基于超聲波反射法檢測鋼管腐蝕分布的觀測實驗

目前，鋼管已廣泛應用于流體運輸領域，如石油、天燃氣、水、煤氣、蒸汽等。同時，在制造機械零件和工程結構領域，由于鋼材的高強度等特性，也得到了廣泛應用。為防止鋼管腐蝕并增加其使用壽命，鋼管內外壁一般都涂有防腐層，但是經過長年累月的使用或高溫高壓的使用條件下，鋼管的防腐涂層會逐漸剝落，從而造成鋼材生銹、厚度變薄、鋼材質量逐漸劣化，如果繼續使用，會存有一定的潛在危險。為防止危險事故的發生并有針對性地維修及更換，無損檢測變得尤為重要。超聲波無損檢測技術與其他常規無損檢測技術相比，具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準確、檢測靈敏度高、周期短、成本低、靈活方便、效率高及對人體無害等特點，因此已在醫療、化工及工程探傷等方面得到廣泛應用。本實驗利用超聲波通過介質時在分界面有聲波反射這一特點，對測得的反射信號進行數據化處理，從而能夠用超聲波從鋼管外部檢測其厚度并判斷鋼管壁劣化程度。

1 原 理

利用超聲波測鋼管壁厚度的原理可簡單描述為：超聲波發生器定期發送超聲波，當超聲波通過鋼管和空氣分界面處時會發生反射，發射波經由接收器接收并轉化為電信號，根據電信號計算外壁層和內壁層兩處的反射信號的時間差t，按照式(1)計算，即可檢測出鋼管壁的厚度d：


2 實驗系統

圖1為實驗系統裝置的概略圖。超聲波發生后，用超聲波換能器(探頭)來對超聲信號進行發送和接收，用電子示波器對超聲波反射信號進行波形觀測分析及數據暫存。超聲波在鋼管外壁和內壁兩個層面均有超聲波的反射，檢測點超聲波反射示意如圖2所示。





由于超聲波在遇到空氣時會急劇衰減掉，所以在本實驗中用超聲波耦合劑去除超聲波探頭和鋼管壁間的空氣。

實驗環境如下：

鋼管長度為20 cm；超聲波信號發生器相關參數：PRF為100 Hz；PULSER VOLTAGE為100 V；TRANSDUCER FREQ為15～20 MHz；示波器相關參數：V／DIV為500 mV；s／DIV為500 ns；鋼管中的音速為5 700 m／s。

被測對象如圖3所示，鋼管內部上層生銹。在鋼管上設置20個間距相同的檢測點，為檢驗實驗準確度，先用物理測厚儀測出20個檢測點的實際厚度(見表1)。表1中的數據表明，檢測點1到10之間由于腐蝕的影響，厚度已經變薄。



3 波形分析

在鋼管檢測點得到的超聲波反射信號如圖4所示。