超声导波检测技术

超声导波检测技术哈尔滨市燃气压力容器检验所李文强2014年6月超声导波的基本原理•当超声波在板中传播时，将会在板界面来回反射，产生复杂的波形转换以及相互干涉。这种经介质边界制导传播的超声波称为超声导波。因为导波沿其边界传播，所以，结构的几何边界条件对导波的传播特性有很大的影响。与传统的超声波检测技术不同，传统的超声波检测是以恒定的声速传播，但导波速度因频率和结构几何形状的不同而有很大的变化，即具有频散特性。在同一频率激励下.导波也存在多种不同的波型和阶次。在板状结构中，导波以2种不同的波型传播，分别是:对称(S)和非对称(A)的纵波(也称Lamb波)，以及剪切波(SH)•在无限均匀介质中传播的波称为体波，体波有两种:一种叫做纵波(或称疏密波、无旋波、拉压波、P波);一种叫做横波(或称剪切波、S波)，它们以各自的速度传播而无波形祸合。超声导波的基本原理-导波概念•而在一弹性半空间表面处，或两个弹性半空间表面处，由于介质性质的不连续性，超声波经过一次反射或透射而发生波形转换。随后，各种类型的反射波和透射波及界面波均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度和弹性性质有关，不依赖于波动本身的特性。然而当介质中有多于一个的界面存在时，就会形成一些具有一定厚度的“层”。位于层中的超声波将要经受多次来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波形转换，并且波与波之间会发生复杂的干涉。若一个弹性半空间被平行于表面的另一个平面所截，从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了一个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播。超声导波的基本原理-导波概念•这样的一个系统称为平板超声波导.在此板状波导中传播的超声波即所谓的板波。板波是超声无损检测中最常用的一种导波形式，由20世纪初究无限大板中正弦波问题而得名。除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导。其共同特性是由两个或更多的平行界面存在而引入一个或多个征尺寸〔如壁厚、直径等)到问题中来。在波导中传播的超声波称为超声导波，在圆柱和圆柱壳中传播的导波称为柱面导波。超声导波的基本原理-导波的产生超声导波的基本原理-导波的产生超声导波的基本原理-导波的激发•压电超声与电磁超声（EMA）的比较。通常通过调整压电探头的频率和入射角，可在工件（如板材、棒材、管材）中激发出导波，但其激发的波模相对较杂，探头的调整也很困难，再加上其声波的传播需要借助藕合介质，因此，压电超声并不适于高速、高温的在线检测。在目前诸多的NDT方法中，电磁超声（EMA）法以其非接触式的独特工作方式更适用于各类线材的NDT的高速、高温的检测现场条件。电磁超声换能器（EMAT）包括一个磁铁和一个高频线圈，依靠在被检工件表面的电、磁相互作用，可在工件内激发出超声波。由于被检工件是其换能器的一部分，因此，其声波的传播无需借助耦合介质。图1是两种检测方式的比较。超声导波的基本原理-电磁超声（EMA）的激发机理•利用洛仑兹（Lorentz）力和磁致伸缩（Magnetostriction）力，EMAT与被检工件表面的相互作用激发出超声波。•图2洛仑兹力图3磁致伸缩力超声导波的基本原理-电磁超声（EMA）的激发机理•图2揭示了洛仑兹力的工作机理。洛仑兹力是指带电质点在磁场中所受的电动力。当高频电流加到靠近金属表面的线圈上时，在金属表面的趋肤层内将会感应出相应频率的涡流来，此涡流方向与线圈中电流方向相反。若同时在金属表面上加一个磁场，那么涡流在磁场作用下就会产生一个与涡流频率相同的力，即洛仑兹力。它在工件内传播就形成了声波。•图3揭示了磁致伸缩的工作机理。磁致伸缩是指磁畴在交变磁场的作用下产生壁移和旋转。众所周知，铁磁性材料是由许多自发磁化的磁畴组成，在无外磁化作用时，这些磁畴排列无序，各磁畴磁性相互抵消，因而宏观上表现为磁中性。但当外磁场作用后，磁畴产生壁移和旋转，最后顺外磁场方向整齐排列起来。在这些磁畴运动中，会伴随着宏观形变，所以表现出磁致伸缩效应。此效应在工件内传播就形成了声波。•由于上述两种效应都具有可逆性，因而可利用检测线圈将信号检测出来，加以分析判定，从而检测出缺陷的大小、位置等。超声导波的基本原理-导波的频散特性•声波具有频散特性，而且大量不同的波在介质中发生反射、折射和波型转换,在距探头一定距离处,各波不是清晰可辩而是叠加成波包,从而产生被限制的导波束，这些导波沿着介质传播。•传声介质的材料特性对导波有着直接的影响。导波的速率受到导波的频率、介质的几何形状和尺寸大小的影响。超声导波的基本原理-导波的频散特性导波群速度特性曲线导波相速度特性曲线导波的优点•导波技术现在已经是一种很成熟的技术，是上世纪90年代发展起来的新的管道腐蚀检测技术，目前，世界上只有三家著名生产厂商，英国焊接研究所，英国导波公司和美国西南研究院，导波技术在管道检测中的优势：•1、检测测量模式中可以测量2-5%管壁损失量，监测模式中可以测量1%管壁损失量，•2、位置精度，正负15cm.•3、测试范围取决于管道状况，对于地上直管道，测试范围从探头位置起超过150米。适用于架空，穿跨越管道，从遥远的距离检测难以达到的区域，在管道运行期间在役管道腐蚀状态检测，基于信号强度和特征对管道的损坏严重程度进行分类。能够区别焊缝和缺陷。导波技术的局限性1、不能测量管道的真实残余壁厚或最小壁厚。•2、不能区分内外壁损伤。•3、不能确定缺陷的形状和尺寸。•4、轴向裂纹检测局限。•5、不能检测孤立的小的凹坑。（可以检测成串的凹坑）•6、不能空越法兰检测。超声导波的基本原理-导波的相速度与群速度•导波具有自己的特性，如频散、群速度与相速度不一致等。群•速度与相速度是导波理论中两个最基本的概念，所谓群速度是指脉冲波的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度，是波群的能量传播速度。而相速度是波上相位固定的一点传播方向的传播速度。多模态导波接收波形群速度与相速度的关系导波在圆管中传播模态rbaz超声导波在管中的传播导波检测的优点•1、可以从一点检测就可以迅速的将大片区域屏显化•2、比传统的无损检测方法更加有效率•3、无论对内表面还是外表面的金属缺失都非常敏感•4、可以检测无法直接触及的区域•5、在线无损检测更加具有优势•6、对弯曲面区域更加容易检测•7、能提供更加快速全面的检测结果导波检测的缺点•1、需要保证和常规超声要求一样的耦合条件。•2、对输送稠性或蜡质流体的管道检测效果不理想。•3、不能区分内外壁损伤•4、检测表面要求没有杂物、焊渣等（熔合完好的油漆或涂层可以不用清除）•5、环形平板的不良条件可能降低检测范围