基于超聲波反射法檢測鋼管腐蝕分布的觀測實(shí)驗(yàn)

目前，鋼管已廣泛應(yīng)用于流體運(yùn)輸領(lǐng)域，如石油、天燃?xì)?、水、煤氣、蒸汽等。同時(shí)，在制造機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，由于鋼材的高強(qiáng)度等特性，也得到了廣泛應(yīng)用。為防止鋼管腐蝕并增加其使用壽命，鋼管內(nèi)外壁一般都涂有防腐層，但是經(jīng)過長年累月的使用或高溫高壓的使用條件下，鋼管的防腐涂層會(huì)逐漸剝落，從而造成鋼材生銹、厚度變薄、鋼材質(zhì)量逐漸劣化，如果繼續(xù)使用，會(huì)存有一定的潛在危險(xiǎn)。為防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生并有針對性地維修及更換，無損檢測變得尤為重要。超聲波無損檢測技術(shù)與其他常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測靈敏度高、周期短、成本低、靈活方便、效率高及對人體無害等特點(diǎn)，因此已在醫(yī)療、化工及工程探傷等方面得到廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)利用超聲波通過介質(zhì)時(shí)在分界面有聲波反射這一特點(diǎn)，對測得的反射信號進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，從而能夠用超聲波從鋼管外部檢測其厚度并判斷鋼管壁劣化程度。

1 原 理

利用超聲波測鋼管壁厚度的原理可簡單描述為：超聲波發(fā)生器定期發(fā)送超聲波，當(dāng)超聲波通過鋼管和空氣分界面處時(shí)會(huì)發(fā)生反射，發(fā)射波經(jīng)由接收器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)電信號計(jì)算外壁層和內(nèi)壁層兩處的反射信號的時(shí)間差t，按照式(1)計(jì)算，即可檢測出鋼管壁的厚度d：


2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置的概略圖。超聲波發(fā)生后，用超聲波換能器(探頭)來對超聲信號進(jìn)行發(fā)送和接收，用電子示波器對超聲波反射信號進(jìn)行波形觀測分析及數(shù)據(jù)暫存。超聲波在鋼管外壁和內(nèi)壁兩個(gè)層面均有超聲波的反射，檢測點(diǎn)超聲波反射示意如圖2所示。





由于超聲波在遇到空氣時(shí)會(huì)急劇衰減掉，所以在本實(shí)驗(yàn)中用超聲波耦合劑去除超聲波探頭和鋼管壁間的空氣。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：

鋼管長度為20 cm；超聲波信號發(fā)生器相關(guān)參數(shù)：PRF為100 Hz；PULSER VOLTAGE為100 V；TRANSDUCER FREQ為15～20 MHz；示波器相關(guān)參數(shù)：V／DIV為500 mV；s／DIV為500 ns；鋼管中的音速為5 700 m／s。

被測對象如圖3所示，鋼管內(nèi)部上層生銹。在鋼管上設(shè)置20個(gè)間距相同的檢測點(diǎn)，為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度，先用物理測厚儀測出20個(gè)檢測點(diǎn)的實(shí)際厚度(見表1)。表1中的數(shù)據(jù)表明，檢測點(diǎn)1到10之間由于腐蝕的影響，厚度已經(jīng)變薄。



3 波形分析

在鋼管檢測點(diǎn)得到的超聲波反射信號如圖4所示。