基于激光超声的厚壁管内壁爬波传播的可视化

2019-09-23超1彭笑永

无损检测 2019年9期

詹超1,彭笑永,李阳

(1.广东省特种设备检测研究院珠海检测院，珠海 519002；2.郑州大学机械工程学院，郑州 450001)

通常把壁厚和管径之比大于0.05的钢管称为厚壁管，厚壁管常见于锅炉给水管道、主蒸汽管道、再热器冷段和热段管道中，在化工厂和电厂中占较大的比例。如：珠海宝塔石化有限公司、华峰石化有限公司等化工厂都存在很多厚壁管道。随着运行时间的增加，厚壁管的内壁上会逐渐出现腐蚀坑、裂纹、点蚀等缺陷。而承压管的内壁应力比外壁应力大得多，故内壁缺陷更具有危害性。一旦厚壁管出现破裂或失效，将会造成重大的安全事故。而现有厚壁管内壁缺陷的常规检测方法主要是小角度纵波法、变形横波内切法及端角反射法，但存在灵敏度低和易漏检等问题，并且厚壁管道的常规超声检测方法需要逐点扫查被检工件，因此工作量巨大，效率低下，成本高[1]，甚至有些部位由于探头无法接触到而无法检测，所以利用传统超声方法很难实现全面、快速、可靠的检测。因此，厚壁管内壁缺陷仍是常规超声检测的难点之一。

爬波是纵波以第一临界角入射到第二介质中时，产生的一种非均匀波。这种波类似瑞利波，其能量主要集中在表面下的某个范围内，对工件表面粗糙度不敏感。1981年，应崇福等[2]通过光弹法观察了玻璃内的圆柱形空腔上弹性波的爬波现象，发现纵波入射至固体中的传播情况和流体中的情况一样，其衰减较大；而横波入射至固体中的情况比较复杂，其衰减相对较小。HASSAN等[3]通过数值方法求解了爬波在圆柱空腔中的频散曲线，发现沿周向传播的爬波随着传播距离的增加，其向周围散射体波，进而导致爬波能量的泄漏，影响传播距离。WU等[4]理论计算了圆柱体上瑞利波的频散曲线，并通过激光超声试验验证了理论结果。王小民等[5]通过理论分析和光弹试验研究了圆柱空腔上爬波的传播规律，通过斜入射脉冲回波试验装置建立了爬波反射回波的幅度与裂纹长度的关系。

爬波在传播过程中存在较为复杂的特性，主要有两个方面：一是爬波会不断地向周围传播其他模态的波，导致能量衰减较快；另一方面是由于爬波存在一定的频散特性，随着传播距离的增加，波包能量发散较大[5]。因此，这些复杂的因素导致了爬波受限于工程应用。为了更好地了解爬波在厚壁管内壁上的形成机理和传播特性，笔者通过激光超声可视化技术，研究了直探头在厚壁管外侧激励的纵波在内壁上形成爬波的过程，以期为爬波无损检测厚壁管内壁缺陷的工程应用提供参考。

1 试样及激光超声试验装置

激光超声检测系统示意如图1所示。Nd…YAG激光器的波长为1 064 nm，单脉冲激光能量最大可达到2 mJ，单脉冲时间宽度为1.6 ns，脉冲激光的重复频率最高可达2 000 Hz。脉冲激光器前置电动聚焦小镜，可自动控制聚焦距离，并且可聚焦激光光斑直径小于1 mm。由于单脉冲激光能量小于2 mJ，根据激光超声理论，其超声产生机制为热弹效应[6-7]。通过探头接收超声信号，电信号通过前置放大器和带通滤波器后，被数据采集卡(NI PXIe-5160,带宽为1 000 MHz，采样率为2.5 GS/s)采集，并保存至计算机中。

图1 激光超声检测系统示意

图2 厚壁管激光超声检测示意

所用的厚壁管试样是外径为108 mm，内径为50 mm的不锈钢管，直探头采用OLYMPUS公司的2.5 MHz探头，通过耦合剂贴附于厚壁管外侧(见图2)。设定的激光扫查区域如虚线框所示。然后通过偏转小镜控制激光束的扫查位置，实现激光的S型扫查。通过超声传播的互异性，可得到直探头在厚壁管上的声场分布情况[6]。

2 试验结果及讨论

在直探头下方15 mm处激励一个脉冲激光后，直探头接收到的A扫信号如图3所示。

图3 直探头下方激励后接收到的A扫信号

从图3可以看出，A扫信号较为复杂，通过脉冲到达时间t=2.6 μs和传播距离l=15 mm，可以得到第一个波包的传播速度v=5 759 m·s-1，该速度与纵波速度的理论值相近，因此该波为纵波。对所有扫查数据进行超声C扫成像，就可以得到扫查区域上每个时刻的超声波的传播图像，进而得到超声波在管壁上传播的动态图像[6]。

为了能够得到直探头入射声场的能量分布，将每个点上的A扫数据的最大幅值依次画出，得到扫查区域的最大振幅图(见图4)。

从图4可以看出，直探头的声束扩散角小于10°，能量分布较为集中，探头声束无法完全覆盖厚壁管的内壁。部分管内壁虽然不在探头的声束范围内，其上的能量分布却比周围管壁上的强，说明直探头激励出的超声波通过某种传播机制，到达了管内壁的盲区。为了能够清晰地看出超声波的传播过程，可以从超声波的动态图像上得到超声波的传播过程，选取第5，8，10，12 μs时刻的图像(见图5)。

图5 超声波在厚壁管中的传播过程

从图5可以看出，直探头不仅激励出了能量较强、传播速度较快的纵波L，同时还激励出了能量较弱、传播速度较慢的横波S。由此可以看出，直探头激励出的声场包含了较弱能量的横波，与已有研究结果相同[7]。在第8 μs时，超声纵波L在管内壁上发生反射形成反射纵波LL，同时由于模态转换形成横波LS和爬波C。横波LS由于速度较慢，其波前逐渐和反射纵波LL的波前分离开。张家骏[1]在利用超声纵波检测内壁裂纹时，同样发现纵波在内壁上产生了变形横波的现象，而形成的爬波C以和纵波相近的速度沿管内壁传播，爬波在内壁的振动位移相对较大，有集中现象，因此可利用这种爬波集中现象检测内壁缺陷。另外，从已有研究[5]得知：纵波形成的爬波衰减较大。在第10 μs时，由于直探头声束无法完全覆盖管内壁，所以这时的管内壁上不再存在反射纵波和横波，而爬波仍然沿管内壁继续传播。虽然爬波能量有一定的衰减，但是仍然能够清晰地看到爬波的传播过程。当到达第12 μs时，直探头激励出的横波在管内壁发生反射，形成反射横波SS，同时发生模态转换形成能量较弱的纵波SL。通过最大振幅图，可以得到不同时刻爬波在内壁上的最大幅值(见表1)。从得到的结果可以看出：随着传播距离的增加，爬波的幅值有较大程度的衰减。