梁鵬飛，張繼榮，匡立中，王 勤

（蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004）

核電廠的壓力管道在使用過程中，其整體或局部會(huì)受到?jīng)_蝕、磨損等作用，而導(dǎo)致管壁逐漸減?。?］。對(duì)其進(jìn)行役前及在役壁厚檢測(cè)，不但可以獲取完整詳實(shí)的在役期間管道壁厚變化數(shù)據(jù)，而且能夠及時(shí)預(yù)防嚴(yán)重局部減薄造成的安全隱患。因此壓力管道的測(cè)厚工作一直被作為管道定期檢測(cè)時(shí)的主要檢測(cè)項(xiàng)目之一。筆者分析了導(dǎo)致壓力管道超聲波測(cè)厚過程中數(shù)據(jù)發(fā)生異常的原因，并重點(diǎn)分析了管壁外表面粗糙度對(duì)超聲波測(cè)厚結(jié)果的影響。

1 超聲測(cè)厚儀檢測(cè)原理

測(cè)厚儀采用的方法主要有共振法、干涉法及脈沖回波法。現(xiàn)在主要采用的是脈沖回波法［2］。超聲波測(cè)厚探頭與被測(cè)管道的表面通過耦合劑相接觸，在測(cè)厚儀控制下，由探頭晶片發(fā)射超聲脈沖，該超聲脈沖通過耦合劑進(jìn)入管道后被內(nèi)壁反射回來，繼而被接收探頭接收。

設(shè)聲波在管壁中的傳播速度為v，從發(fā)射聲波到接收到回波的時(shí)間間隔Δt，則管道的壁厚值d 為［3］：

2 超聲測(cè)厚儀指示值異常原因分析

管道超聲波測(cè)厚工作中，有時(shí)超聲波測(cè)厚儀指示值會(huì)顯示異常，如測(cè)厚儀無(wú)數(shù)據(jù)顯示、顯示值與管道壁厚相比明顯偏大或偏小等。造成指示值異常主要有現(xiàn)場(chǎng)操作、管道材質(zhì)以及管道表面粗糙度等因素的影響［4］。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)操作因素

在現(xiàn)場(chǎng)操作中，造成指示值異常的原因主要有以下幾種：

（1）耦合劑涂抹不均勻或有氣泡存在。這會(huì)造成探頭與管道表面耦合效果變差，聲波無(wú)法通過耦合劑進(jìn)入到管壁中，從而導(dǎo)致指示值異常。比如在測(cè)厚工作中，測(cè)厚儀讀數(shù)經(jīng)常會(huì)異常顯示為0～1.5mm之間，就是由于這種原因造成的。

（2）探頭擺放不正。特別是有些管道本身管徑較小時(shí)，非常容易導(dǎo)致探頭表面與管道表面接觸不良，導(dǎo)致聲強(qiáng)透射率低，指示值閃爍不穩(wěn)。

（3）探頭表面發(fā)生磨損。常規(guī)超聲探頭表面為樹脂材料，長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)導(dǎo)致表面發(fā)生磨損，致使聲波衰減增加，靈敏度下降。

（4）測(cè)厚儀未進(jìn)行校準(zhǔn)或材料聲速設(shè)置不正確。在測(cè)厚前和測(cè)厚結(jié)束后，以及測(cè)厚儀工作一段時(shí)間后均需要對(duì)測(cè)厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)，并且正確設(shè)置被測(cè)管道材質(zhì)的聲速，否則就會(huì)造成示值異常。

2.2 管道材質(zhì)因素

管道材質(zhì)方面有以下幾個(gè)原因會(huì)造成指示值異常：

（1）被測(cè)管道內(nèi)表面有較多的腐蝕凹坑。這會(huì)使超聲波在管道內(nèi)表面發(fā)生散射衰減，導(dǎo)致指示值異常。

（2）被測(cè)管道內(nèi)有較厚的沉積物。這時(shí)測(cè)厚儀指示值可能會(huì)顯示為壁厚加沉積層厚度。

（3）管壁內(nèi)部存在缺陷。當(dāng)管壁中存在如夾雜、夾層等缺陷時(shí)，聲波會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的散射衰減，導(dǎo)致指示值失真。當(dāng)缺陷較大時(shí)，測(cè)厚儀還可能會(huì)將缺陷處的回波當(dāng)做內(nèi)壁回波處理，致使讀數(shù)變小［5］。

（4）管道材質(zhì)劣化。當(dāng)管道材質(zhì)發(fā)生劣化，比如氫蝕后，自身聲速會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)厚儀指示值失真。

2.3 管道表面粗糙度因素

管道外表面粗糙度過大會(huì)導(dǎo)致探頭與管道表面耦合效果變差，聲波在管道表面散射增加，反射回波降低，甚至接收不到穩(wěn)定的回波信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)厚儀指示值異常。

3 表面粗糙度對(duì)測(cè)厚數(shù)據(jù)的影響

由于管道表面粗糙度的影響，穩(wěn)定的讀數(shù)實(shí)際上仍然是有偏差的［3］。為了進(jìn)一步試驗(yàn)表面粗糙度對(duì)測(cè)厚數(shù)據(jù)的影響，制作了5種不同粗糙度的不銹鋼制試樣，表面粗糙度Rz分別為：5.6，98.5，214.9，308.7，446.2μm，各試樣均為30mm 寬、15mm高，且下表面均光滑。使用的探頭標(biāo)稱頻率分別為10，15，20MHz，均為點(diǎn)聚焦探頭，采用水浸耦合，測(cè)厚方法如圖1所示。

圖1 試樣測(cè)厚示意

下面采集5種不同粗糙度試樣在3種探頭測(cè)試下的底面回波，并對(duì)其進(jìn)行了分析處理［6］。圖2所示是不同頻率下，不同粗糙時(shí)各試樣底面回波的脈沖寬度變化情況。

圖2 不同頻率，不同粗糙度時(shí)底面回波的脈沖寬度

從圖2中可以看到，試樣表面粗糙度對(duì)底面回波的脈沖寬度影響非常大，特別是粗糙度為214.9μm的試樣底面回波寬度最大?；夭}沖展寬主要是因?yàn)槠湓诠艿辣砻姘l(fā)生了散射，當(dāng)超聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于表面粗糙度尺寸時(shí)屬于瑞利散射，這時(shí)散射強(qiáng)度較?。划?dāng)粗糙度尺寸與超聲波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)屬于米氏散射，其散射強(qiáng)度與粗糙度尺寸有關(guān)，散射情況復(fù)雜，散射強(qiáng)度大［7］。

筆者所使用三種探頭的超聲波波長(zhǎng)在100～300μm之間，所以當(dāng)Rz不大于214.9μm時(shí)，則隨著粗糙度的增加，散射增大，脈沖寬度隨之變寬；當(dāng)Rz不小于214.9μm時(shí)，則隨著粗糙度的增加，散射反而減弱。

圖3是不同頻率，不同粗糙度時(shí)底面回波波峰與初始脈沖時(shí)間差的變化情況。

圖3 不同頻率，不同粗糙度下底面回波與初始脈沖的時(shí)間差

由圖3可以看到，在三種頻率下，隨著試樣粗糙度增大，底面回波波峰與初始脈沖時(shí)間差均逐漸增大。因此聲波入射到粗糙表面不同高低的位置，致使其在樣品中傳播聲程不同是造成上述結(jié)果的主要原因。在粗糙度增大的情況下，聲波入射到表面凹陷處時(shí)比入射到凸出處傳播的聲程更長(zhǎng)，水的聲速小于鋼的聲速，因而造成了波峰位置在時(shí)間軸線上相應(yīng)的后移。

4 結(jié)論

（1）在核電壓力管道超聲波測(cè)厚過程中，由于現(xiàn)場(chǎng)操作不當(dāng)、管道材質(zhì)具有缺陷以及表面粗糙度過大等，均有可能導(dǎo)致測(cè)厚數(shù)據(jù)異常。因此在檢測(cè)中要進(jìn)行規(guī)范操作，在測(cè)厚儀讀數(shù)異常時(shí)應(yīng)更換檢測(cè)位置，清理表面污漬后重新進(jìn)行檢測(cè)。

（2）在表面粗糙度較大的情況下，即使能夠獲得穩(wěn)定的測(cè)厚回波信號(hào)，回波也會(huì)發(fā)生展寬致使波峰辨識(shí)度降低，測(cè)厚結(jié)果準(zhǔn)確度下降；同時(shí)回波波峰也會(huì)發(fā)生延遲，從而進(jìn)一步導(dǎo)致測(cè)厚結(jié)果偏離準(zhǔn)確值。因此在測(cè)厚時(shí)要特別注意被檢工件的表面粗糙度情況，盡量選擇平整光滑的表面進(jìn)行檢測(cè)，必要時(shí)應(yīng)打磨處理后，再進(jìn)行測(cè)厚。

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［6］林莉，李喜孟.超聲波頻譜分析技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：65－76.

［7］朱哲民，龔秀芬，杜功煥.聲學(xué)基礎(chǔ)［M］.南京：南京大學(xué)出版社，2001：388－414.