國產和進口電磁（壓電）超聲測厚儀檢測性能的比對試驗

王 杜 阮星翔 錢盛杰 尹建斌 邵冬冬

（寧波市特種設備檢驗研究院）

超聲波應用于材料測厚已成為一項非常成熟的技術， 常見的超聲測厚有壓電超聲測厚、電磁超聲測厚及相控陣測厚等。 壓電超聲測厚因具有探頭體積小、 工藝簡單及質量輕等優點在超聲測厚方面發揮了舉足輕重的作用［1］。 電磁超聲是一種新型的超聲檢測技術［2～4］，其工作原理有別于傳統的壓電超聲， 采用電磁耦合換能機制產生超聲波，無需耦合介質、重復性好，能應用于高溫、高速的檢測環境［5～8］。目前，電磁超聲檢測技術成熟的應用有超聲測厚、 超聲導波 檢 測 等［9，10］。 超 聲 相 控 陣 測 厚 技 術 的 基 本 原理與常規超聲相同， 也屬于壓電超聲技術，因而使用方法類似， 但相控陣技術具有直觀成像和高覆蓋面積的優點， 使之能夠得到更加直觀的厚度分布情況。

因壓電超聲技術和電磁超聲技術所產生超聲波的原理不同， 故在現場測厚中的檢測效率、檢測靈敏度和缺陷檢出率相差較大。 筆者針對一臺內表面下極部位腐蝕的球罐，分別采用電磁超聲和壓電超聲測厚技術的不同儀器、探頭進行檢測性能的比對試驗。

1 比對試驗概況

1.1 球罐簡介

該球罐的主體結構為單層（無保溫層），支座為赤道正切型，罐體上有14 支接管，對接焊縫長度166m，開罐由打開上下人孔完成，1980 年1 月開始投用。

球罐主要技術參數如下：

材料 16MnR

介質 液化石油氣

內徑 7 100mm

厚度 24mm

容積 200m3

腐蝕裕度 3.0mm

設計壓力 1.76MPa

工作壓力 1.40MPa

設計溫度 -20～50℃

工作溫度 30℃

球罐罐體上的焊縫布置如圖1 所示，焊縫總長166m。 對此，筆者制定的壁厚測定要求如下：

a. 對球罐的每塊球殼板應進行壁厚測定，每塊不少于6 點， 必要時采用爬行器增加測厚比例；

b. 對可檢接管，每個接管一般不少于2 點；

c. 重點檢驗液面經常波動的部位，包括物料進口、流動轉向及截面突變等易受腐（沖）蝕的部位，制造成型時壁厚減薄部位，使用中易產生變形（磨損）的部位，接管部位。

圖1 球罐焊縫布置示意圖

常規壓電超聲測厚過程中發現球罐的下極部位測厚效果很差，數據跳動，甚至出現無數據情況，不能穩定、準確地讀數。 結合該液化石油氣球罐的使用工況，超聲測厚后初步判斷其下極部位發生嚴重的腐蝕。 經宏觀檢驗發現，確認球罐下極部位內表面有嚴重的腐蝕，部分已形成腐蝕凹坑。

1.2 測厚部位與儀器

針對球罐下極部位的腐蝕情況，筆者選取E2球殼板中的一部分進行壁厚測定比對試驗，測厚部位照片如圖2 所示，在靠近E3 球殼板的E2 球殼板右上角用記號筆畫出定點測厚網格，共計64個測厚網格，每個測厚格的尺寸為30mm×30mm。顯而易見，測厚部位的尺寸為240mm×240mm。

比對試驗所采用的儀器有：美國進口的電磁超聲測厚儀，搭配的測厚探頭為進口單點式高溫探頭；國產電磁超聲測厚儀，搭配的測厚探頭為國產單點式高溫探頭；美國進口的壓電式超聲測厚儀，搭配的測厚探頭為進口壓電超聲探頭。

圖2 球罐測厚部位照片

1.3 試驗方案

為了比對上述3 種超聲測厚儀在檢測靈敏度和缺陷檢出率上的差別， 制定了3 個比對方案：

a. 比對方案1——進口和國產電磁超聲測厚儀的比對，即采用進口儀器搭配進口探頭和國產儀器搭配進口探頭對64 個網格進行帶漆狀態下的測厚檢測比對；

b. 比對方案2——進口和國產電磁超聲探頭測厚比對，即采用進口儀器搭配進口和國產探頭對64 個網格進行帶漆狀態下的測厚檢測比對；

c. 比對方案3——電磁和壓電超聲波測厚儀的比對，即采用進口壓電超聲波測厚儀搭配進口探頭對64 個網格進行帶漆狀態下的測厚檢測比對。

在測厚過程中，通過自相關、交叉零點和峰值法3 種方法測得數據。

2 比對試驗結果分析

2.1 比對方案1

2.1.1 進口電磁超聲測厚儀+進口探頭測厚

采用進口電磁超聲測厚儀+進口探頭測厚的結果列于表1（64 個測厚網格的數據按圖2 的編號依次填入表格內，下同）。 其中，紅色數據由峰值法測得，綠色數據由交叉零點法測得，黑色數據由自相關法測得。

由表1 可見， 采用進口電磁超聲測厚儀+進口探頭測厚時，大部分測點可以通過自相關法測得，只有7 個點無法通過自相關法測得，但可以通過峰值法和交叉零點法測得（說明這7 處的腐蝕可能較為嚴重）。 另外，15#測點位置的測厚數據明顯小于其他點的數據，經內表面宏觀檢驗發現此處為一較大的腐蝕凹坑。

表1 進口電磁超聲測厚儀+進口探頭測厚結果 mm

2.1.2 國產電磁超聲測厚儀+進口探頭測厚

由于測試的球罐使用已超過40 年，外壁油漆層較厚且不均勻，內壁存在很多腐蝕坑，導致采用國產電磁超聲測厚儀+進口單點式高溫探頭測厚的效果很差，基本不能穩定、準確地讀數。

2.2 比對方案2

采用進口電磁超聲測厚儀+國產探頭測厚的結果列于表2。

表2 進口電磁超聲測厚儀+國產探頭測厚結果 mm

（續表2）

由表2 可見， 采用進口電磁超聲測厚儀+國產探頭測厚時，通過自相關法測得厚度的測點明顯少于表1 中所列的測點， 有17 個測點無法用自相關法測得，但可通過峰值法和交叉零點法測得。 由此可得，進口電磁超聲測厚儀+國產探頭的檢測性能雖不如進口電磁超聲測厚儀+進口探頭，但優于國產電磁超聲測厚儀+進口探頭。

2.3 比對方案3

采用進口壓電超聲波測厚儀測厚的結果列于表3。

表3 進口壓電超聲波測厚儀測厚結果 mm

由表3 可見，采用進口壓電超聲波測厚儀測厚時，通過自相關法可以測得厚度的測點明顯少于表1、2 中所列的測點， 有25 個點無法用自相關法測得，也無法通過切換算法的方式來測試這25 個測點（表3 中用“-”表示）。此外，采用壓電超聲波測厚儀測厚時， 需要表面打磨且涂抹耦合劑， 而電磁超聲測厚儀測厚時不需要這兩個環節，其檢測效率顯然比前者的高。 由此可以得出，對于這類內表面腐蝕的設備，電磁超聲測厚儀的檢出率和檢測效率均高于常規壓電超聲波測厚儀。

3 結論

3.1 對于內表面腐蝕嚴重的設備，采用電磁超聲測厚儀的檢出率高于常規壓電超聲測厚儀。

3.2 采用進口電磁超聲測厚儀搭配進口探頭的檢測性能優于國產電磁超聲測厚儀搭配國產探頭。

3.3 采用電磁超聲測厚儀測厚時，可以同時利用自相關法、峰值法和交叉零點法這3 種方法進行測試。 對于表面平整的工件，推薦采用自相關法進行檢測；對于表面不平整且無法用自相關法進行檢測的工件，推薦采用峰值法和交叉零點法進行檢測。