超声波管壁内衬厚度测量技术

杨子正，王新

（1.唐山钢铁集团有限责任公司 设备机动部，河北 唐山063000；2.华北理工大学 轻工学院，河北 唐山063009）

0 引言

在现代社会日常生活生产中，我们经常需要准确地测量出各种刚性或非刚性管材的壁厚，通过对测量得到的数据整体作以处理与分析，来保证生活生产的安全，尤其是针对石油、化工、冶金、船舶行业、油气高压远距离输送工程和航空航天行业等管道壁厚的检测具有更重要的意义。管道内衬是指与外管道不同的一层物质，如自然生成的垢层或人为制造的内套管。由于管道在长期运行后内衬的厚度会发生动态的变化，例如，垢层的生成问题和内套管的腐蚀问题对某些行业使用管材进行输送造成了很大的影响。这些管道问题都会导致壁厚指标发生变化而无法再满足使用要求，因此需要定期或不定期地对管道进行检测，以便有计划、有针对性地对管道进行大修、维修或更换。

1 超声波的斜入射测厚原理

超声波斜入射测厚原理是利用斜探头发射与接收的超声波在介质中的传播特性来测量材料的厚度。超声波测量按工作原理不同分有共振法、干涉法及脉冲反射法等几种。由于脉冲反射法不涉及共振机理，对被测物表面的光洁度要求不高，所以超声脉冲反射法［1］测厚法应用比较广泛。斜入射测厚法实质上是测量超声波脉冲在材料中传播的时间。其原理是用超声波发射探头按一定角度向被测物体发出超声脉冲，此超声脉冲便在被测物体内传播，当传播至被测物体的底面时发生反射，反射回来的超声脉冲又被超声波接收探头接收到，通过显示仪可以将超声波发射探头发出超声脉冲到超声波接收探头接收到反射脉冲所用的时间t比较准确地检测出来，如图1所示。

被测物体的厚度用d表示，超声波与法线的夹角为θ，由于在各种不同介质中声波传播的速度c是常数，所以被测物体的厚度可由（1）式算出

式中：

d－被测物体厚度；

c－超声波速度；

t－超声波从发射到接收回波的时间；θ－超声波与法线的夹角。

超声波斜探头一般分发射探头和接收探头两部分。超声波探头中核心元件是换能器，作为超声换能器，当前常采用的有压电片、激光声器件和电磁声器材，其中又以有压电片的使用最为广泛。压电换能器探头由压电片、楔块、阻尼块、接头等部分组成。压电片受电信号激励可产生振动发射声波（逆压电效应）；当超声波作用于压电片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号（正压电效应）；前者为超声波的发射，后者为超声波的接收。压电片的振动频率即为探头的工作频率［2］。

2 传播特性

超声波垂直入射到2种介面时会发生反射和透射［3］，当超声波垂直入射到2种介质的界面时，一部分能量透过界面进入第2种介质，成为透射波，波的传播方向不变；另一部分能量则被介质反射回来，沿与入射波相反的方向传播，成为反射波。声波这一性质是超声波检测的物理基础。

当超声波以相对于界面入射点法线一定的角度，倾斜入射到2种不同介质的界面时，在界面上会产生反射、折射和波型转换现象入射声波与入射点法线之间的夹角称为入射角。如图2所示。

图2 超声波斜入射波形关系示意图

2.1 反射

如图2所示，当纵波以入射角α倾斜入射到异质界面时，将会在入射波所在的介质Ⅰ中，在界面入射点法线的另一侧，产生与法线成一定夹角αs的反射纵波，入射纵波与反射纵波之间的关系符合几何光学的反射定律。

与光的反射不同的是，当介质Ⅰ为固体时，界面上既产生反射纵波，同时又发生波型转换产生反射横波，即反射后同时产生纵波与横波2种波型。这时，横波反射角与纵波入射角之间的关系与光学中的斯奈尔定律相同：

式中：α―入射角；αs―横波反射角；cL1―纵波在介质Ⅰ中的声速；cs1―横波在介质Ⅰ中的声速。

由于固体中纵波声速总是大于横波声速，有α＞αs。当介质Ⅰ为液体或气体时，则入射波和反射波只能是纵波，且入射角等于反射角。

2.2 折射

当2种介质声速不同时，透射部分的声波会发生传播方向的改变，称为折射。折射声束与界面入射点的法线之间的夹角称为折射角。折射波、入射波与入射点的法线位于同一平面内。纵波入射时，只要介质Ⅱ为固体，则介质Ⅱ 中除与入射波相同的波型的折射波外，在界面发生波型转换而产生与入射波不同波型的折射波。这时，介质Ⅱ 中可能同时存在2种波型：纵波与横波。折射角与入射角之间的关系符合斯奈尔定律：

式中：

βL―纵波折射角；βs―横波折射角；cL2―纵波在介质Ⅱ中的声速；cs2―横波在介质Ⅱ中的声速。折射角相对于入射角的大小和折射波声速与入射波声速的比率有关。同时，由于纵波声速总是大于横波声速，因此βL＞βs。

3 技术方案

根据以上介绍的超声波传播特性，利用脉冲式超声波发射器（纵波），将发射探头放置在a位置处，以入射角θ1斜射进入介质Ⅰ中，一部分经一次界面（介质Ⅰ、Ⅱ界面）反射回介质Ⅰ，最终到达位置b处被接收探头接收到；一部分折射进入介质Ⅱ，进入介质Ⅱ的声波又在二次界面（介质Ⅱ、Ⅲ界面）处一部分发生反射，一部分发生透射进入介质Ⅲ中，反射回介质Ⅱ的声波又在介质Ⅱ、Ⅰ界面处发生折射重新进入介质Ⅰ，最终到达表面位置c处被接收探头接收到。如图3所示。

图3 超声波斜入射测厚示意图

声波传播原理与光传播原理相同，即入射角等于反射角，折射角满足斯奈尔定律：

式中：

θ1―声波入射角；θ2―声波折射角；c1―介质Ⅰ中声速；c2―介质Ⅱ中声速；已知c2时，通过上式可求出θ2。

将接收探头与发射探头保持在同一平面内，待发射探头发射超声波后，移动接收探头沿远离发射探头方向扫查，当移动到位置b时，接收到介质Ⅰ、Ⅱ的界面反射波，记录下声波传递时间t1，继续移动接收探头，当移至位置c时，第二次接收到回波信号，此信号为介质Ⅱ、Ⅲ的界面反射波折射到介质Ⅰ中的声波信号，记录下声波传递时间t2。如图4所示。

图4 脉冲信号示意图

则根据测量结果得出如下结论：

在2次测量过程中，声波在介质Ⅰ中传播的声程相等，即传播时间相同，故声波在介质Ⅱ中传递时间Δt＝t2－t1。

已知介质Ⅱ中声速c时，得介质Ⅱ厚度

4 试验结果与分析

4.1 试验部分

试验使用的试件为壁厚8mm，垢层5mm的带垢钢管道，示波器使用的是美国泰安四通道示波器，探头使用M2标准外夹式斜探头。

4.2 声速测量

查手册知超声波在钢中传播速度为5 920m／s。

垢层中的声速可利用直接测量法来测量，具体步骤如下：

（1）取部分垢层将其制作成适合测量的试样；

（2）测量试样厚度h：用游标卡尺或千分尺进行测量，得h＝5mm；

（3）用示波器和直探头测量两次回波间的间隔时间t，得t＝1.8μs；

（4）按下式计算待测垢层试样的超声波传播速度：

4.3 试验测量

在确定各材料传播声速后，对带垢钢管道进行试验，首先将2个斜探头连接到示波器上，1个作为发射探头，另1个作为接收探头。其中接收探头会接收到由发射探头发射的超声波，接收到的超声波有表面波、一次界面（钢垢界面）反射的纵波和二次界面（垢空气界面）反射的纵波，示波器对这些声信号进行分析处理，在显示屏上显示出这3种波的波形，同时也可得到各自的传播时间，如图5所示，其中tL是表面波传播的时间，t1是一次界面反射波传播时间，t2是二次界面反射波传播时间。

图5 接收波形与传播时间示意图

表面波的传播时间tL与实验结果无关联，故只需记录一次界面反射波传播时间t1和二次界面反射波传播时间t2，并通过技术方案中给出的公式计算得到每组的时间差Δt和垢层厚度H测，测量结果如表1所示。

表1 实验测得的传播时间和厚度值

由表1数据可计算时间差与厚度各自的平均值。

垢层的实际测量厚度为5mm，试验测量厚度值与实际厚度值之间的误差是：

4.4 结果分析

从上述部分测量计算得到的数据值看出，测量的结果存在一定的误差，误差存在的部分原因是示波器系统自身内部运算过程中引入的系统误差和人工测量过程中引入的人为误差，但从每组计算得到的垢层厚度来看，与实际值的偏差范围为0～1.15mm，由此计算得出的误差值在可接受的范围内，故试验测量结果仍具有比较高的可靠性和可信性。

5 结论

（1）试验证明利用超声波斜发射测量垢层厚度具有可行性和可操作性。

（2）与常规测量方法相比较，超声波测量法具有更好的灵活性，测量的数值有更高的可靠性。

（3）超声波测量法测量范围大，基本上不受管径大小的限制。

可以看出，超声波斜发射测量方法具有更高的测量效率，在很多方面与常规测量方法相比有着很大的优越性，这种测量厚度的方法如果可以得到推广应用，将会为整个测量行业带来很大的经济效益和社会效益。

［1］ 李朝青.单片机原理及接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［2］ 李家伟，陈积懋.无损检测手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［3］ 刘佰英.管道超声波流量计研究［D］.沈阳：东北大学，2005.