基于超声波反射法检测钢管腐蚀分布的观测实验

目前，钢管已广泛应用于流体运输领域，如石油、天燃气、水、煤气、蒸汽等。同时，在制造机械零件和工程结构领域，由于钢材的高强度等特性，也得到了广泛应用。为防止钢管腐蚀并增加其使用寿命，钢管内外壁一般都涂有防腐层，但是经过长年累月的使用或高温高压的使用条件下，钢管的防腐涂层会逐渐剥落，从而造成钢材生锈、厚度变薄、钢材质量逐渐劣化，如果继续使用，会存有一定的潜在危险。为防止危险事故的发生并有针对性地维修及更换，无损检测变得尤为重要。超声波无损检测技术与其他常规无损检测技术相比，具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、周期短、成本低、灵活方便、效率高及对人体无害等特点，因此已在医疗、化工及工程探伤等方面得到广泛应用。本实验利用超声波通过介质时在分界面有声波反射这一特点，对测得的反射信号进行数据化处理，从而能够用超声波从钢管外部检测其厚度并判断钢管壁劣化程度。

1 原 理

利用超声波测钢管壁厚度的原理可简单描述为：超声波发生器定期发送超声波，当超声波通过钢管和空气分界面处时会发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，根据电信号计算外壁层和内壁层两处的反射信号的时间差t，按照式(1)计算，即可检测出钢管壁的厚度d：


2 实验系统

图1为实验系统装置的概略图。超声波发生后，用超声波换能器(探头)来对超声信号进行发送和接收，用电子示波器对超声波反射信号进行波形观测分析及数据暂存。超声波在钢管外壁和内壁两个层面均有超声波的反射，检测点超声波反射示意如图2所示。





由于超声波在遇到空气时会急剧衰减掉，所以在本实验中用超声波耦合剂去除超声波探头和钢管壁间的空气。

实验环境如下：

钢管长度为20 cm；超声波信号发生器相关参数：PRF为100 Hz；PULSER VOLTAGE为100 V；TRANSDUCER FREQ为15～20 MHz；示波器相关参数：V／DIV为500 mV；s／DIV为500 ns；钢管中的音速为5 700 m／s。

被测对象如图3所示，钢管内部上层生锈。在钢管上设置20个间距相同的检测点，为检验实验准确度，先用物理测厚仪测出20个检测点的实际厚度(见表1)。表1中的数据表明，检测点1到10之间由于腐蚀的影响，厚度已经变薄。



3 波形分析

在钢管检测点得到的超声波反射信号如图4所示。