激光超聲檢測技術在管道壁厚及焊接缺陷檢測中的應用研究

劉 茂

（武漢船舶職業技術學院，武漢 430050）

管道運輸在氣體、液體等物質的長距離運輸中發揮著重要作用[1]。相比鐵路、公路等傳統運輸方式，管道運輸可在動力損耗、物流運輸等方面節省成本投入。尤其在油氣運輸中，它可大幅度降低油氣資源運輸損耗[2]。近年來，隨著我國石油、天然氣工業的迅猛發展，油氣管道規模不斷擴大，油氣管道安全事故發生風險隨之加大。焊接缺陷作為當前引起油氣管道安全事故的主要因素，采取有效措施對管道焊接缺陷進行檢測，以確保焊縫質量和焊接完整性，可為管道焊接結構性能與壽命提供重要保障[3]。傳統超聲檢測技術受接觸式檢測、需要耦合劑等限制，檢測結果誤差較大，影響管道安全事故的有效預防。為尋求一種精準、靈敏的檢測方法，本文對激光超聲檢測技術在管道壁厚及焊接缺陷檢測中的應用價值進行實驗分析。

1 激光超聲檢測技術概述

激光超聲檢測技術是一種非接觸、高精度、無損傷的新型檢測技術。它借助激光脈沖激發被檢測工件產生超聲波，通過激光束對超聲波的傳播進行探測分析，以獲取工件厚度、材料參數及表面缺陷等信息[4]?，F階段，激光超聲檢測技術可被分為非干涉檢測技術和干涉檢測技術兩種。前者基于超聲波傳播期間所造成的工件表面形變或反射率變化，通過對光反射方向和強度產生的變化進行檢測，實現工件缺陷檢測；后者主要利用超聲波會導致工件表面發生微位移的特征，通過對工件表面微位移造成的光束相位或頻率調制變化進行檢測并將其轉化為電信號，進而達到精準檢測工件缺陷的目的[5-7]。干涉檢測技術種類繁多，不同類型技術功能大同小異。但是，相比其他干涉檢測技術，雙波混合干涉檢測技術具有結構簡單、性能穩定、系統緊湊等特點，對低頻擾動的敏感性也相對較低。該技術所涉及的參考光空間相位自動匹配機制，可實現來自工件表面多個散斑的同時接收，聚光能力更強，使其在粗糙表面的檢測中更具優勢[8-10]。

2 激光超聲檢測裝置原理

為了更好地體現激光超聲檢測技術在管道壁厚及焊接缺陷檢測中的應用價值，本文利用雙波混合干涉檢測技術設計激光超聲檢測裝置。如圖1所示，該裝置檢測光源選用532 nm連續激光器。連續激光器發出的激光經光束整形，通過分束鏡分成參考光和檢測光兩束光源。參考光會在完成兩次反射后到達光折變晶體，而檢測光會通過多個光學器件和聚焦系統到達管道表面。此時，由檢測光反射產生并攜帶超聲信號的信號光，會在經過聚焦系統和反射鏡后到達光折變晶體，隨后在光折變晶體光柵信號光和衍射參考光干涉影響下到達光電探測器并轉換為電信號，以實現管道壁厚和焊縫缺陷的精準檢測。

圖1 激光超聲檢測裝置光路原理圖

3 激光超聲檢測實際應用

本文借助基于雙波混合干涉技術的激光超聲檢測裝置，對管道壁厚及焊接缺陷進行檢測。超聲激勵選用KL-M（S）型Q開關Nd：YAG激光器（武漢宜美），激光脈沖能量400 mJ，頻率10 Hz，激光光斑直徑1.5～8.0 mm（可調節）。打開激光器開關后，脈沖激光經分光鏡分為兩束激光：一束能量20 mJ（約5%）的激光經衰減由光電探測器接收，并轉換為電信號，將其視為信號采集觸發信號；另一束能量380 mJ（約95%）的激光經透鏡聚集達到管道樣品表面并激發超聲信號。該超聲信號由超聲信號檢測裝置完成接收與檢測，隨后轉換為電壓信號并輸出。經信號采集處理，該信號最終會顯示于屏幕。本文選用2.5 MPa 800DN焊接不銹鋼管作為管道樣品，管道實測壁厚15.07 mm，另在鋼管內制作長2 mm、深7.5 mm的焊接缺陷。

3.1 激光超聲技術檢測管道壁厚

如圖2所示，運用激光超聲技術檢測管道壁厚時，激光器發出激光經透鏡聚集后達到管道樣品表面的激勵點，同側放置激光超聲檢測裝置對檢測點返回信號進行接收處理。調整激光器與激光超聲檢測裝置的位置，確保激勵點與檢測點之間擁有一定的距離。檢測過程中，逐步提升激光脈沖能量，通過促進超聲激勵模式不斷趨近于熱彈與燒蝕的臨界點，以確保接收到的超聲信號擁有更高的信噪比。

檢測結果顯示，獲取的超聲波形圖清晰顯示激勵波、激勵時產生的沖擊波及管道樣品地面回波。地面回波于激勵波產生后5.11 μs時出現。超聲波在鋼管中的速度為5 950 m·s-1。經計算，檢測到管道樣品壁厚為15.15 mm，檢測誤差為0.08 mm，引起檢測誤差大小與激勵點和檢測點之間的距離有關。

3.2 激光超聲技術檢測焊接缺陷

采用以上方法對管道樣品內焊接缺陷進行檢測，獲取超聲波形圖顯示，缺陷回波于激勵波產生后2.56 μs時出現，超聲波在鋼管中的速度為5 950 m·s-1。經計算，檢測到管道樣品焊接缺陷為7.62 mm，檢測誤差為0.12 mm。與管道壁厚的檢測相同，由于激勵點與接收點之間存在一定距離，導致檢測結果偏差相對較大，且缺陷深度越小造成的檢測偏差越大。因此，選用激光超聲技術檢測焊接缺陷時，可根據激勵點與檢測點之間的距離，去掉由此因素引起的偏差數值，即可有效降低該方法檢測出現的誤差值。

4 結語

本文充分結合目前管道焊接檢測的實際需求，基于對激光超聲激勵和檢測原理的研究結果，構建一款以光折變晶體雙波混合干涉技術為基礎的激光超聲檢測設備，且在設備構建過程中充分融入集成化設計原理，有效縮小了設備的整體體積，使得設備操作具有更高的便捷性與靈活性。管道焊接缺陷檢測是油氣管道運輸管理中的重要環節。激光超聲檢測技術可實現管道壁厚及焊接缺陷的精準檢測，可為油氣管道安全事故預防工作的有序開展提供保障。