导波检测

高频导波检测介绍

一、检测原理

导波是超声波的一类特殊应用，主要利用波长与声波角度、工件厚度的特殊关系，由多个不同类型的波组成波群，此波群中包括爬波、纵波、横波等，以及各波形在工件表面反射时相互转换所产生的变型波。

爬波系超声波以纵波临界角入射时所产生的一种波式，或称之为沿着次表面行进的纵波，不受表面污垢或耦合剂的影响。单就爬波而言，无法满足无应力表面之边界条件，换言之，必同时存在其它的波式始能满足边界条件，因此当爬波前进时，会连续泄漏能量转换为横波，此称为头波。

图1 探头在临界角时所产生的爬波和头波示意图，由限定尺寸的探头所产生。

(C)为爬波，(H)为头波，(P)为纵波，(S)为横波

由图1可以看到，导波波群中包括有爬波、头波、纵波、横波等多种型式的波形，由于头波和爬波的伴生关系，二者在工件内部共同存在。由发射探头所送出之声波脉冲引起爬波之生成，爬波遂沿着表面前进，同时沿途泄漏出能量转换成头波；接收端接收到一连串的脉冲信号。

图2 导波信号中所包含的信号

如图2所示，第一个信号系由原始爬波直接到达接收端，紧接着的信号是头波经过一个跨距后续以爬波的形式到达接收端，接下来是头波经过两个跨距后续以爬波的形式到达接收端，依序得到各个信号；对于信号群前面部份出现较密集的现象所提出的解释是，因探头除了产生爬波之外，亦含有其它的波型式，这些波型式复合在爬波的信号之中。

第一次爬波/头波叠加在一起仍一般相当微弱，然而显得大的波大多是直接到达接收探头，在信号的前半部分第一次爬波/头波与第一次少数头波/爬波叠加，信号的峰值比较紧密(图2)。由于头波是非扩散的波阵面，因此头波传播时衰减比较小在信号的

后半部分的显示信号比较高。

因此对于远距离检测时，主要利用头波型式对缺陷进行识别，且由于头波路径具有一定的角度，因此对工件表面裂纹、腐蚀等缺陷都有比较好的检测效果。

导波信号在工件中也会存在衰减，主要受距离、表面形状、材料晶粒度的影响较大，其受距离影响与普通超声波原理类似，由于波束的扩散会损失部分声能量，波群中的各波形之间的转换也会损失部分能量；其次，由于波群中的一些波的信号多次在工件表面反射，工件表面的耦合状况和平整度也会损失部分声能量；第三，材料晶粒也会由于漫反射而损失部分声能量。在不同工件的传播，导波信号的衰减特性也不相同，典型的波幅—距离曲线如图 ：

图3 导波DAC 曲线

导波检测仪器可选择OminScan 和Isonic2007，导波探头由于制造商家的专利技术，具体规格参数不可知，我们根据试验选择编号为S0007的探头进行检测，检测对象为304材质的封头(无介质)，厚度14mm ，封头拼缝已经磨平。图中纵坐标为检测距离，横坐标为探头平行移动位置。

波幅

焊缝

图4 焊缝对导波的衰减

即使余高完全磨平的焊缝，由于晶粒组织的粗大，在导波经过时也会产生明显的衰减，如图4所示，在距离探头1200mm处可以明显看到焊缝的影像，如果焊缝余高的存在，导波能量的衰减会更加明显。

光滑表面

图5 带防腐层的表面与光滑表面导波衰减

导波在板材上下表面多次反射，由于防腐层的存在，导波部分能量进入防腐层被衰减，在图5所示的光滑表面区域(水平650~750mm)，其表面防腐层被清除干净，导波能量在板材表面衰减较少，因而可以传播更远，检测距离更长。

焊缝光滑表面

图6 同时存在一处焊缝和一处光滑表面区域

在图6中同时存在一处焊缝和一处光滑表面区域，由于焊缝位置距离探头较近，因此波幅相对较高，导波经过焊缝后衰减较大(焊缝后面的能量较低)。

二、导波检测的特点

导波检测是目前国际上正在大力发展的一项无损检测技术，其属于超声波检测的一种应用。导波检测技术具有检测速度快、检测结果直观、应用范围广等特点，可在管道、容器、储罐等特种设备行业有着巨大的应用前景。使用高频导波技术时，需使用专用探头，探头发出超声组波，其波宽和基本波长与被测板壁厚有关，组波在被测表面之间发生干扰。导波在传播过程中，充满整个被检工件，如果有凹坑及腐蚀缺陷，将产生相应回波，并传给探头。导波检测其特点包括：

1)高频导波技术在容器任一表面可以得到双面的检测结果，包括板材内部。

2)对于平板状工件的导波检测，一般检测区域为1~2m扇形或长方形区域，工件

厚度一般为薄板至中厚板以下范围，灵敏度最高可以检测1%T的线状缺陷。

3)高频导波对在役容器的检测，可以快速发现板材内表面腐蚀坑、裂纹等缺陷。

4)检测速度快，最高可达0.5m2/s。

5)高频导波技术不但具有常规超声检测技术的高灵敏度，而且导波技术的大面积

快速扫查的特点，但是在导波检测中由于不能区分缺陷的深度信息，也不能区分缺陷位于工件的上表面或是下表面，因此需要通过宏观或表面检测、超声检测等方法进行确定缺陷在壁厚方向的实际位置。

6)导波具有快速、大面积、高灵敏度检测的特点，但一般针对表面平整的板材进

行检测，导波扫查方式根据工件表面条件和被检对象特征，可分为平行扫查和扇形扫查两种，如下图。

图7 导波扫查方式：平行扫查和扇形扫查

图8 试块中1mm 深槽的图像

图8是厚度为36mm 的16MnR 试块，在距探头1米处的一端加工有50mm 长1mm 深的切割槽，如图8所示，缺陷信号信噪比达10dB 以上。

1mm 深缺陷

试块边缘

图9

图9是厚度20mm 的锆材封头，导波检测时所发现的缺陷信号和实际裂纹。

图10

图10是厚度为14mm 的不锈钢试块，规格为1200×200mm ，在其不同位置加工有0.5~2mm 的切割槽，0.5mm 深切割槽的信噪比达8dB 左右，1mm 深切割槽的信噪比达12dB 左右。

四、结论

高频导波技术是目前检测在役板材缺陷比较有效的检测方法，探头可以有效发现距离至少1米远处的线性缺陷和腐蚀坑缺陷，因此在容器不开罐条件下，通过高频导波检测技术可以快速地对板材进行检测，可以有效地发现罐板1mm 以上腐蚀坑或线性缺陷。

0.5mm 深槽 2mm 深槽

1mm 深槽