傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法因其效率低，難以發(fā)現(xiàn)特殊位置及特殊狀態(tài)時(shí)設(shè)備和零件的缺陷等制約了其發(fā)展。近年來(lái)新型的爬波檢測(cè)技術(shù)以其高效和可發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷的特點(diǎn)引起了人們的關(guān)注。文章介紹爬波檢測(cè)厚壁管內(nèi)壁缺陷的原理、研究步驟、研究的目的和意義、市場(chǎng)需求前景、創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)水平。

1爬波檢測(cè)的原理

傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法因其效率低，難以發(fā)現(xiàn)特殊位置及特殊狀態(tài)時(shí)設(shè)備和零件的缺陷等制約了其發(fā)展。近年來(lái)新型的爬波檢測(cè)技術(shù)以其高效和可發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷的特點(diǎn)引起了人們的關(guān)注，但是在許多文獻(xiàn)中并沒(méi)有詳細(xì)的介紹爬坡原理，而是把它講的非常抽象復(fù)雜難懂。

爬波：在第一臨界角產(chǎn)生的并以縱波沿表面?zhèn)鞑サ牟āＥ啦ǖ漠a(chǎn)生通常是超聲波由聲速小的介質(zhì)向聲速大的介質(zhì)中入射，當(dāng)超聲縱波的折射角為90°時(shí)，產(chǎn)生爬波。然而爬波爬不遠(yuǎn)。如圖1所示，當(dāng)αL=αⅠ時(shí)，折射縱波聲軸折射角β=900。殘留在第二介質(zhì)的“爬波”的最小折射角約為80度左右，它們與折射縱波聲軸夾角大約為100，接近零值半擴(kuò)散θo，聲壓自然很低；再加上第二界面的分散折射，使折射波線向各方向上的聲壓普遍降低，這是爬波可檢測(cè)距離很小、爬不遠(yuǎn)的原因。據(jù)說(shuō)，“爬波”的回波波幅，與始脈沖幅度之間，可能有與距離4次方成反比的關(guān)系。

而在此研究中，超聲波從鋼中向空氣中入射，在弧形的介質(zhì)界面上產(chǎn)生爬波。這種現(xiàn)象的提出較少出現(xiàn)在文獻(xiàn)中，其可靠性和轉(zhuǎn)換機(jī)制需要進(jìn)一步研究。另外，爬波的檢測(cè)范圍較短，其靈敏度能否滿足檢測(cè)要求，都需在標(biāo)準(zhǔn)試塊上進(jìn)行核實(shí)。

2研究步驟

2.1研究厚壁管內(nèi)壁上超聲體波向爬波的轉(zhuǎn)換機(jī)制

首先利用數(shù)值方法模擬超聲波在厚壁管內(nèi)的傳播過(guò)程，明確傳播過(guò)程中超聲波的屬性，觀察超聲體波在內(nèi)壁上轉(zhuǎn)換為爬波的現(xiàn)象。然后，利用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)觀察特征信號(hào)和回波信號(hào)，得到超聲波的傳播速度來(lái)判定超聲波的屬性。最后，通過(guò)幾何聲學(xué)理論確認(rèn)爬波的轉(zhuǎn)換機(jī)制。

2.2設(shè)計(jì)超聲波在厚壁管內(nèi)壁上傳播的幾何聲路

為了使超聲體波在內(nèi)壁上能夠轉(zhuǎn)換為爬波，超聲體波在內(nèi)壁上的入射角應(yīng)確保在一定的數(shù)值內(nèi)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和幾何聲學(xué)理論，設(shè)計(jì)出合理的入射角度，并在標(biāo)準(zhǔn)試塊上進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3研制爬波檢測(cè)用超聲探頭

為了研制出較好性能的爬波探頭，需要優(yōu)選出匹配的探頭參數(shù)：頻率、入射角度、晶片尺寸等。首先，利用有限元方法找出參數(shù)的大致范圍，然后利用正交試驗(yàn)的方法制作一批探頭，在標(biāo)準(zhǔn)試塊上確定出最優(yōu)的參數(shù)組合。

3研究的目的、意義

厚壁管也稱厚壁鋼管，把鋼管外徑和壁厚之比小于20的鋼管稱為厚壁鋼管。石油、化工、電力等行業(yè)中存在著大量的厚壁管，這些管道起著輸送介質(zhì)、傳導(dǎo)能量的作用。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，會(huì)逐漸出現(xiàn)腐蝕坑、裂紋、點(diǎn)蝕群等缺陷。一旦厚壁管出現(xiàn)破裂或失效，將會(huì)造成重大的安全事故。厚壁管道的常規(guī)超聲檢測(cè)方法需要逐點(diǎn)掃查被檢工件，導(dǎo)致工作量巨大，效率低下，成本高，甚至有些部位由于探頭無(wú)法接觸到導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)，所以利用傳統(tǒng)超聲方法很難實(shí)現(xiàn)快速、可靠、全面的檢測(cè)。因此，急需一種新的無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)解決厚壁管內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)難題。

爬波又稱為表面下縱波，是縱波以第一臨界角入射時(shí)在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的一種非均勻波。由于這種波傳播時(shí)，大部分能量主要集中在表面下某個(gè)范圍內(nèi)，且不同于表面波，對(duì)工件表面粗糙度不敏感，因此適用于檢測(cè)粗糙表面下的缺陷。本課題提出在厚壁管外側(cè)激勵(lì)出在內(nèi)壁上傳播的爬波檢測(cè)技術(shù)，具有長(zhǎng)距離、對(duì)表面和近表面缺陷敏感的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地實(shí)現(xiàn)快速、全面的厚壁管內(nèi)壁缺陷檢測(cè)。超聲體波在弧形表面轉(zhuǎn)換為爬波的機(jī)制鮮有研究，仍是一個(gè)新穎的、前沿的研究課題，具有重大的工程和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

4市場(chǎng)需求前景

厚壁管常見(jiàn)于鍋爐給水管道、主蒸汽管道、再熱器冷段和熱段管道等，在化工廠和電廠中占較大的比例。一旦厚壁管出現(xiàn)破裂或失效，將會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)和安全事故。如：元寶山熱電廠2#機(jī)組投入運(yùn)行的10年期間，共發(fā)生泄漏160次，其中厚壁管泄漏125次，占總泄漏的78.1%。又如：2012年佛山市某公司1臺(tái)SHFx20-2.45/400PII型鍋爐發(fā)生水冷壁管爆管事故，事故間接造成1人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)30余萬(wàn)元，并使該公司停產(chǎn)一周。另外，“四管”泄漏爆管是造成機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因，在火電廠鍋爐運(yùn)行中，鍋爐四管的泄漏和爆破約占到各類事故總數(shù)的30%，有的機(jī)組甚至高達(dá)50%-70%的比例，由此造成火電廠機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)增加，且?guī)��?lái)相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)損失，對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行威脅極大，嚴(yán)重威脅著鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。珠海寶塔石化有限公司、華峰石化有限公司等幾乎所有化工廠都有很多厚壁管道，這些都是本課題的需求前景和應(yīng)用領(lǐng)域。因此，將爬波技術(shù)應(yīng)用于厚壁管內(nèi)壁缺陷的快速檢測(cè)，不僅將是一項(xiàng)創(chuàng)新的、應(yīng)用前景廣闊的成果，而且還富含著重大的經(jīng)濟(jì)和理論價(jià)值。

5創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)水平

創(chuàng)新點(diǎn)：（1）將爬波技術(shù)應(yīng)用于厚壁管的內(nèi)壁缺陷檢測(cè)中；超聲波在內(nèi)壁上轉(zhuǎn)變?yōu)榕啦ǖ穆晫W(xué)理論尚未完全明晰，仍需進(jìn)一步研究；（2）研制了一款在厚壁管外壁激勵(lì)，在內(nèi)壁形成爬波的超聲探頭：該探頭根據(jù)被檢厚壁管的幾何尺寸和爬波的轉(zhuǎn)變機(jī)制研制，可檢測(cè)出內(nèi)壁上的裂紋、腐蝕等缺陷；（3）該檢測(cè)技術(shù)具有快速檢測(cè)的特點(diǎn)；利用爬波在表面上可傳播一定距離的特性，避免了對(duì)厚壁管進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，使得檢測(cè)效率大大提高；技術(shù)水平：（1）研制的超聲探頭在管外壁的四分之一區(qū)域上掃查，可快速檢測(cè)整個(gè)厚壁管的內(nèi)壁缺陷；（2）研制的超聲探頭可連接在現(xiàn)有的超聲檢測(cè)儀器上，檢測(cè)方便；（3）研制的超聲探頭制作成本較低，可降低厚壁管的檢測(cè)成本。