基于超声导波的压力容器检测技术研究

孙瞳

摘 要：压力容器是工业生产中的常用设备，在长期服役过程中容易发生泄漏事故。压力容器一旦发生泄漏将会带来巨大的损失和危害，因此，压力容器的缺陷检测十分必要。本文采用超声导波检测技术实现对压力容易的在线检测，通过采集超声导波的回波信号，对采集的缺陷信号进行分析，从而判断压力容器是否存在缺陷。

关键词：超声导波;压力容器;检测

随着我国生产能力和规模的不断加强，压力容器的使用日益普及，应用领域从存储、运输带压的气体和液体，不断扩展到核动力装置、高压反应器、核反应堆等众多领域内，我国的航天以及深水事业的发展也将促进对压力容器的使用需求。压力容器器壁承受着巨大的压力，如果发生泄漏，不仅会带来巨大的浪费，还会严重威胁人员的生命安全。本文基于超声导波检测技术对压力容器进行泄露检测，通过对采集的泄露信号的分析判断其是否存在缺陷，建立一套快速定位的压力容器检测系统。

1 超声导波技术原理

当弹性介质中某个质点在受力作用下发生振动，相邻点会受到相同大小，方向相反的弹性力，从而使得他们在各自平衡位置附近的振动，导致振动以一定的速度传播，形成机械波。超声导波可以理解为传播状态受到容器工件几何形状约束的机械波。超声导波最为重要的传播特性包括频散特性和多模态特性：频散特性指当导波频率发生变化时，导波的群速度和相速度也会随之发生变化，导波材料本身的物理特性以及波导的结构尺寸都会引发超声导波的频散;多模特性是指同一频率下存在多种模态的导波，通常可以划分为纵向模态，扭转模态和弯曲模态。

2 超声导波传感器

超声导波检测过程中，超声导波换能器即传感器起到了关键性作用，传感器实现了声场信号到电信号的转变，只有电信号才能被专用数据采集设备采集。超声导波在试件传播过程中遇到缺陷时会发生反射和散射，超声波传感器接收到声场信号后转变为电信号。超声导波波传播过程中遇到容器缺陷，使得最终接受到的信号的能量变小，边界反射波的幅值也会变小。

本文采用压电超声导波传感器，基于压电式超声导波传感器的使用需求，选用PZT-SA压电复合材料作为压电式超声兰姆波传感器的压电材料。背衬与压电材料的固定通用焊锡焊接、环氧树脂粘合等方式来实现。采用618环氧树脂粘结背衬，粘结剂固化速度快，操作简单。

3 基于超声导波的检测系统硬件设计

基于超声导波的压力容器检测采集设备由数据采集卡、信号前端调理模块、DC-DC模块、USB端口等组成。数据采集卡采集超声导波在压力容器检测过程中的回波信号，信号前端调理模块负责对采集的信号进行隔离和放大，DC-DC模块实现电压转换，为采集卡及信号调理模块提供电源，USB端口可以实现采集数据的高速传输，为压力容器缺陷检测提供数据基础。本文设计的超声导波检测系统数据采集通道为8通道，单通道的采集速度可达4MHz，根据不同的检测需求可以设置适当的采集速度和存储深度。

数据采集卡是多通道超声导波检测系统的关键，为了实现对压力容器检测的准确分析定位，高精度和稳定性的数据采集卡是其关键，本文采用12bit精度，单通道4MHz采集速度采集卡，输入量程±5V，±1V，支持中間触发、

后触发和延时触发方式，系统测量精度5%，信噪比65.7dB。

4 压力容器缺陷检测实例分析

压力容器在长期服役过程中，受到环境和介质等影响，容易发生腐蚀缺陷，其缺陷形式表现为均匀腐蚀、点状腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀。以圆柱体压力容器为例，首先将容器进行区域划分，将容器分为16个区域，对每个区域进行超声导波缺陷检测，首先对容器表面进行清洁处理，除去表面的漆层，将表面打磨干净，然后将自研的超声导波传感器均匀分布在压力容器表面，采集超声导波回波数据，如图1所示。

超声导波信号采集系统采集的信号包括超声导波的始波信号、缺陷回波信号以及板端回波信号，通过对采集信号进行分析可得，本压力容器存在缺陷，然后对压力容器进行开罐处理，观察发现容器出现了点状腐蚀孔，与采集的回波缺陷信号相符。

5 总结

超声导波信号在金属结构中以超声导波形式进行传播，传播范围广，利用超声导波在压力容器中的传播特性，对压力容器进行缺陷检测，可以实现对压力容器缺陷的在线评估。

参考文献：

[1]王佳强.基于超声导波的压力容器气体泄漏定位技术研究[D].天津：天津大学，2017.

[2]张兰.超声导波在高压蒸汽管道缺陷检测中的应用[J].压力容器，2012，29（11）：69-72.