基于超声Lamb波技术的储罐底板缺陷检测分析

徐 渠

（连云港广播电视大学 江苏·连云港 222000）

储罐是一种重要的工业设备，其性能的好坏直接影响存储介质效能的高低。储罐在使用的过程，受存储介质的影响，会发生变薄、穿孔等现象，不利于其功能的正常发挥。超声Lamb波在固体板中进行传播时，其声场具有距离大、穿透力强等多方面的优势，在底板缺陷检测中得以广泛应用。

一、超声Lamb波检测原理

一般情况下，当超声波局限在不同形状材料（比如板状、棒状等）的边界之内时，由于声波处在不连续的交界面环境中，就会产生多次的往复反射行为，而且还会进一步产生新的波形，这些波形大多属于复杂干涉或者是几何弥散，进而产生新的超声波类型，即导波。它在固体版的传播中，主要的导波类型有两种，一种是Lamb波，另外一种是SH板波。对于板中导波，其检测方法大多是Lamb波检测，因为它具有传播距离大、便捷快速等方面的优势，可以有效检测储罐底板是否存在缺陷。

超声Lamb波检测原理如下：在检测的过程中，Lamb波脉冲波信号会被传感器激励出来，并且会在底板上下表面两个部位来回反射，然后直接顺着板面的方向进行传播，在传播的过程中，如果碰到板中缺陷以及板底端面时，这个脉冲信号就会产生反射，并且被同一传感器进行接收，然后将这些信号传输到相关设备中进行处理，人们就可以看到显示二维缺陷的图像，完成板中缺陷检测。

二、超声Lamb波在储罐底板的缺陷检测

（一）Lamb波模式的选择

超声Lamb波目前被广泛应用于板状材料的检测中。但是，在检测的过程中，对于选择哪种Lamb波模式，人们都有不同的说法。经过相关数值计算，发现对于相速度和板材介质纵波声速相等的S2模式，检测范围比比较大。这里主要针对的是不锈钢板中的检测，在相关的数值计算中，不锈钢的纵波声速是每秒5．790千米，横波的声速是每秒3．180千米。其Lamb波频散曲线如下图所示：

图1 Lamb波频散曲线

根据上图所示，根据相关的计算，这里对图中的P1和P2两个点所对应的Lamb波模式进行分析和计算，发现板的上、下表面具有很明显的法向位移分量，根据其脉冲信号的相关计算，发现即使不锈钢板面存在液体负载，但是Lamb波能量的泄露损失，保证其时域信号的传播距离比较大，从而有效增大Lamb波的检测范围。

（二）脉冲回波信号模式

传感器中接收到的Lamb波时域信号中，还包含钢板的内部信息。这里为了有效保障检测效果，应该尽量取得比较单一的Lamb波。但是，在实际的检测中，当Lamb波遇到钢板缺陷时，脉冲信号在发射时会发生模式转换，因此，所得的回波信号中就存在其它的Lamb模式。在时域中，对于群速度比较快的Lamb波模式来讲，一般会出现在时间轴的最前端，经过一段时间的传播之后，这些群速度比较快的部分，会和其它部分进行分离。因此，这里只需要计算出群速度比较快Lamb的传播速度，就可以直接判断出Lamb波的所属模式。这里仍然采用阵列方式，以此来激励S2模式的Lamb波的时域信号，采用经端面反射的时域信号，且这个信号置于发射阵列处的单一接收器。这里的反射端面设置在距离发射阵列的1000毫米和1500毫米处两个地方，那么接收器接收到的时域脉冲回波信号如下图所示：

图2 反射断面设置在不同位置时的Lamb波脉冲回波信号

根据上图所示，当反射面设置在1000毫米处时，出现的时域脉冲回波信号的峰值在411．096μs；当反射面设置在1500毫米处时，峰值则为618．986μs，那么它对应的群速度可以通过以下公式进行计算：

将此结果同图1进行对比，就可以知道这个时域脉冲信号的载波属于S2模式的Lamb波。再从图2的第一个回波信号来看，由于S2模式的Lamb波的群速度最大，所以其时域就出现在最前面；当单层钢板中只存在一个缺陷时，人们对时域脉冲回波信号进行观察，看S2模式的Lamb波的相关信息，主要是它出现的时间以及峰值的具体数值，然后将结果与无缺陷的钢板回波信号进行对比，这样就可以实现对钢板中的缺陷性质进行判断。

（三）钢板内缺陷的检测

在下文的检测中，需要加以说明的是，这里只针对钢材中存在的一种缺陷，并没有涉及钢材中的多个缺陷。

首先，根据以上数值的相关分析，我们就可以得出一个结果——采用阵列方式，可以成功激发出单一的S2模式的Lamb波时域脉冲信号。这里就通过相关的数值分析，验证采用S2模式的Lamb波时域信号来检测钢板的缺陷。这里采用的检查材料是不锈钢板材，其具体的规格如下：长度为1500毫米，宽度为500毫米，厚度为6毫米，对于出现腐蚀缺陷的位置还有深度这两个方面，则要根据数值仿真的具体情况来设定，这里依然采用阵列方式，从而激励出S2模式的Lamb波时域信号，主要分为以下两个方面。

1、检查钢材缺陷的位置

在检测中，其缺陷问题是钢材通孔，其出现腐蚀缺陷的位置，以50毫米为间距，设置在1000毫米到1500毫米之间，将接收器设置在板材的前端。根据相关的计算，对于处在不同位置上的缺陷，其回波信号的相关情况可以参照下图所示：

图3 不同缺陷位置回波信号中S2模式的lamb波出现峰值的时间

根据上图所示，人们可以通过观察脉冲回波信号中，S2模式的Lamb波时域信号峰值出现的具体时间。因此，人们可以通过参照图3，可以比较准确地判断出钢材中出现通孔缺陷的具体位置。

2、检测钢材缺陷的深度

在这个检测中，将钢板的缺陷位置设置在1400毫米的地方，缺陷的宽度大小为1毫米，缺陷的深度设置方面，以1毫米为间隔，将其设为1到5毫米的五个不同深度上。完成这一系列的设置之后，再按照图2的计算方式，计算在不同深度缺陷的钢板中，它所显示出来的时域脉冲回波信号在传播过程中所产生的波形，从而得出S2模式的Lamb时域信号的峰值、拟合曲线．

在不同深度条件下的缺陷，S2模式Lamb波回波信号的峰值也在不断变化，即它会随着深度的增大而增大。但是，从中可以看出，这里展示出来的峰值缺陷深度的变化情况来看，它并不是呈线性结构，因为在检测的过程中，缺陷会对S2模式的产生散射作用，而这个作用与缺陷的深度并不构成正比例的关系。人们可以先分析脉冲回波信号中，S2模式的lamb波峰值的大小，然后再结合上图的结果，将两者进行对比，就可以检测出板材中出现缺陷的具体深度。

结束语

综上所述，由于超声Lamb波自身独特的优势，目前被广泛应用与储罐底板的无损检测中。在检测的过程中，选择出S2模式的Lamb波模式，可以有效增加检测范围，从而提高检测效率；在实际的检测中，采用干涉原理，根据具体的检测需要，运用阵列方式，可以有效激励出单一的S2模式的Lamb波时域脉冲信号；由于在时域脉冲回波信号中，其中的S2模式能够与其它模式产生分离，利用这一特点，可以检测出储罐底板缺陷的具体位置；对于不同深度缺陷来讲，它对S2模式的散射作用中，具有单调性特征，所以可以将其用于检测储罐底板缺陷的深度问题。

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