利用超声导波实现工业管道对接焊缝的远距离扫描

杨虎诚

（鄂尔多斯特种设备检验所，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

覆盖层下的钢结构是特种设备中极为普遍的结构。这些覆盖材料有很多类型，如保温层、混凝土或是防腐蚀层等，这些覆盖层起到了保护层下钢结构的功能，使钢结构免于腐蚀或起到加固作用。但覆盖层的存在使对层下钢结构的定期检验的难度大大提高。主要问题来源于覆盖层使检测探头难以直接接触钢结构的表面来实现有效检测。因此覆盖层下钢结构及钢管的检测一直是特种设备检测行业的一个难题。

近年来随着超声导波技术的发展，利用导波技术实现不可接触区域的远距离扫描已逐步推广，如保温层下的钢管、埋地管道等等。这种检测以低频阵列式导波为主。但这种检测方法的缺点一是低频导波的分辨率有限，仅能对大面积的腐蚀区域实现检测，而且很难进行定量分析。另一个就是检测所用的阵列式探头价格昂贵，而且安装拆卸均不方便。

本文提出了新型的导波检测方法。该技术充分利用了导波在钢管中传播时圆周能量分布周期性重复的特点，实现了用单一探头激发导波的远距离自然聚焦。在该聚焦区域实现了管道对接焊缝的检测。

本文首先讨论了导波在钢管中传播时的自然聚焦原理，介绍了超声导波与传统体波传播时的不同特点。分析了利用超声导波自然聚焦特性实现钢管对接焊缝远距离扫描的可行性。然后介绍了我们采用的实验仪器和超声导波探头，以及实验样管与检测参数的设置。最后展示了实验结果与分析，给出了结论。

1 超声导波的自然聚焦原理

超声导波在钢管中传播有多种模式，包括圆周对称模式L（0，N）和非圆周对称模式f（M，N）。当在管道上的激励探头沿圆周方向对称时，如梳状换能器，在管道中激发能量分布圆周对称的导波L（0，N）。圆周对称导波的特性以及在管壁内的声场振动分布与板材中的兰姆波类似。当管道上的激发探头为局部激发源时，管道中产生声场沿圆周方向非对称的导波。产生的非对称导波声场是各种导波模式L（0,N）与f（M，N）的叠加，其中L（0，N）为圆周对称模式，F（M，N）为非圆周对称模式。各模式的能量分布取决于发射源。由于各导波模式的相速度不同，所以各模式之间叠加后的效果会随距离变化而变化。美国宾州州立大学的Li和Rose给出了由发射源推导出产生的导波中各模式的能量分布，以及给出了叠加后随距离变化的声场圆周分布。

超声体波（纵波，横波）在传播时，在超过近场区域后声场会逐步发散。与体波不同，在管道中的超声导波由于能量集中在管道壁厚区域内，能量不会产生越过远场距离的发散。相反，声场分布模态会随传播距离周期性重复。美国宾州州立大学的Li和Rose给出了声场模态重复的距离。如果激发源是电源，经过导波重复距离后，声场又聚集到一起，也就是管道中导波的自然聚焦距离。

本文就是利用管道中导波声场周期性重复以及自然聚焦的特性，实现了远距离焊缝的导波扫描，得到了超声导波检测焊缝时的圆周分布图像。

我们采用了工业管道常用的碳钢无缝钢管作为试验样管。样管的内径和外径分别是300毫米和324毫米，所以样管的壁厚为12毫米，平均半径为156毫米。样管的长度为60米，由5根12米长的样管焊接在一起。样管示意图如图1所示。

图1

激发的导波探头为基于楔型块的纵探头组成导波探头，如图2。楔型块的材料选用亚克力制作，楔形块的角度可以根据所要激发的导波的相速度进行调节。

本实验采用了上海鼎声超声导波检测仪器，其中包括超声导波检测系统GUWIS2000。本检测仪器可以激发频率在50kHz到5MHz之间的窄带脉冲序列（tone burst）。激发脉冲的峰峰值为150伏。检测仪器激发的超声探头为上海鼎声的低频纵波探头LUT200，中心频率200kHz，带宽50%。探头和楔形块组合在一起放在钢管上的实物图如图2。

图2

2 实验结果(图3）

图3