1、2008大慶石化情報課題超聲導波檢測技術的發展與應用王學增 侯貴富 劉 華 王 輝李媛媛 李健奇大慶石化工程檢測技術公司2008年12月8日10超聲導波檢測技術的發展與應用相對于傳統的超聲波檢測技術，超聲導波具有傳播距離遠、速度快的特點，因此在大型構件（如在役管道）和復合材料板殼的無損檢測中有良好的應用前景。一、超聲導波技術的原理1.1超聲導波的產生機械振動在彈性介質中的傳播稱為彈性波（聲波）。將彈性介質定義為波導，在波導中傳播的超聲波稱為超聲導波。超聲波的本質是機械振動，在擾動源的激發下產生，并通過介質傳播，因而它既攜帶擾動源的信息，同時又包含介質本身的特征。導波是由于聲波在介質中的不連續交

2、界面間產生多次往復反射，并進一步產生復雜的干涉和幾何彌散而形成的。導致超聲波彌散的原因有物理彌散和幾何彌散。物理彌散是由于介質的特性而引起的，而幾何彌散是由于介質的幾何效應引起。超聲導波技術則是利用傳播介質幾何上某些特征尺寸而導致的幾何工件往往有很多聲學性質不連續的交界面存在。當介質中有一個以上的交界面存在時，超聲波就會在這些界面間產生多次往復反射，并進一步產生復雜的干涉作用，由于受到這些界面幾何尺寸的影響，超聲波的傳播速度將依賴于波的頻率，從而導致波的幾何彌散。由于超聲波在交界面上的復雜行為，如果工件的交界面復雜無規則，則導波信號很難識別，所以導波技術一般用于特殊的規則的工件（板、管、棒等）

3、檢測。無縫管中的超聲導波技術則是利用管子的幾何效應，在管子中激發導波。導波可沿軸向傳播數米至數十米，因此利用管壁中沿管子軸向傳播的導波可對管子進行長距離快速無損檢測。1.2 導波的頻散特性和諧振模式1.2.1導波的頻散特性當把被測物件視為無限均勻彈性介質時，各種類型的反射波、透射波以及界面等以恒定的速度傳播，傳播速度只與傳播介質本身材質有關。而當超聲波傾斜入射到各向同性的管子邊界上，波源處的機械振動在管子中傳播時，由于管子自由表面的反射，波運動變為軸向運動和徑向運動的合成，使得超聲波被拘束在管狀的邊界內而形成導波。頻散是導波的特征之一，即超聲波的相速度隨頻率不同而有所變化。頻散特性是導波應用于

4、復合材料無損檢測的主要依據。由于導波脈沖由多個不同頻率的諧波成分疊加而成，介質質點振動是各個波作用下振動的合成，質點振動最大振幅的傳播速度（群速度）不同于各單個波的傳播速度（相速度），導波能量以群速度向前傳播，相速度則隨頻率的不同而有所改變。導波在介質中的傳播特性與介質特性有很大的關系。目前的研究已不僅僅局限于導波在各向同性彈性介質中的傳播特性，還涉及到各項異性和具有黏彈性的材料。導波相速度不僅取決于探頭頻率，還與管材的特性（包括材質的聲學性質和規格尺寸）有關，即使是同類材料的管子，如果其壁厚和直徑不同，其頻散曲線也不同。這給導波技術的實際檢測應用帶來了很大的不便。在實驗中可通過對探頭頻率的調

5、節和探頭結構的設計，選擇適當的導波模式，并輔以信號處理和模式識別等工具，來解決實際工程的探傷問題。1.2.2導波的諧振模式管中導波的激發有多種方法，在不同結構探頭的激勵下，管子中可激發出不同諧振模式的導波。管中常見的導波諧振模式主要有兩大類：一類是軸對稱模式，另一類是非軸對稱模式。軸對稱模式導波激發比較容易，可將探頭以環狀陣列放置在管子外側，得到軸對稱扭轉模式的導波，在此模式下，管子的每個橫截面都保持原來的平面不變，并圍繞其中心旋轉，其軸線未被擾動而保持原狀；將探頭放于管子中，可從管內激發出管壁中的軸對稱縱向模式導波；還可用梳狀探頭等間隔的振動單元發生周期性的振動，激發出波長與梳狀結構間隔相同

6、的導波（蘭姆波）；另外，利用其它產生蘭姆波的方法也可實現軸對稱縱向模式導波的激發。對于這種模式，管子的各個單元作伸展和收縮運動，但不會出現軸線的橫向位移。而非軸對稱模式的導波，可由超聲波斜探頭置于管子上激發。所激發的非軸對稱模式導波可以理解為雙螺旋形式，從探頭處開始向管子兩側散開，到管子另一側聚攏再散開，超聲波以此方式沿管子軸向傳播。二、超聲導波的應用超聲導波（也稱為制導波）的產生機理與薄板中的蘭姆波激勵機理相類似，也是由于在空間有限的介質內多次往復反射并進一步產生復雜的疊加干涉以及幾何彌散形成的。但是對于管道檢測，在一般管壁厚度下要產生適當的波型，則需要使用比通常超聲波探傷低得多的頻率，導波

7、通常使用的頻率f100KHz，因此導波對單個缺陷的檢出靈敏度與通常使用頻率在MHz級別的超聲檢測相比是比較低的，但是導波檢測的優點是能傳播2030米長距離而衰減很小，因此可在一個位置固定脈沖回波陣列就可做大范圍的檢測，特別適合于檢測在役管道的內外壁腐蝕以及焊縫的危險性缺陷。低頻導波長距離超聲檢測法用于管道在役狀態的快速檢測，內外壁腐蝕可一次探測到，也能檢出管子斷面的平面狀缺陷。在管道的完整性檢測中，超聲導波檢測技術具有傳統無損檢測方法無法比擬的突出優點。一方面，由于超聲導波沿傳播路徑衰減小，可沿管道傳播幾十米遠的距離，且回波信號包含管道整體性信息，因此，相對于超聲檢測、漏磁檢測等常規無損檢測技

8、術，導波技術實際上是檢測了一條線，而非一點。另一方面，由于超聲導波在管的內外表面和中部都有質點的振動，聲場遠及整個壁厚，因此，整個壁厚都可以被檢測到，這就意味著既可以檢測管道的內部缺陷也可以檢測管道的表面缺陷。目前已見報道的關于超聲導波檢測技術應用的實例包括：帶有保溫層的氨水管道、埋地水管、無保溫層的輸送CO與H合成烴類的淤漿管道、石油化工廠的交叉管路、儲槽壩壁的管道、道路交叉口地下管道、天然氣管道、煉油廠火焰加熱器中的垂直管路、帶巖棉保溫介質和漆層的架空液化氣管道等。超聲導波應用的主要波型包括-扭曲波（Torsinal Wave，也簡稱為扭波）和縱波（Longitudinal Wave）。扭

9、曲波的特點是能夠一邊沿管子周向振動，一邊沿管子軸向傳播，聲能受管道內部液體影響較小（在導波檢測時，液體在管道中流動是允許的），回波信號能包含管軸方向的缺陷信息，通常能得到清晰的回波信號，信號識別較容易，在應用中需要換能器數量少，重量輕、費用省、因管內液體介質而產生的擴散效應較小，波型轉換較少，檢測距離較長，對軸向缺陷靈敏度高。縱波特點是一邊沿管子軸向振動，一邊沿管子軸向傳播，回波幅度與缺陷性狀關系不大，回波信號不如扭波清晰，因為受管內流體流動的影響，也受探頭接觸面的表面狀態影響較大（油漆、凹凸等）受被測管內液體介質流動的影響很大。2.1檢測裝置超聲導波檢測裝置主要由固定在管子上的探傷套環（探頭

10、矩陣）、檢測裝置本體（低頻超聲探傷儀）和用于控制和數據采樣的計算機三部分組成。超聲導波檢測裝置示意圖探頭套環由一組并列的等間隔的環能器陣列組成，組成陣列的換能器數量取決于管徑大小和使用波型，換能器陣列繞管子周向布置。探傷套環的結構按管道尺寸采用不同節環-可以是一分為二，用螺絲固定以便于裝拆（多用于直徑較小的管道），或者充氣式環（柔性探頭套環），靠空氣壓力緊套在管子上（多用于直徑較大的管道）。接觸探頭套環的管子表面需要進行清理但無須耦合劑，亦即除安放探頭環的位置外，無需在清除和復原大面積包覆層或涂層上花費功夫，這也是超聲導波檢測的優點之一。超聲導波探頭套環上的探頭矩陣架在一個探測位置，就可向套環

11、兩側遠距離發射和接收100KHz以下的回波信號，從而可對探頭環兩側各2030米的長距離進行全面檢測，可對整個管壁作100%檢測，可檢測難以接近的區域，如有管夾、支座、套環的管段，也可檢測埋藏在地下的暗管，以及交叉路面下或橋梁下的管道等，因而減少因接近管道進行檢測所需要的各項費用。2.2導波探頭設計在實際應用中，導波探頭的設計取決于以下幾個方面：    a）管中導波的頻散曲線；b）待檢驗管件的規格（包括外徑、壁厚等）與聲學特性；    c）檢測靈敏度；d）管件中缺陷的性質（原始制造缺陷還是服役期間可能產生的缺陷）；  

12、;  e）檢測環境（包括溫度、表面狀態等）。2.3工作原理探頭陣列發出一束超聲能量脈沖，此脈沖充斥整個圓周方向和整個管壁厚度，向遠處傳播，導波傳輸過程中遇到缺陷時,缺陷在徑向截面上有一定的面積,導波會在缺陷處返回一定比例的反射波,因此可由同一探頭陣列檢出返回信號-反射波來發現和判斷缺陷的大小。管壁厚度中的任何變化，無論內壁或外壁，都會產生反射信號，被探頭陣列接收到，因此可以檢出管子內外壁由腐蝕或侵蝕引起的金屬缺損（缺陷），根據缺陷產生的附加波型轉換信號，可以把金屬缺損與管子外形特征（如焊縫輪廓等）識別開來。常規做法是在經過表面清理的管道外表面逐點地進行超聲測厚、抽檢，而超聲導波檢測（

13、又稱長距離超聲遙探法）讓聲波從一個探頭環位置發射，沿管壁內外向遠處傳播，就能覆蓋長距離的管壁，在一定范圍內100%檢測管壁，從而對安全、經濟具有重大價值，目前已經廣泛應用于直徑501200mm的管道現場檢測。導波的檢測靈敏度用管道環狀截面上的金屬缺損面積的百分比評價（測得的量值為管子斷面積的百分比），導波設備和計算機結合生成的圖像可供專業人員分析和判斷超聲導波檢測得到的回波信號基本上是脈沖回波型，有軸對稱和非軸對稱信號兩種，檢測中以法蘭、焊縫回波做基準，根據回波幅度、距離、識別是法蘭或管壁橫截面缺損率的缺陷評價門限等以及軸對稱和非軸對稱信號幅度之比可以評價管壁減薄程度，能提供有關反射體位置和近

14、似尺寸的信息，確定管道腐蝕的周向和軸向位置，目前超聲導波檢測靈敏度可達到截面缺損率3%以上，即一般能檢出占管壁截面39%以上的缺陷區以及內外壁缺陷。缺陷的檢出和定位借助計算機軟件程序顯示和記錄，減少操作判斷的依賴性（避免了操作者技能對檢測結果的影響），能提供重復性高、可靠的檢測結果。應當注意超聲導波檢測不提供壁厚的直接量值，但對任何管壁深度和環向寬度范圍內的金屬缺損都較敏感，在一定程度上能測知缺陷的軸向長度，這是因為沿管壁傳播的圓周導波會在每一點與環狀截面相互作用，對截面的減小比較靈敏。2.4超聲導波檢測的局限性需要通過實驗選擇最佳頻率，需要采用模擬管壁減薄的對比試樣管；據目前最新技術資料介紹

15、，采用掃頻技術，即在設定頻率范圍內進行全頻掃查，通過比較后確定最合適的實驗頻率，可以大大提高缺陷的檢出率；因為在檢測中是以法蘭、焊縫回波做基準，因此受焊縫余高（焊縫橫截面）不均勻而影響評價的準確程度；多重缺陷會產生疊加效應；對于外壁帶有涂防銹油的防腐包覆帶或澆有瀝青層等的管道，超聲導波可檢范圍將明顯縮短，這是因為防腐帶（層）能引起導波有較大的衰減；導波通過彎頭后使回波信號的檢出靈敏度和分辨力受到影響，因為導波在圓周方向聲程發生變化或者由于壁厚有變化而發生散射、波型轉換和衰減，因此在一次檢測距離段不宜有過多彎頭；對于有多種形貌特征的管段，例如在較短的區段有多個T字頭，就不可能進行可靠的檢驗；最小可檢缺陷、檢測范圍隨