超声导波检测技术的发展与应用

2008大庆石化情报课题超声导波检测技术的发展与应用王学增侯贵富刘华王辉李媛媛李健奇大庆石化工程检测技术公司2008年12月8日超声导波检测技术的发展与应用相对于传统的超声波检测技术，超声导波具有传播距离远、速度快的特点，因此在大型构件（如在役管道）和复合材料板壳的无损检测中有良好的应用前景。

一、超声导波技术的原理1.1超声导波的产生机械振动在弹性介质中的传播称为弹性波（声波）。

将弹性介质定义为波导，在波导中传播的超声波称为超声导波。

超声波的本质是机械振动，在扰动源的激发下产生，并通过介质传播，因而它既携带扰动源的信息，同时又包含介质本身的特征。

导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。

导致超声波弥散的原因有物理弥散和几何弥散。

物理弥散是由于介质的特性而引起的，而几何弥散是由于介质的几何效应引起。

超声导波技术则是利用传播介质几何上某些特征尺寸而导致的几何工件往往有很多声学性质不连续的交界面存在。

当介质中有一个以上的交界面存在时，超声波就会在这些界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉作用，由于受到这些界面几何尺寸的影响，超声波的传播速度将依赖于波的频率，从而导致波的几何弥散。

由于超声波在交界面上的复杂行为，如果工件的交界面复杂无规则，则导波信号很难识别，所以导波技术一般用于特殊的规则的工件（板、管、棒等）检测。

无缝管中的超声导波技术则是利用管子的几何效应，在管子中激发导波。

导波可沿轴向传播数米至数十米，因此利用管壁中沿管子轴向传播的导波可对管子进行长距离快速无损检测。

1.2 导波的频散特性和谐振模式1.2.1导波的频散特性当把被测物件视为无限均匀弹性介质时，各种类型的反射波、透射波以及界面等以恒定的速度传播，传播速度只与传播介质本身材质有关。

而当超声波倾斜入射到各向同性的管子边界上，波源处的机械振动在管子中传播时，由于管子自由表面的反射，波运动变为轴向运动和径向运动的合成，使得超声波被拘束在管状的边界内而形成导波。

频散是导波的特征之一，即超声波的相速度随频率不同而有所变化。

频散特性是导波应用于复合材料无损检测的主要依据。

由于导波脉冲由多个不同频率的谐波成分叠加而成，介质质点振动是各个波作用下振动的合成，质点振动最大振幅的传播速度（群速度）不同于各单个波的传播速度（相速度），导波能量以群速度向前传播，相速度则随频率的不同而有所改变。

导波在介质中的传播特性与介质特性有很大的关系。

目前的研究已不仅仅局限于导波在各向同性弹性介质中的传播特性，还涉及到各项异性和具有黏弹性的材料。

导波相速度不仅取决于探头频率，还与管材的特性（包括材质的声学性质和规格尺寸）有关，即使是同类材料的管子，如果其壁厚和直径不同，其频散曲线也不同。

这给导波技术的实际检测应用带来了很大的不便。

在实验中可通过对探头频率的调节和探头结构的设计，选择适当的导波模式，并辅以信号处理和模式识别等工具，来解决实际工程的探伤问题。

1.2.2导波的谐振模式管中导波的激发有多种方法，在不同结构探头的激励下，管子中可激发出不同谐振模式的导波。

管中常见的导波谐振模式主要有两大类：一类是轴对称模式，另一类是非轴对称模式。

轴对称模式导波激发比较容易，可将探头以环状阵列放置在管子外侧，得到轴对称扭转模式的导波，在此模式下，管子的每个横截面都保持原来的平面不变，并围绕其中心旋转，其轴线未被扰动而保持原状；将探头放于管子中，可从管内激发出管壁中的轴对称纵向模式导波；还可用梳状探头等间隔的振动单元发生周期性的振动，激发出波长与梳状结构间隔相同的导波（兰姆波）；另外，利用其它产生兰姆波的方法也可实现轴对称纵向模式导波的激发。

对于这种模式，管子的各个单元作伸展和收缩运动，但不会出现轴线的横向位移。

而非轴对称模式的导波，可由超声波斜探头置于管子上激发。

所激发的非轴对称模式导波可以理解为双螺旋形式，从探头处开始向管子两侧散开，到管子另一侧聚拢再散开，超声波以此方式沿管子轴向传播。

二、超声导波的应用超声导波（也称为制导波）的产生机理与薄板中的兰姆波激励机理相类似，也是由于在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥散形成的。

但是对于管道检测，在一般管壁厚度下要产生适当的波型，则需要使用比通常超声波探伤低得多的频率，导波通常使用的频率f＜100KHz，因此导波对单个缺陷的检出灵敏度与通常使用频率在MHz级别的超声检测相比是比较低的，但是导波检测的优点是能传播20~30米长距离而衰减很小，因此可在一个位置固定脉冲回波阵列就可做大范围的检测，特别适合于检测在役管道的内外壁腐蚀以及焊缝的危险性缺陷。

低频导波长距离超声检测法用于管道在役状态的快速检测，内外壁腐蚀可一次探测到，也能检出管子断面的平面状缺陷。

在管道的完整性检测中，超声导波检测技术具有传统无损检测方法无法比拟的突出优点。

一方面，由于超声导波沿传播路径衰减小，可沿管道传播几十米远的距离，且回波信号包含管道整体性信息，因此，相对于超声检测、漏磁检测等常规无损检测技术，导波技术实际上是检测了一条线，而非一点。

另一方面，由于超声导波在管的内外表面和中部都有质点的振动，声场远及整个壁厚，因此，整个壁厚都可以被检测到，这就意味着既可以检测管道的内部缺陷也可以检测管道的表面缺陷。

目前已见报道的关于超声导波检测技术应用的实例包括：带有保温层的氨水管道、埋地水管、无保温层的输送CO与H合成烃类的淤浆管道、石油化工厂的交叉管路、储槽坝壁的管道、道路交叉口地下管道、天然气管道、炼油厂火焰加热器中的垂直管路、带岩棉保温介质和漆层的架空液化气管道等。

超声导波应用的主要波型包括-扭曲波（Torsinal Wave，也简称为扭波）和纵波（Longitudinal Wave）。

扭曲波的特点是能够一边沿管子周向振动，一边沿管子轴向传播，声能受管道内部液体影响较小（在导波检测时，液体在管道中流动是允许的），回波信号能包含管轴方向的缺陷信息，通常能得到清晰的回波信号，信号识别较容易，在应用中需要换能器数量少，重量轻、费用省、因管内液体介质而产生的扩散效应较小，波型转换较少，检测距离较长，对轴向缺陷灵敏度高。

纵波特点是一边沿管子轴向振动，一边沿管子轴向传播，回波幅度与缺陷性状关系不大，回波信号不如扭波清晰，因为受管内流体流动的影响，也受探头接触面的表面状态影响较大（油漆、凹凸等）受被测管内液体介质流动的影响很大。

2.1检测装置超声导波检测装置主要由固定在管子上的探伤套环（探头矩阵）、检测装置本体（低频超声探伤仪）和用于控制和数据采样的计算机三部分组成。

超声导波检测装置示意图探头套环由一组并列的等间隔的环能器阵列组成，组成阵列的换能器数量取决于管径大小和使用波型，换能器阵列绕管子周向布置。

探伤套环的结构按管道尺寸采用不同节环-可以是一分为二，用螺丝固定以便于装拆（多用于直径较小的管道），或者充气式环（柔性探头套环），靠空气压力紧套在管子上（多用于直径较大的管道）。

接触探头套环的管子表面需要进行清理但无须耦合剂，亦即除安放探头环的位置外，无需在清除和复原大面积包覆层或涂层上花费功夫，这也是超声导波检测的优点之一。

超声导波探头套环上的探头矩阵架在一个探测位置，就可向套环两侧远距离发射和接收100KHz以下的回波信号，从而可对探头环两侧各20~30米的长距离进行全面检测，可对整个管壁作100%检测，可检测难以接近的区域，如有管夹、支座、套环的管段，也可检测埋藏在地下的暗管，以及交叉路面下或桥梁下的管道等，因而减少因接近管道进行检测所需要的各项费用。

2.2导波探头设计在实际应用中，导波探头的设计取决于以下几个方面：a）管中导波的频散曲线；b）待检验管件的规格（包括外径、壁厚等）与声学特性；c）检测灵敏度；d）管件中缺陷的性质（原始制造缺陷还是服役期间可能产生的缺陷）；e）检测环境（包括温度、表面状态等）。

2.3工作原理探头阵列发出一束超声能量脉冲，此脉冲充斥整个圆周方向和整个管壁厚度，向远处传播，导波传输过程中遇到缺陷时,缺陷在径向截面上有一定的面积,导波会在缺陷处返回一定比例的反射波,因此可由同一探头阵列检出返回信号-反射波来发现和判断缺陷的大小。

管壁厚度中的任何变化，无论内壁或外壁，都会产生反射信号，被探头阵列接收到，因此可以检出管子内外壁由腐蚀或侵蚀引起的金属缺损（缺陷），根据缺陷产生的附加波型转换信号，可以把金属缺损与管子外形特征（如焊缝轮廓等）识别开来。

常规做法是在经过表面清理的管道外表面逐点地进行超声测厚、抽检，而超声导波检测（又称长距离超声遥探法）让声波从一个探头环位置发射，沿管壁内外向远处传播，就能覆盖长距离的管壁，在一定范围内100%检测管壁，从而对安全、经济具有重大价值，目前已经广泛应用于直径50～1200mm的管道现场检测。

导波的检测灵敏度用管道环状截面上的金属缺损面积的百分比评价（测得的量值为管子断面积的百分比），导波设备和计算机结合生成的图像可供专业人员分析和判断超声导波检测得到的回波信号基本上是脉冲回波型，有轴对称和非轴对称信号两种，检测中以法兰、焊缝回波做基准，根据回波幅度、距离、识别是法兰或管壁横截面缺损率的缺陷评价门限等以及轴对称和非轴对称信号幅度之比可以评价管壁减薄程度，能提供有关反射体位置和近似尺寸的信息，确定管道腐蚀的周向和轴向位置，目前超声导波检测灵敏度可达到截面缺损率3%以上，即一般能检出占管壁截面3～9%以上的缺陷区以及内外壁缺陷。

缺陷的检出和定位借助计算机软件程序显示和记录，减少操作判断的依赖性（避免了操作者技能对检测结果的影响），能提供重复性高、可靠的检测结果。

应当注意超声导波检测不提供壁厚的直接量值，但对任何管壁深度和环向宽度范围内的金属缺损都较敏感，在一定程度上能测知缺陷的轴向长度，这是因为沿管壁传播的圆周导波会在每一点与环状截面相互作用，对截面的减小比较灵敏。

2.4超声导波检测的局限性⑴需要通过实验选择最佳频率，需要采用模拟管壁减薄的对比试样管；据目前最新技术资料介绍，采用扫频技术，即在设定频率范围内进行全频扫查，通过比较后确定最合适的实验频率，可以大大提高缺陷的检出率；⑵因为在检测中是以法兰、焊缝回波做基准，因此受焊缝余高（焊缝横截面）不均匀而影响评价的准确程度；⑶多重缺陷会产生叠加效应；⑷对于外壁带有涂防锈油的防腐包覆带或浇有沥青层等的管道，超声导波可检范围将明显缩短，这是因为防腐带（层）能引起导波有较大的衰减；⑸导波通过弯头后使回波信号的检出灵敏度和分辨力受到影响，因为导波在圆周方向声程发生变化或者由于壁厚有变化而发生散射、波型转换和衰减，因此在一次检测距离段不宜有过多弯头；⑹对于有多种形貌特征的管段，例如在较短的区段有多个T字头，就不可能进行可靠的检验；⑺最小可检缺陷、检测范围随管子状态而异，对于有严重腐蚀的管道，检测的长度范围有限；⑻导波检测数据的解释要由训练有素、特别是对复杂几何形状的管道系统有丰富经验的技术人员来进行。