核电压力管道表面粗糙度对超声波测厚数据的影响

梁鹏飞，张继荣，匡立中，王 勤

（苏州热工研究院有限公司，苏州 215004）

核电厂的压力管道在使用过程中，其整体或局部会受到冲蚀、磨损等作用，而导致管壁逐渐减薄［1］。对其进行役前及在役壁厚检测，不但可以获取完整详实的在役期间管道壁厚变化数据，而且能够及时预防严重局部减薄造成的安全隐患。因此压力管道的测厚工作一直被作为管道定期检测时的主要检测项目之一。笔者分析了导致压力管道超声波测厚过程中数据发生异常的原因，并重点分析了管壁外表面粗糙度对超声波测厚结果的影响。

1 超声测厚仪检测原理

测厚仪采用的方法主要有共振法、干涉法及脉冲回波法。现在主要采用的是脉冲回波法［2］。超声波测厚探头与被测管道的表面通过耦合剂相接触，在测厚仪控制下，由探头晶片发射超声脉冲，该超声脉冲通过耦合剂进入管道后被内壁反射回来，继而被接收探头接收。

设声波在管壁中的传播速度为v，从发射声波到接收到回波的时间间隔Δt，则管道的壁厚值d 为［3］：

2 超声测厚仪指示值异常原因分析

管道超声波测厚工作中，有时超声波测厚仪指示值会显示异常，如测厚仪无数据显示、显示值与管道壁厚相比明显偏大或偏小等。造成指示值异常主要有现场操作、管道材质以及管道表面粗糙度等因素的影响［4］。

2.1 现场操作因素

在现场操作中，造成指示值异常的原因主要有以下几种：

（1）耦合剂涂抹不均匀或有气泡存在。这会造成探头与管道表面耦合效果变差，声波无法通过耦合剂进入到管壁中，从而导致指示值异常。比如在测厚工作中，测厚仪读数经常会异常显示为0～1.5mm之间，就是由于这种原因造成的。

（2）探头摆放不正。特别是有些管道本身管径较小时，非常容易导致探头表面与管道表面接触不良，导致声强透射率低，指示值闪烁不稳。

（3）探头表面发生磨损。常规超声探头表面为树脂材料，长时间使用后会导致表面发生磨损，致使声波衰减增加，灵敏度下降。

（4）测厚仪未进行校准或材料声速设置不正确。在测厚前和测厚结束后，以及测厚仪工作一段时间后均需要对测厚仪进行校准，并且正确设置被测管道材质的声速，否则就会造成示值异常。

2.2 管道材质因素

管道材质方面有以下几个原因会造成指示值异常：

（1）被测管道内表面有较多的腐蚀凹坑。这会使超声波在管道内表面发生散射衰减，导致指示值异常。

（2）被测管道内有较厚的沉积物。这时测厚仪指示值可能会显示为壁厚加沉积层厚度。

（3）管壁内部存在缺陷。当管壁中存在如夹杂、夹层等缺陷时，声波会发生严重的散射衰减，导致指示值失真。当缺陷较大时，测厚仪还可能会将缺陷处的回波当做内壁回波处理，致使读数变小［5］。

（4）管道材质劣化。当管道材质发生劣化，比如氢蚀后，自身声速会发生变化，导致测厚仪指示值失真。

2.3 管道表面粗糙度因素

管道外表面粗糙度过大会导致探头与管道表面耦合效果变差，声波在管道表面散射增加，反射回波降低，甚至接收不到稳定的回波信号，导致测厚仪指示值异常。

3 表面粗糙度对测厚数据的影响

由于管道表面粗糙度的影响，稳定的读数实际上仍然是有偏差的［3］。为了进一步试验表面粗糙度对测厚数据的影响，制作了5种不同粗糙度的不锈钢制试样，表面粗糙度Rz分别为：5.6，98.5，214.9，308.7，446.2μm，各试样均为30mm 宽、15mm高，且下表面均光滑。使用的探头标称频率分别为10，15，20MHz，均为点聚焦探头，采用水浸耦合，测厚方法如图1所示。

图1 试样测厚示意

下面采集5种不同粗糙度试样在3种探头测试下的底面回波，并对其进行了分析处理［6］。图2所示是不同频率下，不同粗糙时各试样底面回波的脉冲宽度变化情况。

图2 不同频率，不同粗糙度时底面回波的脉冲宽度

从图2中可以看到，试样表面粗糙度对底面回波的脉冲宽度影响非常大，特别是粗糙度为214.9μm的试样底面回波宽度最大。回波脉冲展宽主要是因为其在管道表面发生了散射，当超声波波长远大于表面粗糙度尺寸时属于瑞利散射，这时散射强度较小；当粗糙度尺寸与超声波波长相当时属于米氏散射，其散射强度与粗糙度尺寸有关，散射情况复杂，散射强度大［7］。

笔者所使用三种探头的超声波波长在100～300μm之间，所以当Rz不大于214.9μm时，则随着粗糙度的增加，散射增大，脉冲宽度随之变宽；当Rz不小于214.9μm时，则随着粗糙度的增加，散射反而减弱。

图3是不同频率，不同粗糙度时底面回波波峰与初始脉冲时间差的变化情况。

图3 不同频率，不同粗糙度下底面回波与初始脉冲的时间差

由图3可以看到，在三种频率下，随着试样粗糙度增大，底面回波波峰与初始脉冲时间差均逐渐增大。因此声波入射到粗糙表面不同高低的位置，致使其在样品中传播声程不同是造成上述结果的主要原因。在粗糙度增大的情况下，声波入射到表面凹陷处时比入射到凸出处传播的声程更长，水的声速小于钢的声速，因而造成了波峰位置在时间轴线上相应的后移。

4 结论

（1）在核电压力管道超声波测厚过程中，由于现场操作不当、管道材质具有缺陷以及表面粗糙度过大等，均有可能导致测厚数据异常。因此在检测中要进行规范操作，在测厚仪读数异常时应更换检测位置，清理表面污渍后重新进行检测。

（2）在表面粗糙度较大的情况下，即使能够获得稳定的测厚回波信号，回波也会发生展宽致使波峰辨识度降低，测厚结果准确度下降；同时回波波峰也会发生延迟，从而进一步导致测厚结果偏离准确值。因此在测厚时要特别注意被检工件的表面粗糙度情况，尽量选择平整光滑的表面进行检测，必要时应打磨处理后，再进行测厚。

［1］廖民飞，史素梅.探讨管道壁厚准确测量方法［J］.控制与测量，2000（3）：43－44.

［2］SHUTTLEWORTH P，MAUPIN J，TEITSMA A.Gas coupled ultrasonic measurement of pipeline wall thickness［J］.Pressure Vessel Technol，2005，127（3）：290.

［3］柯细勇，王占元，杨剑锋，等.一种新型便携超声波测厚仪的设计［J］.传感器与微系统，2011，30（12）：119－125.

［4］张建中，时耿海.超声波测厚中指示值失真原因分析［J］.无损探伤，2007，31（1）：34－35.

［5］于宝虹，罗云东，邵志航.在役金属管道壁厚检测方法的应用性分析［J］.炼油与化工，2005，16（2）：34－35.

［6］林莉，李喜孟.超声波频谱分析技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，2009：65－76.

［7］朱哲民，龚秀芬，杜功焕.声学基础［M］.南京：南京大学出版社，2001：388－414.