小径管超声导波探伤的应用研究

    以往的在役小径管无损检测重点放在对焊口的检测上。对于受热面的小径管,由于使用范围大,表面氧化皮锈蚀严重,表面保温、油漆的影响,在检验时只能进行一些宏观的防磨、防爆检验,容易造成缺陷漏检。超声导波是超声波沿管壁传播,它无需表面处理即可进行检测,因此近年来,该技术已在管道检测中得到应用,但多采用电磁超声波探头。本文介绍采用压电晶片探头的超声导波检验技术。

    1　超声导波的基本原理

    超声波在固体介质里传播通常存在横波和纵波2种基本波形。当超声传播介质被局限在一定的边界内,边界就会对超声波产生反复不断的反射,这样就能形成导波。当入射到板中的超声波频率、板厚、速度之间满足一定的关系时,就会在板中产生导波。波在板中传播有2种基本形式:一种是介质点振动方向与板面平行的水平偏振的横波(SH) ;另一种是既有振动方向与板面垂直的横波,又有振动方向与板面平行的兰姆波。从理论上讲表面波、SH波、兰姆波都被称为导波。本文论述重点是作为导波的SH波和兰姆波。

    兰姆波的传播沿着板的2个表面以及中部进行。板表面的振动是纵波与横波成分之和,运动轨迹为椭圆形;板中部质点是以纵波或横波形式振动。SH波是板中介质质点的振动方向与板面平行的横波。兰姆波与SH模式导波相似,按照超声波板内振动位移的分布形态不同,分成对称模式与反对称模式2种形式,对称与反对称兰姆波又分别有一系列不同频散特点的各个阶次模式,从整体上讲各阶模式兰姆波都是频散的,即超声波的相速度随频率不同有所变化。相速度是声波沿着进行线路变更相位的速度,兰姆波和SH波脉冲是多个频率不同的谐波成分的叠加,而各个成分的相速度是不同的,这样就无法用相速度来表示兰姆波和SH波的传播速度,因而规定几个速度相差不多的波在一个物体内传播时,介质中质点振动将是各个波作用的合成,质点合成的最大振幅的传播速度为群速度。兰姆波和SH波的群速度用脉冲波的谐波中振幅最大频率及附近频率成分的群速度表示。

    对工业性超声无损检测,如果管壁比较薄,则可将管壁内的导波近似看作兰姆波,其各模式的频散与位移分布形态与板中的兰姆波非常相似,因此电站锅炉受热面小管均可利用导波进行探伤。

    2　导波模式的选择

     根据导波探伤理论,无论是兰姆波还是SH波均有一系列不同频散特点的各个阶次模式,与普通纵波和横波探伤相比不同的是,兰姆波和SH波的相速度与频率、板厚、透声介质声速及纵波入射角有关,其关系如图1所示。

    由于兰姆波和SH波在板中的传播速度等于其群速度,因此探伤时要考虑的是群速度。根据波形传输理论,波形无畸变传输的条件是在给定的频率范围内,群速度不变。为了防止波形在传播中发生畸变,就要求板波群速度随频率变化比较缓慢的波形。由图1可知,S3型兰姆波的频率与厚度的积在9~12 MHz·mm的范围内趋于平缓,因此选择频率与厚度乘积为10.5 MHz·mm的S3型兰姆波比较合适。