳播過程

從圖5可以看出，直探頭不僅激勵出了能量較強、傳播速度較快的縱波L，同時還激勵出了能量較弱、傳播速度較慢的橫波S。由此可以看出，直探頭激勵出的聲場包含了較弱能量的橫波，與已有研究結果相同[7]。在第8 μs時，超聲縱波L在管內壁上發生反射形成反射縱波LL，同時由于模態轉換形成橫波LS和爬波C。橫波LS由于速度較慢，其波前逐漸和反射縱波LL的波前分離開。張家駿[1]在利用超聲縱波檢測內壁裂紋時，同樣發現縱波在內壁上產生了變形橫波的現象，而形成的爬波C以和縱波相近的速度沿管內壁傳播，爬波在內壁的振動位移相對較大，有集中現象，因此可利用這種爬波集中現象檢測內壁缺陷。另外，從已有研究[5]得知：縱波形成的爬波衰減較大。在第10 μs時，由于直探頭聲束無法完全覆蓋管內壁，所以這時的管內壁上不再存在反射縱波和橫波，而爬波仍然沿管內壁繼續傳播。雖然爬波能量有一定的衰減，但是仍然能夠清晰地看到爬波的傳播過程。當到達第12 μs時，直探頭激勵出的橫波在管內壁發生反射，形成反射橫波SS，同時發生模態轉換形成能量較弱的縱波SL。通過最大振幅圖，可以得到不同時刻爬波在內壁上的最大幅值(見表1)。從得到的結果可以看出：隨著傳播距離的增加，爬波的幅值有較大程度的衰減。

表1 不同時刻爬波在內壁上的最大幅值

根據以上結果，可以初步得到：超聲縱波在合適的入射角下，可以在厚壁管內壁上形成爬波，并且爬波以與縱波相近的速度沿管內壁傳播。下一步，將根據爬波的形成機制，研制合適的入射角的探頭，以激勵出較強能量的爬波。由于縱波形成的爬波有一定衰減，不適用于傳播距離大的檢測條件。

3 結論

(1)直探頭在厚壁管上不僅激勵出了縱波，同樣也激勵出了能量較弱的橫波。

(2)利用激光超聲可視化技術，可清晰地觀察到超聲縱波和橫波在管內壁上發生的模態轉換現象。

(3)縱波在管內壁上形成了速度和縱波速度相當的爬波，爬波沿管內壁傳播可到達探頭聲束覆蓋不到的區域。