超声导波技术在起重机结构检测上的应用难题

夏常福，胡静波

（南京市特种设备安全监督检验研究院，江苏南京210017）

超声导波技术在起重机结构检测上的应用难题

夏常福，胡静波

（南京市特种设备安全监督检验研究院，江苏南京210017）

首先介绍了起重机结构件无损检测的需求和超声导波测试技术的特点，并介绍了我国超声导波技术研究现状及其在结构检测上的应用，最后分析了在起重机结构无损检测中采用超声导波技术需解决的几个关键难题。

超声导波；起重机结构；无损检测

起重机是机电类特种设备中的一种，其在服役过程中，由于载荷、温度、腐蚀等因素的影响，结构会逐渐老化，主要表现形式是出现不同程度的损伤，从而导致结构的承载能力下降。如果在初始阶段没有检测出这些损伤并采取相应的措施，损伤会逐渐累积，最终导致起重机结构的失效，严重时会引起设备的彻底损毁，带来人员、财产的重大损失。为了减少损伤对起重机结构带来的不良影响需要对其进行安全检测，通常使用的是无损检测的方法，即在不损害或不影响被测对象的前提下，采用声、光、电等各种物理检测方法判断被检对象中是否存在缺陷。

在常用的渗透检测、磁粉检测、涡流检测、超声波检测和射线检测五大无损检测中，超声波检测由于其适用范围广，对人体无害而获得广泛应用。超声波穿透能力强，对构件没有伤害，超声检测则是使超声波进入待测试件，利用超声的反射、散射和折射等方式对试件进行宏观缺陷检测。由于其检测能力强，检测范围广，所需的设备简单，对被测物没有污染，在无损检测中得到非常广泛的应用。

在超声检测中主要应用的波型有纵波、横波、表面波（瑞利波）和Lamb波等。用常规超声扫查方式检测大型构件相当费时、费力，而且检验范围有一定的随机性和局限性，而超声导波具有传播距离远、速度快的特点，适用于起重机大型构件的大面积损伤检测。导波中的Lamb波其产生的机理是横波斜入射或者纵波垂直入射进入结构中进行传播，在一定距离之后超声波已不再是普通的横波或者纵波而是导波。Lamb波由于传播衰减小、检测范围广、对小损伤敏感，且在无损检测领域应用时间长、技术较为成熟，可以被很好的应用到起重机大型构件的损伤检测中。

1　应用现状

目前，超声导波测试技术在起重机领域的应用尚处于空白。起重机金属结构由钢板组成，通过焊接或螺栓连接，具有尺寸大、结构规则、焊缝多等特点。根据起重机金属结构的特点，近年来国内在超声导波领域可借鉴的研究主要包括：

北京工业大学的孙雅欣等[1]利用高频纵向导波对钢杆进行了研究，根据在杆状结构中波导传播具有频散现象及多模态的特征，选择特定频率下的单音频信号激励超声导波，研究结果表明在一定的频率下的纵向模态可用来对埋于介质中的钢杆进行检测。该方法可应用于起重机大面积结构中导波信号传播特性的研究。

天津大学的李一博、靳世久等人[2]针对长距离管道检测过程中经常会遇到的环形焊缝和弯管情况进行了导波测试研究。文中采用了纵向和扭转模态导波，对导波在连续穿越七条环形焊缝和一段弯管的传播特性进行了研究，并且对其在检测凹槽、焊疤、支路等缺陷或管道特征方面的能力进行了对比。该方法对起重机结构中导波信号跨越焊缝时的传播特性研究具有指导意义。

文献[3]利用ANSYS软件对管道超声纵向导波裂纹检测进行了数值模拟。通过模拟管道中的纵向入射应力波，对含单、双裂纹的管道模型进行了仿真模拟。文献[4]利用Abaqus软件对导波在较厚结构中的传播进行了仿真模拟。同时对无损伤及有损伤的仿真模型进行了实验验证，实验信号与仿真波形具有很好的吻合度。利用仿真软件对信号传播进行数值模拟的方法同样适用于起重机结构中导波信号的传播研究。

2　需解决的关键技术

虽然超声导波检测对于大型结构件的损伤检验具有其他形式无损检测方式难以比拟的快捷高效，但由于导波在激励、传播、接收以及信号处理方面的复杂性，其并未真正在工业生产尤其是起重机等大型结构件的无损检测中获得广泛的应用。如需要在起重机结构测试领域应用导波测试技术上，尚需要解决以下的关键技术。

（1）导波缺陷识别仿真技术

对缺陷识别仿真技术的研究，包括：需要分析传感器与板结构之间的作用机制，研究传感器激励机制和对激励信号做出选择；可采用ANSYS或ABAQUS等通用型有限元仿真软件进行导波板内传播的有限元模拟仿真，综合考虑频散、能量、激励精确度等因素的影响，在仿真时选择合理的计算参数，以确保计算的精度和效率；利用有限元法进行数值模拟不同的导波模式并研究其特性，研究不同导波模式与不同类型缺陷的相互作用，即在缺陷处的散射问题，包括导波在缺陷处的反射和折射系数以及在缺陷处的位移和能量变化等；研究超声导波信号中的特征量提取方法，利用时频域分析方法尽量提取导波信号的特征量，并分析其趋势，利用仿真信号并结合神经网络等技术对钢板结构中不同缺陷进行识别，验证算法。

（2）导波缺陷识别的实验研究

使用实验的方法模拟钢板结构中的裂纹、孔洞等缺陷，采用傅里叶变换（FFT）方法、短时傅里叶变换（STFT）方法和希尔伯特变换（HHT）等方法对Lamb波信号进行模式分析，研究不同形态的缺陷对波传播的影响，研究其特性，并利用缺陷识别算法来识别反推缺陷尺寸、位置等信息；之后利用导波检测系统探测不同深度和型式的缺陷，通过分析导波特性，利用缺陷识别算法达到识别缺陷信息的目的。

（3）导波检测分析软件的研发

由于导波测试数据量较大，考虑到仪器的效率和性能，在现场采集时采用USB接口从仪器向PC机传输数据具有极大便利性。为此需进行USB固件的开发，特别是MassStorage协议的处理部分的开发；需要进行USB上位机驱动的开发，建立USB固件与PC端分析软件的桥梁；进行PC端软件的开发（可采用Visual C++等高级语言进行），开发出具有数据采集显示模块、FFT变换模块、降噪处理模块、短时傅里叶变换模块等在内的分析软件。

（4）适用于现场检测的装置研发

根据起重机现场的情况、采用的检测标准和实际的检测条件，选取符合实际应用的探头类型、参数以及导波在结构中产生出的特定导波模态进行现场测试装置的搭建。搭建的测试装置在满足测试要求的前提下应当尽量选取低功耗、集成化程度高的芯片，以达到功耗低、微型化和模块化的要求。

3　结束语

本文对超声导波技术在起重机结构检测上的应用进行了分析，总结提出了其应用需要解决的几个技术难题。通过解决这些难题可以研制出适用于起重机结构的基于超声导波技术的无损检测装置。通过该装置的使用，可在起重机使用现场快速、准确的判断结构损伤，减少由于结构损伤带来的事故隐患，推动起重机行业的整体技术进步，更好的保障起重机使用安全性，带来极大的经济效益和社会效益。

[1]何存富，孙雅欣，王秀彦，等.高频纵向超声导波在埋于无限大介质中钢杆的传播特性[J].机械工程学报，2007，43（3）：82-88.

[2]李一博，靳世久，孙立瑛.超声导波在管道中的传播特性的研究[J].电子测量与仪器学报，2005，19（5）：63-66，89.

[3]周义清，王志华，马宏伟.超声纵向导波进行管道裂纹检测的数值模拟[J].中北大学学报：自然科学版，2006，27（3）：258-262.

[4]孙凯，孟光，叶林，等.基于超声导波的钢梁结构损伤大小识别研究[J].振动与冲击，2011，30（9）：227-231.

Application of Ultrasonic Guided Wave Technology in Crane Structure Inspection

XIA Chang-fu，HU Jing-bo
（Nanjing Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Nanjing Jiangsu 210017，China）

This paper introduces the characteristics of guided wave testing technology and ultrasonic nondestructive testing needs parts of crane structure，then introduces the research status of China’s ultrasonic guided wave technology and its application in structure detection，finally analyzes several key problems in nondestructive detection using ultrasonic guided wave technology to solve the crane structure.

ultrasonic guided wave；crane structure；nondestructive testing

TH21

A

1672-545X（2016）10-0198-02

2016-07-17

夏常福（1962-），男，江苏人，本科，主任，研究方向：特种设备检验检测技术研究。