邓 进，李 兵，刘书宏，魏孔山

（1.中国特种设备检测研究院，北京 100013；2.南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室，南昌 330063；3.化学工业设备质量监督检验中心，兰州 730060）

超声导波与传统超声波技术相比具有两个明显的优势［1］。首先，在构件的一点处激励超声导波，由于导波本身沿传播路径衰减很小的特性，它可以沿构件传播非常远的距离，最远可达几十米。超声导波具有传播距离远、检测范围大的优点，常用于板中的缺陷检测和结构状态评估［2－3］。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。金属储罐常年在自然环境下工作，遭受内含物的侵蚀，不可避免地会受到腐蚀。一旦储罐发生泄漏，将对生产生活产生巨大损失，因此，储罐腐蚀检测显得尤为重要［4］。利用超声导波技术检测管道时具有快速、可靠、经济且无须剥离包覆层的优点。

1 导波检测原理

采用导波进行储罐底板在线检测时，探头在储罐底板外露部分激发Lamb波，并接收底板上缺陷返回的反射波，通过分析处理获得储罐罐底的腐蚀状况［5］。探头激励超声导波，板的整个厚度都在作复杂的振动，根据声波质点振动的特点，导波分为对称（S）型和反对称（A）型，每种型式又可以进一步分成具有不同相速度cp的若干模式，通常用S0，S1，S2，A0，A1，A2表示不同的形式和阶次（即模态）。当超声导波遇到板中的缺陷后，就会出现模态转换现象，并且波形有不同程度频散和衰减。通过对缺陷回波的数值分析和信号处理，可以得到缺陷位置和大小等信息。板中的导波频散方程［6］如下所示：

群速度cg可以由相速度cp得到，如式（2）所示：

式中：cg和cp分别为群速度和相速度。

由上述方程可以得到薄板中各模态的相速度频散曲线和群速度频散曲线。以相速度为自变量，以函数间断点划分求解区域，用Matlab软件可以绘制出导波在钢板中传播时的频散曲线［7］。

不同模态的导波在缺陷的不同板厚处，质点水平垂直振动位移不同，对不同缺陷的检出能力不一样。因此，对于特定的缺陷，可以通过改变入射角、频率等方式激励一定模态的导波。实际探伤中的导波模态是非常复杂的。由于储罐经过长期的使用，经过风吹日晒和储罐内溶液的腐蚀，使得表面粗糙，截面形状不规则，所以在检测中常采用对比试块的方法对储罐进行检测。

2 探头的选择

在采用超声高频导波检测中，依据被检工件厚度选择探头频率和折射角度，见表1。

表1 高频导波探头选择

3 人工试块的研制

试块上加工了不同种类和尺寸的人工缺陷，缺陷信息见表2。

表2 试块人工缺陷参数

图1为试块俯视图，加粗线条部分代表B1，B2，C1，C2四块罐罐壁板。B1壁板厚度为22mm，由高度分别为1 000mm和500mm两部分组成，详见图2，B2，C1，C2厚度和高度均分别为6mm 和100mm；整个试块底板厚度为12mm，底板边缘到壁板焊接部位，预留200mm，用于放置探头。

图1 试块俯视图

图2 B1壁板主视图

在B1和B2壁板侧使用高频导波对五种负载下的试块进行检测，分别为无负载、带油漆、带壁板、带壁板带油漆和带壁板注油，并且研究了不同壁厚的壁板对导波的影响。根据试验结果分析在不同情况下高频导波的检测能力。

4 试验结果与分析

试验采用以色列Isonic 2005便携式声定位多功能超声成像检测系统，如图3所示。试验参数：脉冲重复频率为500Hz，脉冲宽度为155ns，阻尼为1 000Ω，滤波频率为2MHz。图4为不同频率的导波探头。

图3 Isonic 2005检测仪

图4 导波探头

4.1 无负载时高频导波扫查

对没有任何负载的试块在B1侧和B2侧进行检测，试块上所有19个不同尺寸的缺陷回波能量高、轮廓清晰。B1侧（2区）扫查图如图5所示。

图5 B1侧（2区）扫查图谱

4.2 壁板厚度对高频导波影响

试验壁板厚度有两种规格，B1壁板厚度为16mm，其他三个壁板厚度均为6mm。因此厚度对高频导波的影响我们可以通过在B1侧的扫查和B2侧的扫查结果进行对比得出。扫查结果如图6所示。

图6 壁板16mm和6mm的扫查图谱

通过图6分析可以发现，壁板厚的高频导波始波宽度比壁板薄的小，扫查时前端盲区也小。通过此次试验，可以得出结论：壁板越薄对高频导波的衰减越大。

4.3 带壁板无油漆注油缺陷底板扫查

带壁板注油试块实物图如图7所示。高频导波在不同边界条件下的传播特性各不相同，油层改变了高频导波的传播特性，对导波能量有衰减作用。油层使得高频导波始波盲区明显增大，缺陷回波能量减弱，对检测产生不利影响。试验发现，高频导波标准人工缺陷虽然能量减小，但是仍然能清晰显示缺陷。如图8所示。

图7 带壁板注油试块实物

图8 带壁板注油扫查图谱

表3和表4分别表示从B1侧和B2侧扫查的缺陷回波幅值。无负载试块中缺陷均有较强的回波能量，其中槽型缺陷回波能量较大，高频导波对发现此类缺陷有较高的灵敏度。高频导波经过长距离的传播，能量衰减。储罐壁板面积较大，所以在储罐检测中，从不同方向，分多个区对储罐底板进行检测尤为重要。

上述五种不同条件的高频导波对比试验中，油漆、储罐内的溶液，壁板及壁板厚度都对高频导波能量有明显的衰减作用，检测灵敏度下降，增大了检测难度。但是在试验中都能清晰地发现人工缺陷3，4，5，14，15，说明高频导波检测方法能满足对储罐底板的检测，能有效发现储罐底板的腐蚀缺陷。

表3 从壁板B1侧扫查缺陷回波幅值 dB

表4 从壁板B2侧扫查缺陷回波幅值 dB

5 在役检测试验

通过罐体外侧边缘板采用检测T－8401A常压储罐罐底板腐蚀情况。超声高频导波检测部位示意图，如图9所示。

图9 T－8401A罐俯视图

检测时以偏东方向人孔左边为起始点，每450mm为一个扫查区，将整个罐底外侧边缘板分成362个扫查区域。试验发现不同位置，不同深度的2个腐蚀缺陷，如图10所示。

6 结语

超声导波检测法具有单次检测距离远，灵敏度高等特点，能大大缩短检测时间和工作强度，并且提供真实可靠的检测结论。试验发现，油漆、壁板和油对高频导波都有衰减作用，导波频散程度加重，使得缺陷回波能量减小，缺陷图像变得模糊，对储罐底板检测产生不利影响，但是能清晰发现高频导波标准缺陷。在现场检测中，采用高频导波检测技术对储罐底板进行全面探伤，能有效发现储罐底板的腐蚀缺陷。试验证明了高频导波检测技术能满足对储罐底板腐蚀缺陷的检测要求。试验方法和结论对于在役储罐腐蚀类缺陷的超声高频导波检测具有良好的实践指导意义。

图10 T－8401A储罐罐底板腐蚀缺陷导波检测图

［1］ 林远龙，陈虎，祝金丹.常压储罐底板腐蚀状况检测与安全评估方法［J］.设备管理与维修，2010（11）：47－49.

［2］ YE Lu，LIN Ye，ZHONG Qing－Su，et al.Quantitative assessment of through－thickness crack size based on Lamb wave scattering in aluminum plates ［J］.NDT＆E International，2008（41）：59－68.

［3］ CASTAINGS M，HOSTEN B.Lamb and SH waves generated and detected by air－coupled ultrasonic transducers in composite material plates［J］.NDT＆E International，2001（34）：249－258.

［4］ 王启宏，陈虎，竺国荣.常压储罐底板腐蚀及其安全检测技术［J］.无损探伤，2010，34（6）：45－47.

［5］ 肖贤军，刘丽川，刘子厚等.超声导波技术检测储罐底板缺陷［J］.无损检测，2008，30（1）：6－8.

［6］ 刘增华，何存富，吴斌等.利用兰姆波对板状结构中隐蔽腐蚀缺陷的检测［J］.实验力学，2005，02：166－170.

［7］ 李光海.常压储罐检验检测技术法［J］.无损检测，2010，32（7）：509－6.