浅谈普通超声波测厚仪在高温界面的应用

程小翠

摘 要：LA-30型超声波测厚仪由于其使用方便、操作简单、价格相对较低的特点，在特种设备检验行业等到了很广泛的应用，但由于其探头晶振片材质原因，不能使用于高温容器表面的壁厚测定，所以解决普通超声波测厚仪不能在高温压力容器表面进行壁厚测定的难题，对节约损耗，降低成本具有一定的现实意义。

关键词：超声波测厚仪;高温测厚

前言：TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中规定，金属压力容器定期检驗项目中，以壁厚测定等项目为主，压力容器金属厚度满足强度要求是压力容器安全保障的基本要求，所以在定期检验中，准确地检测出压力容器壁厚对压力容器最终的安全等级评定尤为重要。随着工业的快速发展，在用压力容器呈现高温、高压、高危害性的特点。对于高温类压力容器，一般检验单位选择使用超声波高温测厚仪进行壁厚测定，但超声波高温测厚仪价格较高，高温耦合剂易损耗，故研究如何使用普通超声波测厚仪在高温界面进行壁厚测定存在一定现实意义。

一、超声波测厚仪测厚原理

超声波测厚仪是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。

测厚仪发射始脉冲波，t时间后第一次底面反射回波被接收到，两者的时间差乘以声速，再除以2，就是超声波在工件一个单程传递的路程，即厚度值。

由于超声波在空气中难以传播，因此探头与被测面之间必须涂抹耦合剂、“挤掉”空气间隙，使超声波有效地传播进入被测件内部，并获得底面的反射号。该反射信号必须足 够稳定、明确、清晰，仪器才能辨识并进行计算，从而显示厚度值。

二、超声波在异质界面的传播规律

测厚仪发射始脉冲波，由一种界面传播到另外一种界面，所以弄清楚超声波在异质界面的传播规律是改变传统容器壁厚测定方法的前提。

超声波是超声振动在介质中的传播，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。把充满超声波的空间，或在介质中超声振动波及的质点所占据的范围称为超声场。声压、声强、声阻抗是描述超声场特征的几个重要物理量，也就是超声场的特征量。

超声波在界面发生折射的能量分别用声强反射率R1和声强透射率T1表示，同时也用声压反射率R和声压透射率T来表示超声波传播特性。

超声波垂直入射到单一平界面上，超声波垂直入射界面时产生一个与入射方向相反的反射波，和一个与入射波同方向的透射波，而波型没有改变。

用角标i、r和t分别表示入射、反射和折射。在垂直入射时介质两侧声波必须满足两个边界条件：①一侧总声压等于另一侧总声压：Pi+Pr=Pt ②两侧质点速度振幅相等，保持连续性：Vi+Vr=Vt

式中 Pi=ρ1C1Vi=Z1Vi

Pt=C2ρ2Vt=Z2Vt

Pr=-ρ1C1Vr=-Z1Vr

所以 公式一

公式二

其中R称为声压反射率，T称为声压透射率，Z称为声阻抗，Pr为反射声压振幅，Pt为透射声压振幅，Pi为入射声压振幅。

三、改变普通探头与高温容器表面接触方式的可行性分析

经上分析，由公式一、二知：①Z1<Z2时，入射声压和反射声压同相位，界面上反射波与入射波叠加类似驻波，故透射声压相当于入射声压和反射声压之和，如水/钢界面。②Z1>Z2时，入射和反射声压反相，总声压相抵消而减小，故透射声压很小，如钢/水界面。③Z1>>Z2时，声压（声强）几乎全反射，透射率趋于0，如钢/空气界面。④Z1≈Z2时，反射率R≈0，T≈1，声波基本不发生反射，全部透射。

故表明，在第④种声波全透射情况下，当满足Z（外加特制垫片）≈Z（待测高温容器），可以实现普通测厚仪在高温容器表面的应用。（实际壁厚测定时外加特制垫片的使用如下图）

四、总结

在实际检验的壁厚测定中，我们可以根据被检容器材质的不同，预先制备相同或者相近材质的特制垫片（厚度尽量薄），并且在壁厚测定过程中，保证探头与垫片之间、垫片与待测容器表面间的良好耦合，基本可以实现普通测厚仪对高温容器进行壁厚测定。

参考文献

[1]郑晖，林树青.超声检测.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.