超聲波在管道測厚中的應用及其波形評價

沈凱峰

（上海金藝檢測技術有限公司，上海 201900）

0 引言

寶鋼集團有限公司（以下簡稱：寶鋼）現存大量的在役管道需要測定其壁厚，主要有煤氣管道、水冷壁壓力管道、換熱器管束等。而有些管道表面具有一定厚度的防銹層，大多數管道壓力值較大，屬于特種設備的壓力管道。管道關鍵部位的真實厚度情況間接反應著管道的腐蝕情況。由于管道腐蝕情況嚴重，導致壁厚減薄存在泄露風險，不僅影響正常生產，還會對環境造成污染，甚至可能出現安全隱患。

寶鋼在役管道內無介質，溫度自然冷卻時進行常規接觸式超聲波厚度檢測。如果管道表面有防銹層，檢測人員需要先去除防銹層，然后對管道表面進行修磨，保證檢測部位具有一定的光潔度。由于管道年定修周期較長，這種檢測方式難以了解管道的腐蝕狀況，特別是承壓類設備的壓力管道，萬一出現狀況，就會造成嚴重的經濟損失。對此，國家頒布了《在用工業管道定期檢驗規程》，高溫壓力管道檢驗成為迫切需要解決的問題，特別是DN＜32 mm 的管道和高溫管道。G 門模式超聲波探傷儀搭配適合的探頭，可降低盲區區域、減少脈沖寬度，對DN＜32 mm 的小徑管道進行厚度檢測，并提供精準的實測值，具有完整的檢波電路，可以準確分析波形圖，有助于提高檢測厚度的精度，而換能器與高溫設備不會直接接觸，減少人員灼傷的風險，該方法適合高溫管道的檢測。

1 G 門模式超聲波測厚原理

用超聲波探傷儀對管壁測厚時，探頭將超聲波傳遞到工件中，當遇到工件邊界時返回后得到回波，一部分回波被探頭接受并轉換成信號送回探傷儀進行計算處理，此時的回波信號記作一次底波B1；而另一部分回波在探頭與工件的界面再次反射，重新進入工件，重復著前一次的傳遞過程，循環依次產生B2、B3、…、Bn-1、Bn，如圖1 所示。儀器會記錄接收相鄰二次回波信號，并計算出時間間隔，該時間間隔就是超聲波通過被檢工件所需的時間，根據超聲波在被檢工件中的傳播速度求出工件的厚度，厚度D 可用公式求出：

式中：v 為被檢工件中的聲速；△t 為超聲波在被檢工件兩表面之間往返一次的時間，如圖2 所示。

往復時間的測定有下面三種方法：

1）計算始脈沖T 和一次底波B1之間的時間；

2）計算第一次底波B1與第二次底波B2之間的時間；

3）計算任意相鄰二次底波Bn-1與Bn之間的時間。

以上三種測量方式的選擇可以通過常規超聲波探傷儀實現。

第一種測量方法是利用A 門或者B 門模式進行測厚，由于脈沖波幅較大，增加了盲區范圍，這就限制了儀器的測量范圍，最終導致測量精度較低。第二種測量方法，由于脈沖窄，測厚精度明顯提高，同時能檢測比較薄的材料，此時若用高頻（15 MHz）探頭就能檢測小于1 mm 厚度的材料，大大提高了儀器測量下限。第三種測量方法，其效果和第二種方法接近，當底波位于聲束擴散區內，聲束存在擴散角，檢測精度可能會稍許降低。綜上所述，第二種和第三種方法效果差異不大，適合G 門模式超聲波進行測厚。

2 G 門模式超聲波測厚方法

1）首先根據被檢工件的材質、形狀和厚度選擇適合的超聲波探頭，如果工件材質晶粒較細或者被測厚度較薄，則可以選擇高頻探頭和雙晶探頭；對于被測工件部位存在較小曲率半徑時（小直徑管道測厚），則可以選擇小尺寸晶片探頭；對于壁厚較厚且材質晶粒較大的工件，則可以選擇低頻探頭。

2）連接探頭、探頭線和超聲波探傷儀，打開儀器，在儀器上調節與探頭匹配的頻率，調低儀器發射脈沖波的重復頻率，避免產生幻象波，打開A 門和B 門，將門（GATE）觸發模式設置為前沿（FLANK）觸發，然后調整合適的聲程便于觀察底波。

3）開啟超聲波探傷儀的G 門模式后，進入菜單選擇材質的聲速，調節增益或衰減，使儀器屏幕清晰顯示多次底波，并將底波調節至低于100%B.S。移動A門和B 門至相鄰二個底波，A 門和B 門的高度應該與相鄰二個底波高度成正比，此時儀器上顯示的讀數為該工件的厚度，可以多測幾個數值，選取平均數作為最終實測結果。

3 G 門模式超聲波測厚實際檢測結果及分析

熱軋加熱爐換熱器管束腐蝕較為嚴重，一旦管束泄漏將直接影響企業的正常生產。如果發生泄漏事故后再修復或者更換管束將會造成更大的損失。這就急需一種快速、精準的測厚方法，在不耽誤日常生產的前提下，不定期檢修對管束進行精確且多點測厚，以判斷管束是否存在腐蝕情況。在檢測過程中，運用該技術對換熱器管束進行除銹，然后再利用G 門模式對管束進行測厚。

用壁厚為3 mm 的管束進行測厚得到實測值為2～2.8 mm，然后在實驗室對數值進行對比發現，G 門模式下的測厚數值精度高（如圖3 所示），為判斷腐蝕區域提供有力的保障，避免了在生產中因散熱問題導致異常停機帶來的損失。

圖3 管束外壁G 門模式測厚界面

4 電磁超聲波測厚原理

電磁超聲波換能器物理結構包含有高頻線圈和磁鐵兩個部分，高頻線圈用于產生高頻激發磁場，磁鐵用來提供外加磁場[1]。

當工件表面上的高頻線圈通過高頻電流時，它在工件表面產生感應電流，該感應電流在外加磁場的作用下受力產生高頻振動，此時主要是洛倫茲力的效應形成了超聲波聲源。

在對鐵磁性材料檢測過程中，由于外加磁場的作用，磁疇之間的平衡被破壞，磁疇磁化強度矢量全部轉向外加磁場方向，并與外加磁場方向一致，材料出現磁飽和現象。在磁化的過程中，每個磁疇之間的界限發生位移轉動，導致出現機械形變，這種現象稱為磁致伸縮效應。因此在常規的鐵磁性材料中，洛倫茲力效應和磁致伸縮效應均能產生不同波形的電磁超聲波。

該技術是采用電磁超聲波檢測方法對高溫管道進行測厚，適用于帶有防銹涂層的管道和難以直接接觸的高溫壓力管道。

5 電磁超聲測厚方法

5.1 自相關算法校準

自相關算法是一種波峰與波峰之間的測量方式，其優點是測量精度較高。該方法需要在掃描中至少出現兩個回波信號，假如選定的回波信號大于兩個，第二個回波信號波幅一定要小于第一個波幅信號。使用相同材質已知厚度的工件來校準儀器和測量聲速。

5.2 過零點算法校準

如材料厚度較大或者材質衰減嚴重，導致只能收到一個回波信號時，就需要使用過零點算法。該算法通常適用于只有一個回波信號，是計算從始波到指定回波之間的距離，為了增加精度，測量點是與X 軸零點交叉的波形，因此叫過零點。過零點校準需要兩個不同厚度的工件來校準其聲速和探頭零位。

5.3 高溫測厚法

采用自相關算法和過零點算法校準法儀器設備時，選用的工件溫度通常是室溫，和現場管道的工件溫度不一致，尤其在高溫管道測厚時，溫度的差異會嚴重影響超聲波傳播的速度，增大測厚檢測的誤差。

在實際檢測過程中，開啟設備的“溫度補償”功能，糾正溫度的改變導致材料聲速變化。溫度傳感器測量的溫度數據會實時同步顯示，需要注意的是其溫度值也可以手動修正。

6 電磁超聲測厚結果

6.1 自相關模式測出的厚度值

電磁超聲探頭通常使用橫波（SH 波）來測厚的。當檢測的材料是各向異性時，通常回波信號沒有嚴格呈現遞減的趨勢。在一個極化方向上的橫波聲速不相同，會導致第二次回波高度低于第一次和第三次回波。如果三個回波都在閘門范圍內，那在自相關模式下，則會計算出第一次和第三次回波的平均值，因此就會出現二倍的厚度值。

6.2 解決方案

確保在A 掃描中，閘門僅包含第一次和第二次回波信號，則可避免由于第二次回波信號小于第一次和第三次回波信號造成的誤差。

移動閘門位置，包含第二次、第三次、第四次回波信號。如果閘門位于第二次回波信號后，那么第二次回波信號就會小于第三次回波，但由于第二次回波是閘門內出現的第一個回波信號，因此能夠準確計算出厚度值。

7 A 掃描波形評價

7.1 缺陷導致的結果誤差

電磁超聲波能夠像常規的壓電晶片換能器一樣，在金屬工件中產生橫波和縱波，也會像常規超聲波一樣在檢測中出現缺陷，特別是在比較薄的工件中。常規的超聲波測厚儀在檢測過程中，如果遇到工件中存有缺陷就會將缺陷的深度誤報成工件的厚度，給檢測結果帶來了不確定性。

而使用電磁超聲檢測，由于有各類檢波的波形圖顯示，能清楚地分析出實際工件的狀況，包括缺陷波和多次底面反射波，在檢測厚度的同時，還能查找出工件中的各類缺陷。

7.2 相鄰二次底波之間數值誤差

超聲波波源輻射是以特定的角度向外擴散的，波源附近存在一個未擴散區，在未擴散區波束不存在衰減，此區域波陣面的聲壓一致，而電磁超聲的信噪比和常規壓電晶片換能器超聲相比要低很多，特別是遠場性能較差。在對薄壁管測厚時，盡量選用未擴散區附近的相鄰二次底波作為測厚的依據。

8 結語

該技術已在熱軋換熱器管束測厚、能環部焚燒爐外壁測厚等項目中予以實施，取得了良好效果，可廣泛運用于各類工件設備厚度測試。