超声导波技术简介

无损检测新技术-超声导波检测技术简介

夏纪真

无损检测资讯网

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摘要：本文简单介绍了超声导波检测技术的应用范围、基本原理及局限性。

关键词：无损检测超声检测超声导波

1 综述

超声导波（Ultrasonic Guided Wave）检测技术（又称长距离超声遥探法）主要用于在线管道检测，包括低碳钢、碳锰钢、奥氏体不锈钢、二重不锈钢等材料的无缝管、纵焊管、螺旋焊管。可应用于油、气管网（如天然气管道、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）及石油化工厂的管网（如无保温层的输送CO与H合成烃类的淤浆管道、石油化工厂的交叉管路），码头管线、管区的连接管网，海上石油管网/导管（如海洋平台竖管、球管柱腿），水下管道、电厂管网，结构管系，穿路/过堤管道（例如埋地水管、储槽坝壁的管道、道路交叉口地下管道），复杂或抬高管网（例如高架管道、垂直或水平或弯曲管道），保温层下管道（例如带有保温层的氨水管道）、带有套管的管道，以及带有保护层（例如涂层、聚氨基甲酸酯泡沫保温层、岩棉保温层、环氧树脂涂层、沥青环氧树脂涂层、PVC涂层、油漆、沥青卷绕等）的管道。超声导波检测技术能检出管道中的内外部腐蚀或冲蚀、环向裂纹、焊缝错边、焊接缺陷、疲劳裂纹等缺陷。最新的利用磁致伸缩换能器的超声导波检测已能应用于非铁磁性材料和非金属材料，除了管道检测，还能用于棒材、钢索、电缆以及板盘件的检测。

超声导波检测的优点是能传播长距离而衰减很小，在一个位置固定脉冲回波阵列就可一次性对管壁进行长距离大范围的100%快速检测（100%覆盖管道壁厚），检测过程简单，不需要耦合剂，工作温度可达-40℃~938℃范围，只需要剥离一小块防腐层以放置探头环即可进行检测，特别是对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测更具有独特的优势。

2 超声导波检测的基本原理

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。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）。如图1所示。

图1超声导波应用的主要波型

扭曲波的特点是质点沿管子周向振动，波动沿管子轴向传播，声能受管道内部液体填充物影响较小（在作超声导波检测时，允许液体在管道中流动），对纵向较深的裂缝和横截面积损失灵敏度高，可以在较宽频率范围内使用，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。

纵波特点是质点沿管子轴向振动，波动沿管子轴向传播，回波幅度与缺陷形状关系不大，仅能在较窄的频率范围内使用，回波信号不如扭曲波清晰，受被测管内液体介质流动的影响很大，也受探头接触面的表面状态（油漆、凹凸等）影响较大，对管道上横截面积损失的灵敏度很高。

两种模式的检测波形各有特点，在实际应用中可以互为补充。

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，当遇到管子内外壁腐蚀或缺陷引起的金属缺损时，由于管道横截面（厚度）发生了改变，

在缺损处会有反射波返回，通过仪器分析由同一探头阵列检出的反射信号即可探知管道的内外部缺陷位置、大小和腐蚀状况。超声导波检测仪器能够自动识别超声导波的模式（纵波和扭转波），能够区分管道的腐蚀情况和管道的特征（支撑、弯头、三通、法兰、焊缝轮廓等）。

图2示出管道腐蚀的常规超声波检测与长距离超声导波检测的方法原理示意图。常规超声波检测是在经过表面清理的管道外表面逐点扫查或抽检进行超声测厚，而超声导波检测是以探头环位置发射低频导波沿管线向远处传播，甚至在保温层下面传播，一次就能在一定范围内100%覆盖长距离的管壁进行检测，反射回波经探头被仪器接收，并由此评价管道的腐蚀状况，架设在一个探测位置的探头阵列可向两侧长距离发射导波和接收回波信号，从而可对探头套环两侧的长距离管壁作100%检测，从而达到更长的检测距离，目前已经能够应用于直径1.5~80英寸、壁厚达1.5英寸的管道现场检测，理想状态下可以沿管壁单方向传播最长达200米。

图2常规超声波检测与长距离超声导波检测

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（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换能器阵列组成（超声导波的激发方式包括压电换能器、电磁-超声换能器和磁致伸缩换能器），组成阵列的换能器数量取决于管径大小和使用的波型，换能器阵列绕管子周向布置。探头套环的结构可以是一分为二，用螺丝固定以便于装拆（多用于直径较小的管道），或者是柔性探头套环（充气式探头套环），采用内置气泵靠空气压力保证探头与管体充分接触（多用于直径较大的管道），也有的磁致伸缩换能器采用环氧树脂胶粘接（适用于管道外表面状态较差的情况，且检测灵敏度高于前面的机械干耦合方式）。接触探头套环的管子表面需要进行清理但无需耦合剂，除安放探头套环的位置外，无需在清除和复原大面积包覆层或涂层上花费功夫，不开挖、不拆保温层，从而大大减少了为接近管道所需要的各项费用，降低了检测成本，这也是超声导波检测的优点之一。因此可应用于常规超声检测难以接近的区域，如有管夹、支座、套环的管段，套管、穿公路、过河等埋地管线、水下管线，以及交叉路面下或桥梁下的管道等。

图3英国TWI集团现场安装柔性探头套环的情景。

超声导波探头套环在管道上的安装如图3所示。

超声导波通常使用的激励频率范围为5~100KHz，因此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，所得到的回波信号基本上是脉冲回波型，其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，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，缺陷的检出和定位借助计算机软件程序显示和记录，减少人工操作判断的依赖性，能提供重复性高、可靠的检测结果。目前的超声导波检测技术已能达到的检测精度为管子横截面积的0.7~1%，可靠精度能达到管子