超声导波技术在特种设备检测中的应用研究

摘 要：由于特种设备具有一定的特殊性，因此其对于质量检测、损伤检测的要求较高，而超声导波技术对于特种设备检测具有较高的应用性。本文将通过以某焊接结构为例，在简单阐明超声导波成像检测系统具体构成的基础上，通过探究超声导波技术在特种设备检测中的实际应用进行简要分析研究。

关键词：超声导波技术;特种设备;设备检测

在对特种设备进行检测过程中，如果采用传统的检测技术手段，虽然可以在一定程度上完成特种设备探伤与质量检测，但容易在检测过程中对特种设备造成二次损伤，同时其检测精准度也难以始终维持较高水准。而超声导波技术则可以有效突破传统检测技术中的局限性，其可以在避免对特种设备造成损伤的基础上，快速、精准地完成特种设备检测工作，对于保障设备质量具有重要作用。

一、超声导波技术的简要概述

（一）超声导波概念

超声导波从本质上来说属于激光，超声导波可以根据给定形状完成机械传播，且超声导波直接受到构件边缘的约束作用影响。从类别角度来看，超声导波类型众多，主要包括变形波、纵波等等，一般在管道状的特种设备检测当中，所使用的超声导波类型为扭力波和纵波，其中前者的传播介质只局限于固体，因而通常在管道焊接件和铸造件的检测当中，会采用扭力波进行检测。

（二）具体技术原理

超声导波技术是当前在特种设备检测当中常用的检测技术之一，该技术主要是通过运用探头阵列发出的超声能脉冲，此种脉冲充斥整个圆周方向以及焊接件和铸造件的构件壁位置上，并向四周进行传播。最后由同样的探头阵列付反馈回的信号进行验收，若在检查过程中发现焊接件、铸造件的构件壁位置厚度出现明显改变，此时在构件内壁与外壁的位置处均会有反射信号产生，探头阵列将会自动捕捉其产生的反射信号并进行反馈分析。根据这一技术原理，如果焊接件或铸造件等特种设备的外壁与内壁因受到腐蚀或其他因素影响而存在一定缺陷，则通过利用超声导波技术可以有效帮助工作人员快速、精准地检测特种设备具体质量情况，及时判断其存在的质量问题。即检测人员可以通过根据被测设备中各缺陷所产生的附加波形，在完成信号转换后对特种设备的具体外形、缺陷类型及严重程度等进行准确区分。

二、检测对象与检测系统

（一）检测对象

为有效说明超声导波技术在特种设备检测中的实际应用，本文选择以某大尺度焊接结构检测为例。该焊接结构主要由钢板的立板和底板等焊接而成。其中立板与立板之间的焊接采用对接焊接的方式，而立板在与底板进行焊接时则采用T形焊接的形式，钢板相互搭接焊接最终构成底板。在该焊接结构当中所使用的钢板材料为Q235A，底板与立板的厚度分别为8mm与12mm。[1]由于该焊接结构当中拥有众多焊接缝，因此为有效保障焊接结构整体质量，在进行检测时通过结合实际情况，检测人员最终选择使用超声导波技术。

（二）检测系统

在使用超声导波技术对该大尺度焊接结构进行检测时，检测人员通过结合实际检测要求以及各项现有优势资源与技术条件，在压电效应的基础上，利用专业的超声导波检测仪、超声导波换能器等将其与待检测的大尺度焊接结构进行相互连接，进而构成了一个完整的可现场成像的超声导波检测系统。检测人员将8个超声导波换能器构成的线型数组，布设在焊接结构构件底板边缘处，其中每一个换能器的主频均为1MHz，数组布阵间距为5mm。在方波脉冲的激发下，钢板当中由超声导波换能器所产生的超声导波模态基本为0阶模态，人工缺陷回波信号主频约为0.45MHz。在此次检测过程中，检测人员选择将最佳脉冲激励频率设定为0.5MHz。在对焊接构件进行超声导波检测时，工作人员需要利用计算机分析处理采集得到的信号，并运用压缩空气及时清理干净底板、立板等构件部件，以防止在超声导波检测过程中，焊接构件表面和传感器之间无法实现良好接触。而在运用低频超声时，无需使用耦合剂，但同样需要检测人员及时对被检测设备表面进行清理。在探头探测位置处要求检测人员严格按照相关规定要求对其进行氧化处理，为保障检测结果的真实性和有效性，检测人员需要在20min内完成焊接构件的超声导波检测工作。

三、检测结果分析

（一）焊接结构成像检测数组信号

在利用该超声导波成像检测系统对焊接构件进行检测中，可知当检测距离在不超过4m的声程范围时，可得到明显的数组信号，此时系统能够清晰现实出4道焊缝数组信号。在检测距离在2.4m之内，检测信号具有较强的数组特征，而在检测距离在2.4m到4m之间时，信号数组双曲线特征相对较弱，这主要是由于经过众多散射体的散射作用影响，声波的波形以及传播路径等均会发生一定变化，进而在一定程度上减弱信号数组双曲线特征。基于信号数组特征角度下的焊缝1，其作为T形焊缝，在长期暴露在外的情况下，底板外边缘表面出现众多大小各一、形状不同的蚀坑，其直径基本在1mm到2mm之间，受此影响超声导波换能器同底板间无法形成平整耦合，耦合层厚度较大，使得声波信号出现约有30dB衰减。[2]在检测距离为1.6m时可检测发现焊缝2，该焊缝属于搭接焊缝。该搭接焊缝信号到达之后，对应的焊缝搭接头反射信号才到达，两者产生的声程差在80mm到120mm，焊缝信号幅值比搭接头信号幅值要小，与该焊接结构的实际情况基本相符。另外，在该焊缝及搭接头处检测发现具有较大线性尺度，且存在较为严重的声波散射情况，其双曲线数组特征相对较弱。在检测距离为2.3m时刻检测发现焊缝3，该焊缝形式同样也属于搭接焊缝。但因受到声程变化以及焊缝散射的影响，该焊缝及其搭接头信号极为相似，几乎无法准确区分。而在焊缝3之前则是在检测距离为2.1m位置处，立板当中的焊缝4，焊缝4的类型属于对接焊缝。基于声程角度而言，焊缝3与焊缝4之间的間距在200mm左右。在该大尺度焊接结构当中，焊缝3与焊缝4对应的部位并不相同，虽然在检测过程中，二者的信号幅值均不强，但仍然可以进行区分。

（二）焊接结构超声导波成像检测图像

在利用超声导波技术对该焊接结构进行检测的过程中，检测人员在直接利用其建立的超声导波成像检测系统下，可以直接获得相应的检测成像结果。值得注意的是，由于成像检测需实现的检测距离相对较大，因此需要检测人员结合实际情况，根据现有的超声导波成像检测换能器数量。将超声导波成像检测距离范围设定在1.5m到3.5m之间，成像宽度设定为450mm。根据获得的相关检测图像可知，当检测距离分别为16m和1.7m时，可以清晰显示出焊缝2及其对应的搭接接头。当检测距离分别为2.1m与2.3m时，则在超声导波成像检测图中可以直观看到该焊接构件中的焊缝4与焊缝3，另外图像中也显示出，当检测距离为2.7m与3.1m时，也显示出较为微弱的焊缝图像。

通过结合检测人员获得的焊接结构超声导波成像检测图像，检测人员基本可以清晰、全面地了解在该焊接构件当中，各焊接结构的具体区域特征、焊缝是否存在缺陷等问题。[3]有研究指出，在实际使用超声导波对特种设备进行检测时，相较于传统的检测技术，超声导波技术的灵敏度可以达到0.7%左右，而在现场检查当中，超声导波技术的检测灵敏度最高也可以达到4.8%。尤其是在超声导波成像技术的运用下，通过在成像图中精确显示出搭接焊缝与其对应的搭接接头成像细节图，对检测人员准确掌握焊缝具体位置并对其缺陷空间位置进行准确定位具有重要的帮助作用。而根据相关研究资料可知，超声导波技术在检查特种设备内部情况时，主要采用低频扭曲模态导波以及纵向模态导波，其中前者可以在朝向被检测特种设备圆周方向进行振动的同时，朝特种设备轴向位置进行波形传播，因此可以获得良好的传播效果。此时即便特种设备当中存在金属液体或设备以特殊形式存在，声能也不会受到实质性影响。可见超声导波技术对于检测带有液体的特种设备也同样具有一定的应用价值。

四、結语

通过本文的分析研究，可知在特种设备检测中，运用超声导波技术可在避免对被检测设备造成二次损伤的情况下，有效帮助检测人员全面掌握设备具体质量情况，及时锁定缺陷位置并对其进行相应处理，有助于进一步保障特种设备质量水平。在实际运用超声导波技术检测特种设备时，检测人员也需要充分结合特种设备实际情况及具体检测需求，在严格依照国家相关标准要求进行规范操作下，以充分发挥出超声导波技术的应有效用，切实完成特种设备检测工作。

参考文献：

[1]杨虎诚.利用超声导波实现工业管道对接焊缝的远距离扫描[J].中国设备工程，2018（14）：153-154.

[2]郑阳，林树青，郑晖，等.金属材料超声无损检测与微损测试新技术研究[J].中国特种设备安全，2016，32（11）：1-4.

[3]梅阳，刘献游，王平杰，等.MsS超声导波技术的管道缺陷检测精度实验研究[J].石油和化工设备，2015，18（11）：47-49.

作者简介：李振杰（1976-），男，天津人，硕士研究生，工程师，研究方向为工程技术。