超声波无损探伤技术在钢管检测中的应用

超声波无损探伤技术在钢管检测中的应用

作者：刘明会

来源：《中国科技博览》2013年第11期

[摘要]随着无缝钢管应用的广泛性，对其质量要求也越来越高，通过超声波无损检测技术可有效对无缝钢管缺陷进行检测。本文主要介绍了超声波激发的原理，同时介绍了超声波无损探伤技术具有的准确率高、适用性强、应用方便、易自动化等优点，着重介绍了超声波的特性和在钢管无损探伤中的应用。

[关键词]超声波；无损探伤；无缝钢管

中图分类号：TG115.285 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）11-0174-01

前言

近几年无缝钢管技术的开发，无缝钢管得到了广泛的应用，其质量直接关乎工程质量的好坏，因此对其的质量检测也得到了广泛的关注。对无缝钢管的检查一般从材料的物理性能、化学成分以及几何形态几个方面入手，要求其单纯、连续和均匀。某一方面存在不足即表示钢管有缺陷，会给工程质量安全留下隐患。无缝钢管内部存在缺陷在使用中会造成钢管断裂，会引发严重的事故。通过超声波无损探伤技术可以在不损伤钢管的情况下对其进行全面检测，从而检测无缝钢管的各项工程特征和技术特性。由于其具有低代价、高效率等优点，在无缝钢管及有覆盖物的管件的检测中得到了广泛的应用。

1 超声波的基本原理

可闻声波由物体振动产生，人们可以听见，频率范围在20HZ～20000HZ，低于20HZ的是次声波，高于20000HZ的就是超声波。它的原理是通过扰动源激发超声波，其在弹性介质中传播，由于超声波的传播速度与介质的密度、弹性特质以及环境条件有关，当超声波在有一个以上界面中传播时，超声波会在这些界面上出现多次反复的折射与反射现象；同时超声波在介质中传播时，由于传播距离的增加以及介质吸收能量，使得超声波的强度衰减，利用超声波传感器将机械能与电能转化的信号显示出来，从而实现对所测量物体内部的观察，由于超声波无损探伤具有准确率高、适用性强、应用方便、易自动化等优点，其被广泛应用在医疗、家电、工业检测等领域，本文重点介绍其在钢管无损检测中的应用。

2 超声波的谐振模式和频射特性

2.1 超声波的谐振模式

在不同的结构探头激励下，可以激发出两种不同的导波谐振模式，分别是轴对称和非轴对称模式。将探头以环状形式摆放在管子的外面，便可得到轴对称谐振模式的导波，此种模式激

发较容易；由于在探头外面的管子都保持其平面不变，同时绕着中心旋转，其激发出的轴对称模式保持原样，当把探头放到管子中时，便可在管内激发出轴对称的的纵向谐振模式的导波；同时利用其他方法在管壁内产生间隔相同的导波也可以形成谐振模式，这种模式只能在纵向进行压缩和伸展运动，不能在横向进行移动。当把超声波探头斜向放置在管子里面时就会激发出非对称谐振模式的导波，它的形式通常为双螺旋形式，双螺旋形式的导波从探头处向管子两边散开，到达尽头后聚拢之后再散开，以此方式在管子中传播。

2.2 导波的频射特性

如果把被测物体看成是弹性均匀介质，则各种类型的波就会在里面以恒定的速度传播，只有介质本身材料影响反射波的速度，当超声波以斜向打入同性管中时，由于管子表面的反射作用，使得机械振动在管中传播，由于反射波径向运动和轴向运动合成，从而使超声波在管内传播形成导波。频射的特征之一就是会随相速度的频率不同而变化，由于脉冲是由多个频率不同的谐波组成的，各个整个脉冲的群速度不等于单个谐波的相速度，导波以群速度向

前传播，而相速度则由于各谐波频率不同而有所改变。在实际测量当中，导波速度还受到管材的规格尺寸以及声学性质等因素的影响，使得频散曲线不同，这会给实测应用带来很大不便，通过加强探头设计以及合理选择导波模式，从而解决实际探伤中遇到的问题。

3 超声波无损探伤方法

超声波无损探伤技术是目前应用非常广泛的一种无损探伤检测手段。它既可以用来检测物体表面的缺陷，又可以探测到物体内部几米深的缺陷，而这是其他检测手段所无法达到的深度。超声波无损探伤技术具有灵敏度高、周期短、灵活方便、成本低、效率高，并且对人体不产生不良影响等优点，但同时其也具有不少缺点，例如需要富有工作经验的技术人员操作，要求被测物体表现平整光滑，对被测物体的损伤类型没有明确的显示，需要工作人员根据经验判断。不过它适用于厚度尺寸比较大的物体检测。超声波探伤的方法有很多种，常用的一般使脉冲反射法。由于物体内部有缺陷，会使物体材料内部不连续，当脉冲传播到不连续处时，由于不连续处的声阻抗的不一致，而脉冲会在两个声阻抗不一致的地方发生反射现象，同时超声波反射回来的能量大小和方向与交界面处的取向大小有关。由这一原理就可以设计出脉冲反射式超声波探伤仪。目前所用的脉冲反射式超声波探伤仪大多是A扫描方式，显示器纵坐标显示的是反射波的幅值，而横坐标显示的是超声波在物体传播的距离或是时间。当一个钢管物件中存在缺陷时，会在钢管材料与缺陷之间形成一个介质不同的界面，当超声波传递到交界面时，由于两物质的声阻抗不同，会使超声波发生反射，从而使反射回来的能量被接收器接收到，在显示器上显示出反射波的波形，由于反射波的形状和高度不相同，从而反映了缺陷的不同性质。

4 超声波无损探伤在钢管检测中的应用

4.1 试块设计

现行的技术标准和规范要求在采用无损检测时要有人工参照反射物的标准试件用来检查探测仪的灵敏度。超声波的探伤参照物一般是采用各种不同尺寸和形状的人工刻槽。因此由无缝钢管可能出现的缺陷类型，设计出参考试块，在试块的内外壁上制成缺陷形成人工反射体，这些试块都是从待检测的钢管工件上取得，作为评价缺陷的类型以及用于调节探伤灵敏度。

4.2 检测方法

开始检测时，将钢管外面的放置探头处的油漆和氧化膜去除掉，用来使探头和钢管能够更好的接触。对于无缝钢管，当导波入射到有裂缝等危险缺陷时，反射的波信号会十分强烈，显示的波形十分陡峭尖锐，而当钢管内外壁有腐蚀性缺陷时，它的反射波显示的波形比较缓和，因此对于不同类型的缺陷是很容易区分开来的。

4.3 实测结果

实际检测时选取三十根无缝管材进行测试，利用制成的人工反射参照体调节仪器和探头的灵敏度，测试中根据相关技术规范要求，测试三十根管材时，发现存在缺陷管材时认定为不合格，同时将不合格管材进行解剖以证实缺陷确实存在。超声波无损探伤与其他方法相比具有速度快的优点，每次只需将探头接触一次管材即可完成测试，同时应用方便灵敏，其精度不受管材上覆盖的杂物影响，能够发现一些其他检测方法所发现不了的缺陷，如凹坑大面积腐蚀等。

5 结语

超声波无损探伤技术具有多种优点，能够一次性测量长距离物件，效率高，现场操作简单快速，所用时间短同时代价较低，检测过程不受管材上覆盖的杂物影响，具有很强的实用性，目前已成为无损检测的主要热门手段，由于不能够直观显示缺陷，成像技术的的应用还不是很成熟，造成了一定的局限，因此未来的发展方向应该向信号处理、图像成型等方向发展，使其技术更加成熟。