超声检测发展前景

超声导波长距离检测技术原理、应用及研究现状

摘要：综述近年来超声导波检测技术的原理、研究的进展和现状。概述了基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术的研究进展，重点评述了基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术取得的突破，提出了有待进一步解决的问题。介绍导波在管道裂纹检测、管道腐蚀检测和埋地锚杆检测等方向上的应用现状。

关键词：超声导波；管道检测；无损检测

0 前言

相对于传统的超声波检测技术，超声导波具有传播距离远、检测速度快的特点。因此在大型构件，如在役管道和复合材料的无损检测中具有良好的应用前景。超声导波检测技术利用低频扭曲波或纵波可对管路、管道进行长距离检测，包括对于地下埋管（不开挖状态下）的长距离检测。

超声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。但目前,导波的一些机理和特性仍然不很清楚,导波的理论研究成为近年来无损检测界的热点。随着理论研究的深入,产生了很多有关导波的新技术,促使其用于更广泛的领域。

1 超声导波原理

1.1 导波的波型

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。

1.2工作原理

超声导波检测的工作原理：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）识别开来业。

图1、超声导波在国道中传播示意图

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。

图2、超声导波检测回波示意图

1.3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。

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。

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。

2 基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术

2.1 技术原理

基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术是近年来兴起的一种新技术。其检测原理为：铁磁体在外磁场中被磁化时，外形尺寸发生变化，产生磁致伸缩应变，从而在铁磁体内激发应力波：即弹性导波。导波在传播过程中，铁磁体内各部分均发生变化，相应磁导率发生变化，反过来使波的传播特性也发生变化进而导致铁磁体内磁感应强度发生变化。根据法拉第电磁感应定律：变化的电磁感应强度必定引起接收传感器中的电压变化，通过测量电压信号——导波的反射情况，即可检测出铁磁体构件中是否存在腐蚀、裂纹和破损等缺陷。传感器技术、导波特性研究和导波信号分析及处理是基于磁致伸缩效应的导波检测技术取得突破的关键。

2.2 研究现状

Kaule W于20世纪50年代首次提出了基于磁致伸缩效应的无损检测技术，其研究对象是检测钢索的断股和腐蚀。另外，他们还进行了长距离管道导波检测的可行性研究、各种科学和工程领域中导波的传播、长管检测和机械状态监测研究对无缝钢管的检测取得了较好效果。

国内对于该方法的研究近几年才刚起步，对磁致伸缩传感器在无损检测中应用的理论基础作了详细论述，分别建立了基于磁致伸缩效应在管道中激励和接收纵向导波模型，设计了应用于圆管的激励纵向导波的磁致伸缩传感器，自行开发了大功率智能磁致伸缩检测仪。通过激励不同频率的信号，对不同管径和长度管材进行了大量试验，得