1、1超声导波检验技术超声导波检验技术 河北省电力研究院河北省电力研究院 牛晓光牛晓光2导波guided wave 基本概念 体波：在无限体积均匀介质中传播的波称为体波，体波有两种：一种是纵波（或称疏密波、无旋波、拉压波、P波），一种叫横波（或称剪切波、S波），它们以各自的速度传播而无波形耦合。3Lamb波 位于层中的超声波要经受多次来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波形转换，并且波与波之间会发生复杂的干涉。4Lamb波 板内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播，这样的一个系统称为平板超声波导。在此板状波导中传播的超声波即所谓的
2、板波（也叫Lamb波）。5导波guided wave 板波在波导中传播时，纵波和横波不能独立存在，此时会产生一种与介质断面尺寸有关的特殊波动，称为导波（guided wave）。在板中传输的导波又称为板波，板波中主要型为Lamb波。6导波guided wave 板中的导波示意图图1板中的导波示意图7导波guided wave8谐振发射模式1模式2时间轴图2多模态导波接收波形图3群速度与相速度的关系t2t1ab时间轴910钢管中超声导波三种模态11超声导波的特性 （1）通常的超声波检测中，超声波在无限介质体内传播（波长远远小于工件厚度），远离边界，称之为体波。导波通常以反射和折射的形式与边界发生
3、相互作用经介质边界制导传播，传播中纵波与横波相互间进行模态转换。在数学上虽然体波与导波受同一组偏微分波动方程控制，体波方程解无需满足边界条件，导波方程的解在满足控制方程的同时必须满足实际的边界条件；12超声导波的特性（2）在波的传播过程中体波的模态有限，主要有纵波，横波，表面波等。导波通常在一个有限体中可以存在多种不同的导波模态。（3）导波大多具有频散现象即导波相速度是导波频率的函数，随导波频率变化而变化。13超声导波与传统超声波技术相比具有的优势超声导波与传统超声波技术相比具有的优势 首先，在构件的一点处激励超声导波，由于导波本身的特性(沿传播路径衰减很小)，它可以沿构件传播非常远的距离，最
4、远可达几十米。接收探头所接收到的信号包含了有关激励和接收两点间结构整体性的信息，因此超声导波技术实际上是检测了一条线，而不是一个点。14超声导波与传统超声波技术相比具有的优势超声导波与传统超声波技术相比具有的优势 另一方面，由于超声导波在管(或板)的内、外(上、下)表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个壁厚(板厚)，因此整个壁厚(或板厚)都可以被检测到，这就意味着既可以检测构件的内部缺陷也可以检测构件的表面缺陷。15超声导波与传统超声波技术相比具有的优势超声导波与传统超声波技术相比具有的优势 利用超声导波检测管道时具有快速、可靠、经济且无须剥离外包层的优点，是管道检测新兴的和前沿的一个发展方向
5、。同时，由于压力管道的广泛应用，管道的长距离超声导波快速检测研究近年来受到国内外无损检测学者的极大关注。因此研究超声导波在结构中的激励、接收及应用与缺陷定位等问题，对于导波技术在工程中的应用具有重大的意义。16超声导波主要特征参量 频散 群速度 相速度17超声导波主要特征参量 群速度是指脉冲的包络上具有某种特性（如幅值最大）的点的传播速度，是波群的能量传播速度，是波包的传播速度。相速度是指波中相位固定的波形的传播速度。18发射模式1模式2时间轴图2多模态导波接收波形图3群速度与相速度的关系t2t1ab时间轴19超声导波主要特征参量 图中的1模态导波较2模态导波靠前，则可以认为1模态导波的群速度
6、比2模态导波的群速度大。导波的群速度大并不代表其相速度大，反之导波的相速度大也不意味着其群速度大。导波的声脉冲是一组不同频率正弦波的集合，因此确定其相速度是困难的，一般采用群速度来描述脉冲传播速度。群速度一般指质点合成振动最大振幅的传播速度。20相速度和群速度 超声波频率附近的群速度Cg和相速度Cp为1tlCg1tlCg1tlCg21fd为频率厚度积，f为导波的频率，d为所测试试件的厚度（管壁壁厚）22频散现象 受到波导几何尺寸的影响，在波导中传播的超声波的速度依赖于导波频率，从而产生超声波的几何弥散，即导波的相速度随频率的不同而改变，称之为频散现象。23导波 导波在板中传播有两种基本形式，一
7、种是介质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。因此可知，导波在介质传播过程中介质质点的最基本的振动形式有与波的传播方向相同的纵向振动，也有与波传播方向垂直的横向振动。理论上讲表面波、SH波、兰姆波都被称为导波。24兰姆波和SH波 兰姆波是沿着板的两个表面以及中部传播，板的两个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。25圆管中的超声导波圆管中的超声导
8、波 圆管中的导波分为三种模态：纵向模态（L模态）弯曲模态（F模态）扭曲模态（T模态）。L(n,m)、F(n,m)和T(n,m)表示，其中n和m分别代表周向和径向模态参数，且均为整数。L模态和T模态是轴对称模态，F模态是非轴对称模态。26圆管中的超声导波圆管中的超声导波27同板中的情况一样，经过Helmholts分解，位移场分为纵波及横波两分量的形式28 假定方程解具有谐波谐波形式，且对特定坐标系采用特定的微分算子，求解两波动方程。因而可以得到相应的位移场、应力场及势函数，再代入已知的边界条件就可以得到一个线性方程组 29为了使该线性方程组有解，需要其系数行列式为零。因此，就可以得到一个由系数行
9、列式组成的方程，其基本形式如下30系数 其中Ay是与管径尺寸（内径a、外径b）、材料的Lame常数和、密度、频率及波数k有关的函数。求解该方程就可得到相应的相速度和群速度曲线。31多模态特征 由上述公式可以得出，某一规格、材质的管道在特定频率范围的频散曲线，每一频率至少对应着两个以上的超声波模态并且随频率的增加模态数也跟着增加，这就是导波的多模态特征。32典型导波模态曲线 33典型导波模态曲线 在管道中传播的柱面导波的模态随频率的增大而增加。100kHz以下，大约存在50种模态。轴对称纵向导波L（0，2）模态由于传播速度快，故能比其它模态的导波更快地到达导波接收装置，因此更易于在时域内区分。3
10、4典型导波模态曲线 直探头在激励L（0，2）模态导波的同时还会激励出L（0，1）模态导波，此外所激励的导波在管道中传播时，导波不仅向前向传播，同时也会向后向传播。在某一频率范围内，L（0，2）模式导群速度几乎不随频率的变化而变化,呈一条直线，表明它是非频散的或者说频散程度非常小。同时，L（0，2）模式导波速度曲线位于各曲线的最上部，说明它的速度是最快的。通过综合分析各种模态的位移，可知L（0，2）是最适合管道长距离检测的。3570KHz的L（0，2）模态优点 （1）在此频率附近范围内该模态几乎是非频散的，因而信号形状在传播过程中可保存下来。（2）由于该模态导波传播速度最快，所以任何不希望出现的
11、模态信号都在其后到达，易于在时域内分离出感兴趣的信号。（3）轴向位移分量对于探测圆周开口裂纹的灵敏度起决定作用，该模态在内外表面的轴向位移相对较大，因而对任何圆周位置的内外表面缺陷具有相同的灵敏度，非常适合探测内外表面的缺陷。（4）该模态内外表面的径向位移相对较小，这样使得波在传播过程中能量泄漏较少、传播距离相对较大。36换热器管超声导波检测导波模式及频厚积的选择 37换热器管超声导波检测导波模式及频厚积的选择38（f*d=0.3MHz.mm1.8 MHz.mm）时，L(0,2)模式的群速度最大 频散性最小，群速度随频率的变化很小，信号的包络和幅度在较长距离上保持相对不变。因为该导波模式是速度
12、最快的模式，任何其它模式均落后于此模式到达接收换能器，所以易于在时域上区分该模式，对普通碳钢的频散曲线分析也可得出同样结论。因此，换热器管导波检测选择L(0,2)导波模态。39特定管道的频厚积 热交换器管子导波检测，首先利用导波的频散曲线，选择最佳的导波模式，并根据L（0，2）模式的位移分布、应力分布和总能量密度分布选取用该模式检测特定管道的频厚积。为了在长距离上进行检测使波包幅度保持一定高度，就需要合理选择合适的导波模式、检测的频厚积、激励脉冲频率等，选择是提高检测可靠性的关键所在。40导波探伤步骤 第一步：根据被检测钢材品种计算出（查找出）该钢材的频散曲线；第二步：根据频散曲线选择合适模态
13、；第三步：根据所选模态确定频厚积，再根据频厚积和管道的厚度选择探伤频率；第四步：根据频散曲线确定相速度，根据斯涅儿定律确定探头入射角；第五步：根据频率和入射角制做探头 第六步：制做对比试块：确定探伤灵敏度；41案例分析 科研项目换热管泄漏超声导波探伤工艺研究荣获中国电力科技进步三等奖42换热管泄漏超声导波探伤工艺研究 火力发电厂高压加热器、低压加热器、凝汽器等换热器管通常采用小径薄壁不锈钢管或低合金钢管制成，其直径一般为20mm左右、壁厚12mm及以下。换热器管在运行过程中会由于管材原始制造缺陷、腐蚀、冲刷磨损等原因发生损坏而造成泄漏，导致机组热效率降低或非计划停运。目前尚无较好的检测手段进行
14、换热器管的全面检验。43换热器管超声导波检测探头的研制 能否有效地激励和接收超声导波，主要在于导波探头的设计。44 目前，管道导波检测中所使用的传感器主要有压电传感器（PZT）、磁致伸缩式传感器（MsS）、电磁声传感器（EMAT）、脉冲激光式传感器和PVDF式传感器等。而压电式传感器由于使用方便、价格低廉、灵敏度高等特点而获得了最广泛应用。压电陶瓷传感器根据其结构可分为斜探头、直探头和梳状探头，不同的探头由于结构不同，激励导波的形式和模态也不同。45换热器管超声导波检测探头的研制 结合管道检测周向360全方位检测要求进行选择设计 压电元件及其振动模式 合适的背衬材料及其配比 适当的外型设计使波
15、能够传播到整个管壁周向等。46频散曲线的获得47导波模态的选择 上图我们同时可以看到，在较低频厚积范围内只有2个纵向轴对称模态，L（0，1）和L（0，2），其中L（0，2）模态频散较小,群速度较大，另外L（0，2）模态导波在传播过程中在管内外表面的轴向位移相对较大，径向位移相对较小，在较长距离的传播过程中能量衰减少，而L（0，1）模态由于径向位移相对较大，该模态在传播中能量被管道吸收而迅速衰减。48探头频率的选择 参照频散曲线曲线，频厚积1MHz.mm时即可使的面内位移约为常数。又频厚积不能小于截止频厚积，查相速度频散图，将频厚积选定在0.3MHz.mmfd1MHz.mm范围内。通常超声波检测
16、缺陷的灵敏度会随频率的降低而降低，但对于导波来说，频率的降低对灵敏度的影响不明显。较低频率的导波在管道中能传播更长距离。49入射角的选择 所以为了产生具有相速度Cp的lamb波，最常用的方法仍然使用snell定理计算角度，见式8。=sin-1(Cw/Cp)式(8)式中：为入射角，如图2所示；Cw为楔形材料的纵波波速；Cp为导波在介质中的相速度；由snell定理，计算出的角范围为30.25-30.89 50超声导波探头压电晶片选择 压电优点：1）所用原材料价廉而易得；2）不怕水浸，遇潮不易损坏；3）压电性能优越；4）品种繁多，性能各异，可满足不同的设计要求；5）机械强度好，易于加工成各种不同的形
17、状和尺寸；6）采用不同的形状和不同的电极化轴，可以得到所需的各种振动模式；7）制作工艺较简单，生产周期较短，价格适中。基于压电陶瓷的上述优点，本项目采用锆钛酸铅压电陶瓷作为压电材料，锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT，51 超声导波探头背衬层的选择选择 当电脉冲激励压电元件时，它不但向前方辐射声能，而且还向后方辐射。来自前方的回波信号中包含着被检测管道的信息，是我们对管道缺陷检测和定位的依据。但是从后面反射来的干扰杂波信号需要消除，这了是正是需要设计背衬层的作用之一。此外，如果没有背衬层，压电元件受电激励而振动，当电脉冲停止激励后，压电元件却不会立即停止振动，而是要持续一断时间后才会停止。这样，脉回波
18、持续时间也会很长，从管道中接收到的波形也就会很复杂，使探头的分辨力下降。背衬材料采用环氧树脂和钨粉来配制。52超声导波探头型式设计超声导波探头型式设计背衬材料激励源声楔块保护外壳引线接口半锥角dfacbe图7 内置式导波探头剖面53 超声导波探头半锥角计算 根据三角关系=45-；得出角范围为29.55-29.87，选择29.7，允许0.1正负偏差。图8探头半锥角计算示意图254 垂直入射的超声导波探头 如上图所示，为45时，激励源发出的超声导波在楔块锥角处被反射后垂直进入管中，此时相速度理论上无穷大，很难分离出特定模式的导波，试验部分也验证了该观点。当用该类探头检验同规格的不锈钢管时发现群速度
19、差异很大，查群速度频散曲线图，应该是在检测过程中导波模式不确定,产生的导波模式有时是L(0,1)模式，有时是L(0,2)模式。55试验结论 选择合适的频厚积，可以在换热器管内部激励出超声导选择合适的频厚积，可以在换热器管内部激励出超声导波。波。规格220.5mm、材质为TP317L的钢管，L（0,2）导波模态对应的频厚积应大于0.3MHzmm，试验所用频率为0.7MHz以上、透声楔块半锥角为29.7的导波探头对规格220.5mm、材质为TP317L的钢管进行检验，均可激励出导波。而频率为0.3MHz、透声楔块半锥角为29.7的导波探头对规格220.5mm、材质为TP317L的钢管进行检验，无法
20、激励出导波，其原因在于此时频厚积仅为0.15MHzmm，在该管子频厚积下限下方。56试验结论 与常规超声波不同，导波在传播过程中随距离增与常规超声波不同，导波在传播过程中随距离增加强度衰减很小。加强度衰减很小。激励频率为0.7MHz、透声楔块半锥角为29.7的探头对规格为220.7mm、材质为TP317L长度分别为600mm、2400mm、6000mm的钢管进行端部反射回波测定的数据，6000mm相对于600mm管端头灵敏度回波高度仅下降1.5dB。本次试验所选择最长管段为7000mm，该长度范围管段可以满足导波检测灵敏度要求。57试验结论 超声导波在管内壁灵敏度稍低于管外壁灵超声导波在管内壁
21、灵敏度稍低于管外壁灵敏度。敏度。不同的探头检测的数据均显示，外表面凹槽缺陷的回波稍高于内表面凹槽。这是由于管子内外壁曲率的差异导致内外壁相对轴向功率流密度分布不同，外表面的相对轴向功率流密度在同频厚积下稍高于内侧，故检测时外表面的灵敏度稍高于内表面。58试验结论 相同半锥角、不同频率探头激励的导波的相同半锥角、不同频率探头激励的导波的群速度有差异；不同半锥角的探头激励的群速度有差异；不同半锥角的探头激励的导波群速度差异较大。导波群速度差异较大。透声楔块半锥角相同的探头检测试管时，不同频率探头测得的群速度在一个范围内波动，根据实验数据，透声楔块为29.7的探头的群速度范围在4900-5136范围
22、内；不同半锥角的探头激励的导波群速度有较大差异，同理论值差异也很大。59试验结论 半锥角为半锥角为45的导波探头激励出的导波模式不确定。的导波探头激励出的导波模式不确定。从试验数据分析来看，透声楔半锥角为45、频率为0.3MHz和频率为1MHz的探头测试的群速度与其它别的探头测得的群速度差异较大。理论上，对于同材质的试样，当选用L(0,2)导波模态进行检测时，有关资料提供的群速度约为5200m/s左右，但频率为0.3MHz透声楔半锥角为45的探头进行检测时所测的群速度仅2000m/s左右，和理论数据相差甚远。该类型探头激励的导波理论上相速度无穷大,相速度频谱从零到无穷大，激励不出特定模式的导波
23、，故检测用的导波不是L(0,2)模式的导波。查TP317L材质的群速度频散曲线图，测得的群速度与L(0,1)模式导波的群速度较为接近，很有可能激励出的导波为L（0,1）模式。60试验结论 影响检测效果的关键因素是探头半锥角的影响检测效果的关键因素是探头半锥角的设计和频率的选择设计和频率的选择 试验数据证实，采用透声楔块半锥角为27.9的探头相对于45的半锥角的探头检测效果好，其原因在于设计的29.7半锥角探头激励的导波模态主要是L(0,2)模态。45的半锥角的探头激励导波模态不能确定，波传播的群速度不能确定，无法确定回波反射体位置。61 检验案例-池永滨62探头的选择探头的选择 探头频率的选择探头频率的选择 检测频率一般为0.7MHz1MHz。原则上优先选择1MHz的探头，对于直径大于273mm、壁厚大于30mm且内、外壁腐蚀较严重的管道宜选择较低频率的探头。探头晶片尺寸的选择探头晶片尺寸的选择 对于直径小于等于89mm的管子，应选择812mm2的晶片。对于直径大于89mm的管子，应选择2020mm2的晶片.63扫查方式扫查方式64管样试块形状示意图65导波激励信号导波激励信号66谢谢大家！
