金属管道超声波无损检测方法的研究

邹智慧

（长春工业大学人文信息学院，吉林 长春 130122）

金属管道作为工业生产过程中必不可缺少的设备之一，如何保证生产过程的安全性，就需要定期对金属管道进行检测，而传统的检测方法，基本上都是需要在生产停产的情况下进行检测。这种检测方法虽然准确，但检测速度慢，检测过程相对复杂。基于超声波无损检测方法的研究，可以在生产过程中不需要停产的前提下完成对设备的无损检测，通过检测设备，可以准确快速地发展金属管道中损伤及测定材料性能劣化程度。

1 金属管道无损检测技术的介绍

金属管道无损检测技术的研究，当前我国科学技术的快速发展而不断进步，其检测技术由以前的单一的检测技术与方法，变成多样的检测方法与技术，其检测过程也由单一的缺陷检测向精确定量发展[1]。目前常用的无损检测方法有以下几种：

1.1 磁粉检测技术

此技术是利用强磁性材料磁化后，磁化后所形成的磁力线遇到裂纹等缺陷时，会绕过缺陷而产生磁漏的现象，通过这种原理来检测金属材料的缺陷。这种检测方法具有较强的通用性，可以方便准确地检测出金属表面出现的问题，但在检测过程中具有一定的局限性，其检测深度只局限于金属表面[2]。

1.2 涡流检测技术

这种检测技术是用电磁线圈使被测材料内部由于电磁感应形成涡流，通过电磁感应原理来判断金属管道材料的缺陷。这种检测方法简单、成本低、具有较方广泛的应用。

1.3 超声检测技术

这种检测技术是利用超声波本身固有的特性，声波射入被检物体，声波遇到缺陷反射回来的声讯号参数不一样，因为不同材质的金属物质对声波的反射特性不同，这样就可以通过这种方式，较方便地判断出金属管道内部的缺陷。

2 超声波无损检测技术方案的设计

2.1 超声波无损检测工作原理

超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术，主要涉及到超声波的产生、传播与接收技术。当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除有纵波的反射、折射外，还会有横波的反射和折射。各种波形都符合波的反射定律和折射定律。

超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。其传播速度为

式中，K—介质的体积弹性模量，它是体积(绝热的)压缩性的倒数；ρ—介质的密度。

气体中的声速约为344m/s，液体中的声速为900—1900m/s。

超声波在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为

式中，E—固体介质的杨氏模量；—固体介质的泊松比；G—固体介质的剪切弹性模量；—介质密度。对于固体介质，介于0.2～0.5之间，因此一般认为c横≈c纵/2。

在一般探测频率上，材料的衰减系数在l到几百之间。若衰减系数为1dB/mm，声波穿透1mm时，则衰减1dB，即衰减10%；声波穿透20mm，则衰减20dB，即衰减90%。

2.2 超声波检测电路的设计

本检测系统的设计是采用微控制器作为控制核心，通过超声波传感器实现对金属管道进行检测，超声波传感器采用发射与接收分离的传感器结构，这种结构可以有效地提高扰动的干扰，具有较好的检测性能。超声波接收部分电路采用电阻与集成电路74LS06构成，这种接收电路具有结构简单，工作稳定。

2.3 系统检测方案的设计

系统检测整体方案的设计是采用微处理器作为系统的整体控制核心，微处理器采用STM32F103系列；稳压电路采用ASM1117集成稳压电路，具有较低的功耗；传感器采用超声波传感器，其结构采用发射与接收分离两种结构，这部分检测电路与转换电路采用如上面设计所论述。

3 超声波无损检测结果的分析

根据前面设计的检测系统，利用超声波实现对金属管道进行无损检测。在实验室中对金属管道进行相应的处理，实现在内壁上出现一条1mm的裂纹。利用本文中所设计的检测系统，在一定的实验环境下，对管道进行检测，测试出三维视图如图1所示。

通过图1所示的检测结果中，三维可视化测量结果视图，可以清晰的看到其检测结果与真实情况完全一样。利用超声波进行检测，其测量精度可以检测出1mm的管道裂纹。

图1 金属管道模检测三维可视化测量结果

4 总结

基于超声波传感器的金属管道无损检测方法的研究，在文中首先探讨了目前常用的几种无损检测方法，分别详细地分析了每种无损检测方法的优点与缺点，通过这几种检测方法的对比可知，利用超声波进行检测，是一种比较实用、整体成本较低、检测方便和稳定的检测方法。通过对实物检测结果的分析与实际裂纹进行对比，突出本文所设计的无损检测技术是一种具有较高分辨力。