超声波在管道测厚中的应用及其波形评价

沈凯峰

（上海金艺检测技术有限公司，上海 201900）

0 引言

宝钢集团有限公司（以下简称：宝钢）现存大量的在役管道需要测定其壁厚，主要有煤气管道、水冷壁压力管道、换热器管束等。而有些管道表面具有一定厚度的防锈层，大多数管道压力值较大，属于特种设备的压力管道。管道关键部位的真实厚度情况间接反应着管道的腐蚀情况。由于管道腐蚀情况严重，导致壁厚减薄存在泄露风险，不仅影响正常生产，还会对环境造成污染，甚至可能出现安全隐患。

宝钢在役管道内无介质，温度自然冷却时进行常规接触式超声波厚度检测。如果管道表面有防锈层，检测人员需要先去除防锈层，然后对管道表面进行修磨，保证检测部位具有一定的光洁度。由于管道年定修周期较长，这种检测方式难以了解管道的腐蚀状况，特别是承压类设备的压力管道，万一出现状况，就会造成严重的经济损失。对此，国家颁布了《在用工业管道定期检验规程》，高温压力管道检验成为迫切需要解决的问题，特别是DN＜32 mm 的管道和高温管道。G 门模式超声波探伤仪搭配适合的探头，可降低盲区区域、减少脉冲宽度，对DN＜32 mm 的小径管道进行厚度检测，并提供精准的实测值，具有完整的检波电路，可以准确分析波形图，有助于提高检测厚度的精度，而换能器与高温设备不会直接接触，减少人员灼伤的风险，该方法适合高温管道的检测。

1 G 门模式超声波测厚原理

用超声波探伤仪对管壁测厚时，探头将超声波传递到工件中，当遇到工件边界时返回后得到回波，一部分回波被探头接受并转换成信号送回探伤仪进行计算处理，此时的回波信号记作一次底波B1；而另一部分回波在探头与工件的界面再次反射，重新进入工件，重复着前一次的传递过程，循环依次产生B2、B3、…、Bn-1、Bn，如图1 所示。仪器会记录接收相邻二次回波信号，并计算出时间间隔，该时间间隔就是超声波通过被检工件所需的时间，根据超声波在被检工件中的传播速度求出工件的厚度，厚度D 可用公式求出：

式中：v 为被检工件中的声速；△t 为超声波在被检工件两表面之间往返一次的时间，如图2 所示。

往复时间的测定有下面三种方法：

1）计算始脉冲T 和一次底波B1之间的时间；

2）计算第一次底波B1与第二次底波B2之间的时间；

3）计算任意相邻二次底波Bn-1与Bn之间的时间。

以上三种测量方式的选择可以通过常规超声波探伤仪实现。

第一种测量方法是利用A 门或者B 门模式进行测厚，由于脉冲波幅较大，增加了盲区范围，这就限制了仪器的测量范围，最终导致测量精度较低。第二种测量方法，由于脉冲窄，测厚精度明显提高，同时能检测比较薄的材料，此时若用高频（15 MHz）探头就能检测小于1 mm 厚度的材料，大大提高了仪器测量下限。第三种测量方法，其效果和第二种方法接近，当底波位于声束扩散区内，声束存在扩散角，检测精度可能会稍许降低。综上所述，第二种和第三种方法效果差异不大，适合G 门模式超声波进行测厚。

2 G 门模式超声波测厚方法

1）首先根据被检工件的材质、形状和厚度选择适合的超声波探头，如果工件材质晶粒较细或者被测厚度较薄，则可以选择高频探头和双晶探头；对于被测工件部位存在较小曲率半径时（小直径管道测厚），则可以选择小尺寸晶片探头；对于壁厚较厚且材质晶粒较大的工件，则可以选择低频探头。

2）连接探头、探头线和超声波探伤仪，打开仪器，在仪器上调节与探头匹配的频率，调低仪器发射脉冲波的重复频率，避免产生幻象波，打开A 门和B 门，将门（GATE）触发模式设置为前沿（FLANK）触发，然后调整合适的声程便于观察底波。

3）开启超声波探伤仪的G 门模式后，进入菜单选择材质的声速，调节增益或衰减，使仪器屏幕清晰显示多次底波，并将底波调节至低于100%B.S。移动A门和B 门至相邻二个底波，A 门和B 门的高度应该与相邻二个底波高度成正比，此时仪器上显示的读数为该工件的厚度，可以多测几个数值，选取平均数作为最终实测结果。

3 G 门模式超声波测厚实际检测结果及分析

热轧加热炉换热器管束腐蚀较为严重，一旦管束泄漏将直接影响企业的正常生产。如果发生泄漏事故后再修复或者更换管束将会造成更大的损失。这就急需一种快速、精准的测厚方法，在不耽误日常生产的前提下，不定期检修对管束进行精确且多点测厚，以判断管束是否存在腐蚀情况。在检测过程中，运用该技术对换热器管束进行除锈，然后再利用G 门模式对管束进行测厚。

用壁厚为3 mm 的管束进行测厚得到实测值为2～2.8 mm，然后在实验室对数值进行对比发现，G 门模式下的测厚数值精度高（如图3 所示），为判断腐蚀区域提供有力的保障，避免了在生产中因散热问题导致异常停机带来的损失。

图3 管束外壁G 门模式测厚界面

4 电磁超声波测厚原理

电磁超声波换能器物理结构包含有高频线圈和磁铁两个部分，高频线圈用于产生高频激发磁场，磁铁用来提供外加磁场[1]。

当工件表面上的高频线圈通过高频电流时，它在工件表面产生感应电流，该感应电流在外加磁场的作用下受力产生高频振动，此时主要是洛伦兹力的效应形成了超声波声源。

在对铁磁性材料检测过程中，由于外加磁场的作用，磁畴之间的平衡被破坏，磁畴磁化强度矢量全部转向外加磁场方向，并与外加磁场方向一致，材料出现磁饱和现象。在磁化的过程中，每个磁畴之间的界限发生位移转动，导致出现机械形变，这种现象称为磁致伸缩效应。因此在常规的铁磁性材料中，洛伦兹力效应和磁致伸缩效应均能产生不同波形的电磁超声波。

该技术是采用电磁超声波检测方法对高温管道进行测厚，适用于带有防锈涂层的管道和难以直接接触的高温压力管道。

5 电磁超声测厚方法

5.1 自相关算法校准

自相关算法是一种波峰与波峰之间的测量方式，其优点是测量精度较高。该方法需要在扫描中至少出现两个回波信号，假如选定的回波信号大于两个，第二个回波信号波幅一定要小于第一个波幅信号。使用相同材质已知厚度的工件来校准仪器和测量声速。

5.2 过零点算法校准

如材料厚度较大或者材质衰减严重，导致只能收到一个回波信号时，就需要使用过零点算法。该算法通常适用于只有一个回波信号，是计算从始波到指定回波之间的距离，为了增加精度，测量点是与X 轴零点交叉的波形，因此叫过零点。过零点校准需要两个不同厚度的工件来校准其声速和探头零位。

5.3 高温测厚法

采用自相关算法和过零点算法校准法仪器设备时，选用的工件温度通常是室温，和现场管道的工件温度不一致，尤其在高温管道测厚时，温度的差异会严重影响超声波传播的速度，增大测厚检测的误差。

在实际检测过程中，开启设备的“温度补偿”功能，纠正温度的改变导致材料声速变化。温度传感器测量的温度数据会实时同步显示，需要注意的是其温度值也可以手动修正。

6 电磁超声测厚结果

6.1 自相关模式测出的厚度值

电磁超声探头通常使用横波（SH 波）来测厚的。当检测的材料是各向异性时，通常回波信号没有严格呈现递减的趋势。在一个极化方向上的横波声速不相同，会导致第二次回波高度低于第一次和第三次回波。如果三个回波都在闸门范围内，那在自相关模式下，则会计算出第一次和第三次回波的平均值，因此就会出现二倍的厚度值。

6.2 解决方案

确保在A 扫描中，闸门仅包含第一次和第二次回波信号，则可避免由于第二次回波信号小于第一次和第三次回波信号造成的误差。

移动闸门位置，包含第二次、第三次、第四次回波信号。如果闸门位于第二次回波信号后，那么第二次回波信号就会小于第三次回波，但由于第二次回波是闸门内出现的第一个回波信号，因此能够准确计算出厚度值。

7 A 扫描波形评价

7.1 缺陷导致的结果误差

电磁超声波能够像常规的压电晶片换能器一样，在金属工件中产生横波和纵波，也会像常规超声波一样在检测中出现缺陷，特别是在比较薄的工件中。常规的超声波测厚仪在检测过程中，如果遇到工件中存有缺陷就会将缺陷的深度误报成工件的厚度，给检测结果带来了不确定性。

而使用电磁超声检测，由于有各类检波的波形图显示，能清楚地分析出实际工件的状况，包括缺陷波和多次底面反射波，在检测厚度的同时，还能查找出工件中的各类缺陷。

7.2 相邻二次底波之间数值误差

超声波波源辐射是以特定的角度向外扩散的，波源附近存在一个未扩散区，在未扩散区波束不存在衰减，此区域波阵面的声压一致，而电磁超声的信噪比和常规压电晶片换能器超声相比要低很多，特别是远场性能较差。在对薄壁管测厚时，尽量选用未扩散区附近的相邻二次底波作为测厚的依据。

8 结语

该技术已在热轧换热器管束测厚、能环部焚烧炉外壁测厚等项目中予以实施，取得了良好效果，可广泛运用于各类工件设备厚度测试。