超声导波对小直径薄壁无缝管周向检测的应用研究

赵 远

（天津诚信达金属检测技术有限公司，天津300384）

超声导波对小直径薄壁无缝管周向检测的应用研究

赵 远

（天津诚信达金属检测技术有限公司，天津300384）

为了对小直径薄壁无缝管的周向导波检测进行系统研究，以超声导波技术为研究对象，通过对晶粒噪声有效控制以及检测灵敏度的有效调节，从而实现对薄壁小直径管缺陷的有效检出，且应用效果较好；同时，利用对比试块对定制的国产导波探头检测距离进行了测定，其对1 mm深的模拟缺陷检测距离能达到130 mm左右；增大探头至缺陷间的距离，缺陷反射波幅明显降低，且回波宽度有所增大，在实际工程检测中，应尽量避免导波频散带来的检测分辨率降低的现象。

检测；超声导波；小直径管；周向；灵敏度；反射波；分辨率

1 概 述

小直径薄壁无缝管被广泛应用于电力、航空、船舰等重要工业领域[1]，此类管材在制造过程中，往往由于母材纯净度或生产工艺问题而导致管材成型后表面或内部存在缺陷影响其正常使用，特别是裂纹或划伤等轴向缺陷对管材危害很大。由于此类管材的使用范围较大，且需要长期工作在高温高压的复杂环境下，如果管材在使用中因存在缺陷而失效，后果不堪设想，因此，在应用前有必要对其进行检测[2-3]。

目前，对于小直径薄壁无缝管的检测方法主要采用涡流检测或超声波进行逐点检测，考虑到检测效率和较高的检测灵敏度要求，上述检测方法仍显不足。超声导波技术是近些年刚刚兴起的一种新的无损检测技术，其可以利用超声在管材中传播的周向导波模式，快速提取并识别管材中的缺陷信号，并且能够保持较高的灵敏度，实现对管材的快速检测[4-6]。

本研究以超声导波为研究对象，对其在小直径薄壁无缝管的周向扫查方法、检测灵敏度等方面进行了系统研究，为超声导波技术在工业无损检测中的应用提供参考依据。

2 超声导波检测原理

超声导波的产生机理与薄板中的兰姆波激励机理类似，当超声传播介质被局限在一定的边界内，边界就会对超声波产生往复不断的反射，这样就能形成导波。在管道检测中，超声波可以沿管道轴向和周向进行传播，轴向传播的超声波形成纵向导波，而周向传播的超声波则形成周向导波。周向导波具有传播距离远、灵敏度高的优点，其工作频率低于常规超声波检测，但却高于纵向导波检测，主要适用于管道中纵向裂纹、划痕、腐蚀等缺陷[7-9]。图1给出了周向导波的检测原理，由图1可知，探头激发出沿管道单方向传播的周向导波，其可沿管壁传播很长的距离，遇到缺陷后信号会沿反方向返回进而被探头接收。

图1 超声导波周向检测原理图

3 设备选择及检测距离标定

超声导波检测设备选用以色列ISONIC2008超声波成像检测系统，该仪器具备ISONIC2005的导波检测功能，可快速实现导波检测数据存储、记录及分析；同时，选用带有纵向模拟缺陷的Φ60 mm×6 mm的小直径管对比试块进行检测灵敏度调节，模拟缺陷为1 mm宽、1 mm深的纵向切割槽。采用从某厂定制的带曲率国产周向导波探头，首先对导波传播距离进行测定，将探头置于对比试块表面，保持探头与管壁耦合良好，捕捉到模拟缺陷信号最大回波，将探头沿单方向转动，不断增大探头与模拟缺陷的距离，并适当调节增益，晶粒噪声最大控制在15%左右，当缺陷最大反射波降低到满屏幕20%时，记录下此时传播距离，并将此距离作为最大检测距离，经实测，所选用国产探头对1 mm深的模拟缺陷检测距离能达到130 mm左右，所选用的对比试块如图2所示。

图2 对比试块示意图

4 结果分析及讨论

4.1 周向导波检测效果分析

对某电厂规格为Φ62 mm×4 mm的小直径薄壁无缝管进行周向导波检测，利用上述对比试块进行检测灵敏度调节，保持探头与对比试块耦合良好，捕捉到缺陷反射回波，并前后旋动探头，找到缺陷的最大反射回波，为避免噪声过大影响检测结果分析，对灵敏度进行调节时，可适当降低增益，将晶粒噪声控制在15%以下，且反射体最大回波控制在满屏的80%左右作为检测灵敏度，检测灵敏度调节效果图如图3所示。

图3 检测灵敏度调节效果示意图

依据实测探头的检测距离，采用半周检测的方案对该小直径管进行检测，并制定工艺如下：将探头与管壁耦合良好，沿管壁轴向进行逐段检测，完成管道的半周检测，之后将探头旋动180°，往轴向相反方向完成剩余半周的导波检测，以最初设定的检测灵敏度作为参考，当缺陷最大反射回波大于满屏幕80%时，则说明其当量深度大于1 mm，由于导波在小直径管内外壁的振动位移形态相仿，因此对同一小直径管内外壁同等缺陷检出能力相近，但针对不同类型的缺陷其检测效果也有所不同。具体检测效果如图4所示。图4（a）为裂纹缺陷检测波形图，其反射波信号强烈，波形尖锐；图4（b）为内壁腐蚀坑缺陷检测波形图，其反射声压低，动态变化反应迟缓，两种缺陷具有不同的波形形貌，但通过周向导波检测均能明显检出，且检测灵敏度较高，保证了小直径管缺陷的检出率。

图4 导波检测结果

4.2 检测距离对检测灵敏度的影响

图5为同一缺陷不同位置的周向导波检测结果。由图5可知，增大探头至缺陷间的距离，缺陷反射波幅明显降低。从波形上看，导波回波宽度有所增大，这主要是因为导波的频散现象所致，即在管道中传播的超声导波其相速度和群速度随频率的变化而变化，降低了检测分辨率[10-11]，而导波相速度不仅取决于探头频率，还与管材的特性有关，即使材质相同，其频散曲线也会因壁厚、直径等参数不同有所变化，所以在实际应用中，应尽量避免导波的频散现象，并辅以信号处理和模式识别等工具来解决工程中的探伤问题。

图5 同一缺陷不同位置的周向导波检测结果

5 结 论

（1）利用对比试块对定制的国产导波探头检测距离进行了测定，其对1 mm深的模拟缺陷检测距离能达到130 mm左右。

（2）通过对晶粒噪声有效控制以及检测灵敏度的有效调节，能够实现薄壁小直径管缺陷的有效检出，且应用效果较好。

（3）增大探头至缺陷间的距离，缺陷反射波幅明显降低，且回波宽度有所增大，在实际工程检测中，应尽量避免导波频散带来的检测分辨率降低的现象。

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[4]马庆增,张春雷,张新祥.超声导波检测技术在小直径管检测中的应用[J].广东电力,2012,25（9）:76-78.

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Research on Circumferential Ultrasonic Guided Wave Testing of Small Diameter Thin-walled Seamless Tube

ZHAO Yuan
（Tianjin Chengxinda Metal-Testing Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China）

In order to conduct systematic research on circumferential ultrasonic guided wave testing of small diameter thin-walled seamless tube,with ultrasonic guided wave technology as the research object,the ultrasonic guided wave technology can realize the effective detection of small tube defects through the effective control of grain noise and effective regulation of detection sensitivity,and the application effect was good.Meanwhile,the customized domestic guided wave probe detection distance was measured by using a reference blocks,its detection distance of 1 mm deep defect can reach about 130 mm;increasing the distance between the probe and defects,the defect reflection amplitude was significantly reduced,and the echo width increased.In the practical engineering detection,it should try to avoid detection resolution reduction caused by the phenomenon of guided wave dispersion.

testing;ultrasonic guided wave;small diameter tube;circumference;sensitivity;reflected wave;resolution

TH878

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.013

赵 远（1988—），男，硕士，主要从事无损检测新技术及金属材料组织性能控制研究。

2016-07-04

汪翰云