超声导波检测电力标准讲解

超声导波探头基本结构
f
d
e
b
α 半锥角
c
a
背衬材料 激励源 声楔块 保护外壳 引线接口
内置式导波探头剖面
超声导波探头半锥角计算（制作时需要）
θ α
探头半锥角计算示意图

根据三角关系α=45-θ/2 ；得出α角，制作对应探头，允 许0.1°正负偏差。
五、根据频率和入射角制做或选择探头

制作探头略。 选择探头（标准4.3.1、4.3.2）

相速度
超声导波主要特征参量

群速度是指脉冲的包络上具有某种特性（如幅值
最大）的点的传播速度，是波群的能量传播速度，
是波包的传播速度。


相速度是指波中相位的传播速度。
频散是指波速随频率而变化的现象。
受到波导几何尺寸的影响，在波导中传播的超声波的速度依赖 于导波频率，从而产生超声波的几何弥散，即导波的相速度随 频率的不同而改变，称之为频散现象。
超声导波的特性
1）通常的超声波检测中，超声波在无限介质体内传播（波长远
远小于工件厚度），远离边界，称之为体波。导波通常以反射和 折射的形式与边界发生相互作用经介质边界制导传播，传播中纵
波与横波相互间进行模态转换。
在数学上虽然体波与导波受同一组偏微分波动方程控制，体波方程解无需满足 边界条件，导波方程的解在满足控制方程的同时必须满足实际的边界条件。

四、根据频散曲线确定相速度，根据斯涅 儿定律确定探头入射角

根据选择好的模态和频厚积（频率）对应的相 对固定的相速度（常数），用最常用的方法使 用snell定理计算θ角度。
θ=sin-1(Cw/Cp)
式中：θ为入射角； Cw为楔形材料的纵波波速； Cp为导波在介质中的相速度；

由snell定理，计算出的θ角范围。
导波的声脉冲是一组不同频率正弦波的集合，因此 确定其相速度是困难的，一般采用群速度来描述脉 冲传播速度。群速度一般指质点合成振动最大振幅 的传播速度。
fd为频率－厚度积，f为导波的频率，d为所测 试试件的厚度（管壁壁厚）
DL/T1452-2015
《火力发电厂管道超声导波源自文库测》
通过检测步骤来详细讲解标准内容 与实际检测应用要求

检测灵敏度
扫查灵敏度由判废线增益12dB进行检测。
标准6.2、标准7内容

扫查方式
探头在管道上沿轴向移动，可不做周向移动。探头移动到 达指定位置后，将探头翻转180°向回移动到起始位置，即 完成扫查，如标准中图6所示。
DL/T1452-2015
《火力发电厂管道超声导波检测》 标准讲解
山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司 蒲英俊 2017.01
标准适用范围

本标准规定了手动接触方式进行管道周向压电
超声导波检测的一般要求、检测方法等。

本标准适用于外径为25mm~1020mm，壁厚为
3mm~80mm的钢制管道母材及内外表面缺陷的
导波检测步骤

第一步：根据被检测钢材品种计算出（查找出）该钢材的频散 曲线；

第二步：根据频散曲线选择合适模态； 第三步：根据所选模态确定频厚积，再根据频厚积和管道的厚 度选择探伤频率；

第四步：根据频散曲线确定相速度，根据斯涅儿定律确定探头 入射角；

第五步：根据频率和入射角制做或选择探头； 第六步：制做对比试块，确定探伤灵敏度； 第七步：现场检测，记录，报告。
2）在波的传播过程中体波的模态有限，主要有纵波，横波，表 面波等。导波通常在一个有限体中可以存在多种不同的导波模态。 3）导波大多具有频散现象即导波相速度是导波频率的函数，随 导波频率变化而变化。 4）与常规超声波不同，导波在传播过程中随距离增加强度衰减 很小。
超声导波主要特征参量

频散 群速度
对于外径大于500mm的管道，检测时可不修磨探头接触面。

六、制做对比试块（标准4.4内容）

材料（标准4.4.1）
对比试块应使用与被检管道具有相同规格并具有相近表面状况和 声学性能的管道。对比试块用管道上不应有影响检测的自然缺陷。

人工缺陷形状（标准4.4.2）
检验轴向缺陷所用的人工缺陷应为平行于管轴的纵向槽口，其断 面形状为矩形或V形，如标准图2、3所示。

探头晶片尺寸的选择
对于外径小于等于89mm的管道，应选择8×12mm的晶片；对 于外径大于89mm的管道，应选择20×20mm的晶片。

探头声速轴线水平偏离角应不大于2°。

相同型号的探头灵敏度误差应不大于±2dB。
探头的修磨要求（标准中4.3.8内容）

检测时应对探头接触面进行修磨。
探头接触面的曲率半径和被检测管道曲率半径的差值与检测 管道曲率半径之比应小于10%。探头接触面修磨后，探头入 射点和折射角的变化应保证导波模态不发生变化。
上讲表面波、SH波、兰姆波都被称为导波。
圆管中的超声导波模态

圆管中的导波分为三种模态：


纵向模态（L模态）
弯曲模态（F模态）
扭曲模态（T模态）
L(n,m)、F(n,m)和T(n,m)表示，其中n和m分别代表周 向和径向模态参数，且均为整数。L模态和T模态是轴对
称模态，F模态是非轴对称模态。
人员、检测仪器要求

人员要求（标准4.1内容）
检测人员应按DL/T675的要求取得超声导波检测专项资格证书，方可从事 相应的超声导波检测工作。

检测仪器要求（标准4.2内容）
检测仪器应具有信号激励、数据采集、信号波形显示、分析与存储的功能， 且至少满足以下要求： 1）信号显示：具有时基和距离显示两种方式，且可实现波形局部放大。 2）信号激励：激励信号的频率、幅值、周期数、重复频率可调。超声导 波的激励和传播参见附录A。 3）数据采集：数据采集频率不低于激励信号最高频率的10倍，应与信号 激励具有同步功能。 4）信号存储：检测信号应能实时存储，以备后续处理和分析，且应具有 绘制和存储距离-波幅曲线的功能。 5）信号分析：能够分析缺陷的位置和截面损失率当量，缺陷位置的最小 分辨率应达到10mm，截面损失率的最小分辨率应达到5%。
检测。
标准中导波检测相关的概念 知识
导波－基本概念

超声导波：受部件边界条件约束的、能够较 长距离传播的某些特定频率范围的超声波。
相关介绍

体波：在无限体积均匀介质中传播的波称为体波， 体波有两种：一种是纵波（或称疏密波、无旋波、 拉压波、P波），一种叫横波（或称剪切波、S
波），它们以各自的速度传播而无波形耦合。
检测频率一般为0.3MHz~1MHz。原则上优先选择1MHz的探头，对 于外径大于273mm、壁厚大于30mm，且内、外壁腐蚀较严重的管 道宜选择较低频率的探头。对于奥氏体材料管道宜选择较低频率的 探头。
标准中4.3.4、4.3.5、4.3.6、4.3.7内容

探头角度的选择
探头的入射角应根据模态、探头频率、被检管道壁厚等因素选择， 所激励的超声导波应是单一模态。
当采用电蚀法加工时，允许槽口底面和底面角部略呈圆形。V形槽 的夹角应为60°。
确定探伤灵敏度
人工缺陷尺寸见表。
标准中4.4.3、4.4.4、4.5内容

人工缺陷位置
在试块两端的内外表面各加工一个V形槽或矩形槽，如标准图4 所示。

检测设备的维护和校验
应对检测设备进行周期性维护和检查，以保证检测设备功能正常。 检测前，选择相应规格的对比试块对检测仪器进行校准，若检测 结果与已知试件缺陷分布相符，则表明仪器正常。检测过程中， 如对检测结果怀疑，应重新对检测设备进行校准，并对每次校准 结果进行记录。
三、根据所选模态确定频厚积（检测频率）

模态选择：选择频散性最小，群速度随频率的变化很小， 信号的包络和幅度在较长距离上保持相对不变。因为该 导波模式是速度最快的模式，任何其它模式均落后于此 模式到达接收换能器， 所以易于在时域上区分该模式， 对普通碳钢的频散曲线分析得出此结论。因此，选择 L(0,2)导波模态。 选择探伤频率1MHZ左右时，L（0，2）模态优点： 1）在此频率附近范围内该模态几乎是非频散的，因而 信号形状在传播过程中可保存下来。 2）由于该模态导波传播速度最快，所以任何不希望出 现的模态信号都在其后到达，易于在时域内分离出感兴 趣的信号。 3）主传播方向位移分量对于探测开口裂纹的灵敏度起 决定作用，该模态在内外表面的主传播方向位移相对较 大，因而对任何垂直于主传播方向位置的内外表面缺陷 具有相同的灵敏度，非常适合探测内外表面的缺陷。 4）该模态内外表面的其他位移分量相对较小，这样使 得波在传播过程中能量泄漏较少、传播距离相对较大。

板内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产生来
回的反射而沿平行板面的方向行进，即平行的边界
制导超声波在板内传播，这样的一个系统称为平板 超声波导。在此板状波导中传播的超声波即所谓的 板波（也叫Lamb波）。
板中的导波示意图

板波在波导中传播时，纵波和横波不能独立存在，此时会产生一种 与介质断面尺寸有关的特殊波动，称为导波（guided wave）。 在板中传输的导波又称为板波，板波中主要型为Lamb波。
探头接触面应无液体或污垢等固体残留物以及可能影响检 测的其他障碍物，可以保留5mm厚度以下的涂层、防腐层 或者保温层。
标准6.3、6.4、6.5内容

检测仪器系统的调试
根据管道规格对应的频散曲线，选取频散较小或非频散区域对应的 频率作为激励频率。

距离-波幅曲线的绘制（如标准中图7所示）
应根据被检部件的材料和规格，选用符合标准4.4规定的对比试块绘 制曲线。曲线由评定线和判废线组成，判废线由人工缺陷反射波幅 直接绘制而成，评定线为判废线高度的一半。评定线及其以下区域 为Ⅰ区，评定线与判定线之间为Ⅱ区，判废线及其以上区域为Ⅲ区。
位于层中的超声波要经受多次来回反射，这些往返的波将会产生复 杂的波形转换，并且波与波之间会发生复杂的干涉。

图1 板中的导波示意图
知识延伸

导波在板中传播有两种基本形式，一种是介质 质点振动方向与板面平行的水平偏振的横波
(SH) ,另一种是既有振动方向与板面垂直的横
波，又有振动方向与板面平行的兰姆波。因此 可知，导波在介质传播过程中介质质点的最基 本的振动形式有与波的传播方向相同的纵向振 动，也有与波传播方向垂直的横向振动。理论
一、计算出或者查找出该钢材的频散曲线
根据被检测钢材品种计算出（查找出）该钢材的频散曲线

计算方法，查阅《固体中的超声波》 ，作者罗斯；
查找频散曲线图。
铝的频散曲线
二、根据频散曲线选择合适模态
选取原则： 抑制频散现象 减少模态数量
频散、模态满 足要求的前提 下：选择群速 度较高的模态。 举例： 如L（0，2） 模 态 频 率 1MHZ 左 右 相 速度稳定频散 小，群速度高， 灵敏度高，可 以把其他模态 杂波甩在后面。
谐振示意图
发射 模式1 模式2
时间轴
图2 多模态导波接收波形
a
b
t2 t1
时间轴
图3 群速度与相速度的关系
超声导波主要特征参量

图中的1模态导波较2模态导波靠前，则可以认为1 模态导波的群速度比2模态导波的群速度大。导波
的群速度大并不代表其相速度大，反之导波的相速
度大也不意味着其群速度大。


检测方案或工艺卡
对于每个检测工程或每套被检设备，应按照通用检测工艺规程制 定超声导波检测方案或检测工艺卡。
七、现场检测

检测前的准备（标准6.1内容）
1）资料查阅，包括被检部件的制造文件、运行记录、历次 检验检测资料、其他修改造文件等。
2）表面处理： 先将管道外表面耦合区1.5倍区域的油漆、氧化皮去除。

耦合剂
可采用机油、变压器油等作耦合剂。
检测工艺（标准5内容）

通用检测工艺
通用检测工艺规程，其内容应至少包括如下要素： 1）适用范围；2）引用标准、法规；3）检测人员资格；4）检测 设备：耦合剂、探头、探头夹具、信号线、前置放大器、电缆线、 仪器主机、检测数据采集和分析软件等；5）被检部件信息：规格、 材质、设计与运行参数；6）检测覆盖范围；7）被检部件表面状 态；8）检测时机；9）灵敏度测量、距离-波幅曲线绘制；10）检 测过程和数据分析解释；11）检测结果的评定；12）检测记录、 报告和资料存档；13）编制、审核和批准人员；14）编制日期。
根据管道的材料和规格选择探头，主要包括检测频率选择、探头入 射角选择以及超声导波选用模态。（探头性能测试方法参见标准附 录B） 选用原则： 1）管道切割端面的反射信号上升沿和下降沿应陡峭、频散小、无杂 波； 2）对比试块切槽反射波信号较高，且反射波高度满足灵敏度要求。

探头频率的选择（标准4.3.3）