超聲波管壁內(nèi)襯厚度測(cè)量技術(shù)

楊子正，王新

（1.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 設(shè)備機(jī)動(dòng)部，河北 唐山063000；2.華北理工大學(xué) 輕工學(xué)院，河北 唐山063009）

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)日常生活生產(chǎn)中，我們經(jīng)常需要準(zhǔn)確地測(cè)量出各種剛性或非剛性管材的壁厚，通過(guò)對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)整體作以處理與分析，來(lái)保證生活生產(chǎn)的安全，尤其是針對(duì)石油、化工、冶金、船舶行業(yè)、油氣高壓遠(yuǎn)距離輸送工程和航空航天行業(yè)等管道壁厚的檢測(cè)具有更重要的意義。管道內(nèi)襯是指與外管道不同的一層物質(zhì)，如自然生成的垢層或人為制造的內(nèi)套管。由于管道在長(zhǎng)期運(yùn)行后內(nèi)襯的厚度會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化，例如，垢層的生成問(wèn)題和內(nèi)套管的腐蝕問(wèn)題對(duì)某些行業(yè)使用管材進(jìn)行輸送造成了很大的影響。這些管道問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致壁厚指標(biāo)發(fā)生變化而無(wú)法再滿足使用要求，因此需要定期或不定期地對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，以便有計(jì)劃、有針對(duì)性地對(duì)管道進(jìn)行大修、維修或更換。

1 超聲波的斜入射測(cè)厚原理

超聲波斜入射測(cè)厚原理是利用斜探頭發(fā)射與接收的超聲波在介質(zhì)中的傳播特性來(lái)測(cè)量材料的厚度。超聲波測(cè)量按工作原理不同分有共振法、干涉法及脈沖反射法等幾種。由于脈沖反射法不涉及共振機(jī)理，對(duì)被測(cè)物表面的光潔度要求不高，所以超聲脈沖反射法［1］測(cè)厚法應(yīng)用比較廣泛。斜入射測(cè)厚法實(shí)質(zhì)上是測(cè)量超聲波脈沖在材料中傳播的時(shí)間。其原理是用超聲波發(fā)射探頭按一定角度向被測(cè)物體發(fā)出超聲脈沖，此超聲脈沖便在被測(cè)物體內(nèi)傳播，當(dāng)傳播至被測(cè)物體的底面時(shí)發(fā)生反射，反射回來(lái)的超聲脈沖又被超聲波接收探頭接收到，通過(guò)顯示儀可以將超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲脈沖到超聲波接收探頭接收到反射脈沖所用的時(shí)間t比較準(zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái)，如圖1所示。

被測(cè)物體的厚度用d表示，超聲波與法線的夾角為θ，由于在各種不同介質(zhì)中聲波傳播的速度c是常數(shù)，所以被測(cè)物體的厚度可由（1）式算出

式中：

d－被測(cè)物體厚度；

c－超聲波速度；

t－超聲波從發(fā)射到接收回波的時(shí)間；θ－超聲波與法線的夾角。

超聲波斜探頭一般分發(fā)射探頭和接收探頭兩部分。超聲波探頭中核心元件是換能器，作為超聲換能器，當(dāng)前常采用的有壓電片、激光聲器件和電磁聲器材，其中又以有壓電片的使用最為廣泛。壓電換能器探頭由壓電片、楔塊、阻尼塊、接頭等部分組成。壓電片受電信號(hào)激勵(lì)可產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)射聲波（逆壓電效應(yīng)）；當(dāng)超聲波作用于壓電片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)（正壓電效應(yīng)）；前者為超聲波的發(fā)射，后者為超聲波的接收。壓電片的振動(dòng)頻率即為探頭的工作頻率［2］。

2 傳播特性

超聲波垂直入射到2種介面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射［3］，當(dāng)超聲波垂直入射到2種介質(zhì)的界面時(shí)，一部分能量透過(guò)界面進(jìn)入第2種介質(zhì)，成為透射波，波的傳播方向不變；另一部分能量則被介質(zhì)反射回來(lái)，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波。聲波這一性質(zhì)是超聲波檢測(cè)的物理基礎(chǔ)。

當(dāng)超聲波以相對(duì)于界面入射點(diǎn)法線一定的角度，傾斜入射到2種不同介質(zhì)的界面時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象入射聲波與入射點(diǎn)法線之間的夾角稱為入射角。如圖2所示。

圖2 超聲波斜入射波形關(guān)系示意圖

2.1 反射

如圖2所示，當(dāng)縱波以入射角α傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，將會(huì)在入射波所在的介質(zhì)Ⅰ中，在界面入射點(diǎn)法線的另一側(cè)，產(chǎn)生與法線成一定夾角αs的反射縱波，入射縱波與反射縱波之間的關(guān)系符合幾何光學(xué)的反射定律。

與光的反射不同的是，當(dāng)介質(zhì)Ⅰ為固體時(shí)，界面上既產(chǎn)生反射縱波，同時(shí)又發(fā)生波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生反射橫波，即反射后同時(shí)產(chǎn)生縱波與橫波2種波型。這時(shí)，橫波反射角與縱波入射角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯奈爾定律相同：

式中：α―入射角；αs―橫波反射角；cL1―縱波在介質(zhì)Ⅰ中的聲速；cs1―橫波在介質(zhì)Ⅰ中的聲速。

由于固體中縱波聲速總是大于橫波聲速，有α＞αs。當(dāng)介質(zhì)Ⅰ為液體或氣體時(shí)，則入射波和反射波只能是縱波，且入射角等于反射角。

2.2 折射

當(dāng)2種介質(zhì)聲速不同時(shí)，透射部分的聲波會(huì)發(fā)生傳播方向的改變，稱為折射。折射聲束與界面入射點(diǎn)的法線之間的夾角稱為折射角。折射波、入射波與入射點(diǎn)的法線位于同一平面內(nèi)。縱波入射時(shí)，只要介質(zhì)Ⅱ?yàn)楣腆w，則介質(zhì)Ⅱ 中除與入射波相同的波型的折射波外，在界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生與入射波不同波型的折射波。這時(shí)，介質(zhì)Ⅱ 中可能同時(shí)存在2種波型：縱波與橫波。折射角與入射角之間的關(guān)系符合斯奈爾定律：

式中：

βL―縱波折射角；βs―橫波折射角；cL2―縱波在介質(zhì)Ⅱ中的聲速；cs2―橫波在介質(zhì)Ⅱ中的聲速。折射角相對(duì)于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關(guān)。同時(shí)，由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此βL＞βs。

3 技術(shù)方案

根據(jù)以上介紹的超聲波傳播特性，利用脈沖式超聲波發(fā)射器（縱波），將發(fā)射探頭放置在a位置處，以入射角θ1斜射進(jìn)入介質(zhì)Ⅰ中，一部分經(jīng)一次界面（介質(zhì)Ⅰ、Ⅱ界面）反射回介質(zhì)Ⅰ，最終到達(dá)位置b處被接收探頭接收到；一部分折射進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ，進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ的聲波又在二次界面（介質(zhì)Ⅱ、Ⅲ界面）處一部分發(fā)生反射，一部分發(fā)生透射進(jìn)入介質(zhì)Ⅲ中，反射回介質(zhì)Ⅱ的聲波又在介質(zhì)Ⅱ、Ⅰ界面處發(fā)生折射重新進(jìn)入介質(zhì)Ⅰ，最終到達(dá)表面位置c處被接收探頭接收到。如圖3所示。

圖3 超聲波斜入射測(cè)厚示意圖

聲波傳播原理與光傳播原理相同，即入射角等于反射角，折射角滿足斯奈爾定律：

式中：

θ1―聲波入射角；θ2―聲波折射角；c1―介質(zhì)Ⅰ中聲速；c2―介質(zhì)Ⅱ中聲速；已知c2時(shí)，通過(guò)上式可求出θ2。

將接收探頭與發(fā)射探頭保持在同一平面內(nèi)，待發(fā)射探頭發(fā)射超聲波后，移動(dòng)接收探頭沿遠(yuǎn)離發(fā)射探頭方向掃查，當(dāng)移動(dòng)到位置b時(shí)，接收到介質(zhì)Ⅰ、Ⅱ的界面反射波，記錄下聲波傳遞時(shí)間t1，繼續(xù)移動(dòng)接收探頭，當(dāng)移至位置c時(shí)，第二次接收到回波信號(hào)，此信號(hào)為介質(zhì)Ⅱ、Ⅲ的界面反射波折射到介質(zhì)Ⅰ中的聲波信號(hào)，記錄下聲波傳遞時(shí)間t2。如圖4所示。

圖4 脈沖信號(hào)示意圖

則根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出如下結(jié)論：

在2次測(cè)量過(guò)程中，聲波在介質(zhì)Ⅰ中傳播的聲程相等，即傳播時(shí)間相同，故聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳遞時(shí)間Δt＝t2－t1。

已知介質(zhì)Ⅱ中聲速c時(shí)，得介質(zhì)Ⅱ厚度

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)使用的試件為壁厚8mm，垢層5mm的帶垢鋼管道，示波器使用的是美國(guó)泰安四通道示波器，探頭使用M2標(biāo)準(zhǔn)外夾式斜探頭。

4.2 聲速測(cè)量

查手冊(cè)知超聲波在鋼中傳播速度為5 920m／s。

垢層中的聲速可利用直接測(cè)量法來(lái)測(cè)量，具體步驟如下：

（1）取部分垢層將其制作成適合測(cè)量的試樣；

（2）測(cè)量試樣厚度h：用游標(biāo)卡尺或千分尺進(jìn)行測(cè)量，得h＝5mm；

（3）用示波器和直探頭測(cè)量?jī)纱位夭ㄩg的間隔時(shí)間t，得t＝1.8μs；

（4）按下式計(jì)算待測(cè)垢層試樣的超聲波傳播速度：

4.3 試驗(yàn)測(cè)量

在確定各材料傳播聲速后，對(duì)帶垢鋼管道進(jìn)行試驗(yàn)，首先將2個(gè)斜探頭連接到示波器上，1個(gè)作為發(fā)射探頭，另1個(gè)作為接收探頭。其中接收探頭會(huì)接收到由發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，接收到的超聲波有表面波、一次界面（鋼垢界面）反射的縱波和二次界面（垢空氣界面）反射的縱波，示波器對(duì)這些聲信號(hào)進(jìn)行分析處理，在顯示屏上顯示出這3種波的波形，同時(shí)也可得到各自的傳播時(shí)間，如圖5所示，其中tL是表面波傳播的時(shí)間，t1是一次界面反射波傳播時(shí)間，t2是二次界面反射波傳播時(shí)間。

圖5 接收波形與傳播時(shí)間示意圖

表面波的傳播時(shí)間tL與實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)關(guān)聯(lián)，故只需記錄一次界面反射波傳播時(shí)間t1和二次界面反射波傳播時(shí)間t2，并通過(guò)技術(shù)方案中給出的公式計(jì)算得到每組的時(shí)間差Δt和垢層厚度H測(cè)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳播時(shí)間和厚度值

由表1數(shù)據(jù)可計(jì)算時(shí)間差與厚度各自的平均值。

垢層的實(shí)際測(cè)量厚度為5mm，試驗(yàn)測(cè)量厚度值與實(shí)際厚度值之間的誤差是：

4.4 結(jié)果分析

從上述部分測(cè)量計(jì)算得到的數(shù)據(jù)值看出，測(cè)量的結(jié)果存在一定的誤差，誤差存在的部分原因是示波器系統(tǒng)自身內(nèi)部運(yùn)算過(guò)程中引入的系統(tǒng)誤差和人工測(cè)量過(guò)程中引入的人為誤差，但從每組計(jì)算得到的垢層厚度來(lái)看，與實(shí)際值的偏差范圍為0～1.15mm，由此計(jì)算得出的誤差值在可接受的范圍內(nèi)，故試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果仍具有比較高的可靠性和可信性。

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)證明利用超聲波斜發(fā)射測(cè)量垢層厚度具有可行性和可操作性。

（2）與常規(guī)測(cè)量方法相比較，超聲波測(cè)量法具有更好的靈活性，測(cè)量的數(shù)值有更高的可靠性。

（3）超聲波測(cè)量法測(cè)量范圍大，基本上不受管徑大小的限制。

可以看出，超聲波斜發(fā)射測(cè)量方法具有更高的測(cè)量效率，在很多方面與常規(guī)測(cè)量方法相比有著很大的優(yōu)越性，這種測(cè)量厚度的方法如果可以得到推廣應(yīng)用，將會(huì)為整個(gè)測(cè)量行業(yè)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［2］ 李家偉，陳積懋.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］ 劉佰英.管道超聲波流量計(jì)研究［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2005.