金属管道超声波无损检测方法的研究论文_杜萌, 温庆昶

摘要：金属管道作为工业生产过程中必不可缺少的设备之一，如何保证生产过程的安全性，就需要定期对金属管道进行检测，而传统的检测方法，基本上都是需要在生产停产的情况下进行检测。这种检测方法虽然准确，但检测速度慢，检测过程相对复杂。基于超声波无损检测方法的研究，可以在生产过程中不需要停产的前提下完成对设备的无损检测，通过检测设备，可以准确快速地发展金属管道中损伤及测定材料性能劣化程度。鉴于此，本文对金属管道超声波无损检测方法的研究进行了分析，以供参考。

关键词：金属管道；超声波；无损检测方法；研究

引言

目前，在工业中超声波检测技术是应用最广泛的一种无损检测技术，可以在不破坏工件或者原材料工作状态的情况下，对工件的表面及内部质量进行检测，以判断是否达到质量标准。超声波检测是根据超声波在工件传播中遇到不同界面时会出现反射、折射、透射和散射等现象，以此来对工件中的缺陷进行检测和判定。

1超声波探伤的运行方式和操作技术

对附件焊接质量进行检测时，借助超声波原理，将不同频率的声波发送到检测位置。检测位置反弹声波后，会接收到不同振动信号的声波，并根据声学原理判断附件结构内存在的质量问题。检测过程中，由压电晶片发出超声波，附件受超声波作用后，自身结构内部存在的缺陷会将超声波形成反射波，将反射波以脉冲的形式出现在检测设备上。此时，检测人员可根据脉冲波形确定附件内存在缺陷的位置和规格。

目前，以超声波为原理研制的检测技术可分为四种。第一，穿透法。借助设备发出的脉冲波，形成持续的传播信号作用在附件上，附件将传播信号转换成能量，工作人员根据能量的变化确定附件内的缺陷位置和规格。使用穿透法对附件进行检测时，工作人员将两个探头放置在设备和附件上作为信号发射设备和信号接收设备。第二，脉冲反射法。工作人员通过产生的发射波检测附件存在的缺陷。检测过程以缺陷回波法为主，工作人员通过仪器即可获得相关信息。第三，共振法。通过共振法会在附件的内部形成声波，声波半波长为附件厚度整数倍时，仪器会显示信号产生的共振频率，以此确定附件内存在缺陷的位置和规格。第四，TOFD法。使用该方法，工作人员使用多个探头将产生的声波营造成一个检测环境，将附件放置在该环境内，若附件结构内存在缺陷，会产生反射声波和衍射波。工作人员计算反射时间，并按照三角方程原理确定附件内缺陷的位置和规格。现阶段，在飞机附件检测过程中，通常会使用脉冲发射法。

2超声检测优缺点

与其他无损检测方法相比，超声检测方法的优点有:适合于金属、非金属材料和复合材料;穿透能力强，可对较大厚度范围内的工件内部缺陷进行检测，对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材;缺陷定位较准确;对面积型缺陷的检出率较高;灵敏度高，可检测工件内部尺寸很小的缺陷;检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便等。不过，超声检测方法也有局限性:对工件中的缺陷进行精确的定性、定量仍需作深入研究，对具有复杂形状或不规则外形的工件进行超声检测有困难，缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响，工件材质、晶粒度等对检测有较大影响。

3超声波检测技术条件的选择

3.1超声波探头的选择

探头频率和晶片尺寸是对缺陷检出率影响较大的关键因素，对于探头的频率，频率大小对于检出最小缺陷的尺寸有直接的关系，超声波的声速、频率、波长有如下关系：

对于既定的检测材料，其内部超声波的声速也是既定的，当频率f越高，其波长越小，而超声波检测能发现的最小缺陷大约为λ/2，因此，从能发现最小缺陷的角度来说，超声波的频率应尽量选择高一点。

对于探头晶片尺寸的选择，根据NB/T47013.3—2015《承压设备无损检测》4.2.2.2条的要求规定，对于圆形晶片，其直径应≤40mm；对于方型晶片，其任意边长应≤40mm，晶片尺寸对于超声波检测的影响主要体现在半扩散角和近场区长度，晶片尺寸越大，对应的半扩散角越小，而近场区长度和晶片尺寸有如下关系：

3.2耦合剂的选择

在探头和工件之间使用耦合剂是为了保证在异质界面上有足够的声强透射率，当探头和检测面之间有存在空气薄层时，超声波在传输过程中会在空气界面上方被全部反射回探头契块，而无法接收到任何关于被检工件内部的超声返回的信息。耦合性能良好的物质，能很好的填充探头与检测面之间的间隙，使超声波能够传输至工件，而工件内部如果有反射信号，也使得信号能够被探头所接收，使超声检测缺陷成为可能。而除了给信号传输提供稳定路径以外，耦合剂的另外一个作用是润滑。由于耦合剂的存在，使探头和工件之间的摩擦力得以减小，可以防止工件表面磨损探头，探头移动也更为方便。其作用可以归纳为以下3点：(1)为超声信号在探头契块和工件之间的传输提供一个稳定传输的路径；(2)通过耦合剂的声阻抗性能，减少界面声能损失，使更多的声能到达工件以用于检测；(3)润滑作用，减少摩擦阻力和探头的磨损。

4超声波无损检测技术方案的设计

4.1超声波无损检测工作原理

超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术，主要涉及到超声波的产生、传播与接收技术。当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除有纵波的反射、折射外，还会有横波的反射和折射。各种波形都符合波的反射定律和折射定律。

超声波的传播速度，。

超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。其传播速度为

式中，K—介质的体积弹性模量，它是体积(绝热的)压缩性的倒数；ρ—介质的密度。

气体中的声速约为344m/s，液体中的声速为900—1900m/s。

超声波在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为

式中，E—固体介质的杨氏模量；—固体介质的泊松比；G—固体介质的剪切弹性模量；—介质密度。对于固体介质，介于0.2～0.5之间，因此一般认为c横≈c纵/2。

在一般探测频率上，材料的衰减系数在l到几百之间。若衰减系数为1dB/mm，声波穿透1mm时，则衰减1dB，即衰减10%；声波穿透20mm，则衰减20dB，即衰减90％。

4.2系统检测方案的设计

系统检测整体方案的设计是采用微处理器作为系统的整体控制核心，微处理器采用STM32F103系列；稳压电路采用ASM1117集成稳压电路，具有较低的功耗；传感器采用超声波传感器，其结构采用发射与接收分离两种结构。

5超声波无损检测结果的分析

通过图1所示的检测结果中，三维可视化测量结果视图，可以清晰的看到其检测结果与真实情况完全一样。利用超声波进行检测，其测量精度可以检测出1mm的管道裂纹。

图1 金属管道模检测三维可视化测量结果

结束语

综上所述，通过对超声波无损检测技术的工作原理、运行方式的研究可以看出超声波检测对于提高缺陷检出率和保障设备安全具有重要意义。

参考文献

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论文作者:杜萌, 温庆昶

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第23期

论文发表时间:2020/5/8