超声导波检验技术 河北省电力研究院 牛晓光导波guided wave 基本概念 体波：在无限体积均匀介质中传播的波称为体波，体波 有两种：一种是纵波（或称疏密波、无旋波、拉压波、P 波），一种叫横波（或称剪切波、S波），它们以各自的速度传播而无波形耦合。 Lamb波 位于层中的超声波要经受多次来回反射， 这些往返的波将会产生复杂的波形转换， 并且波与波之间会发生复杂的干涉。 Lamb波 板内的纵波、横波将会在两个平行的边界 上产生来回的反射而沿平行板面的方向行 进，即平行的边界制导超声波在板内传播 ，这样的一个系统称为平板超声波导。在 此板状波导中传播的超声波即所谓的板波 （也叫Lamb波）。 导波guided wave 板波在波导中传播时，纵波和横波不能独 立存在，此时会产生一种与介质断面尺寸 有关的特殊波动，称为导波（guided wave ）。在板中传输的导波又称为板波，板波 中主要型为Lamb波。导波guided wave 板中的导波示意图图1 板中的导波示意图导波guided wave谐振发射模式1模式2时间轴图2 多模态导波接收波形图3 群速度与相速度的关系t2 t1ab时间轴钢管中超声导波三种模态超声导波的特性 （1）通常的超声波检测中，超声波在无限介质体内传播 （波长远远小于工件厚度），远离边界，称之为体波。导 波通常以反射和折射的形式与边界发生相互作用经介质边 界制导传播，传播中纵波与横波相互间进行模态转换。 在数学上虽然体波与导波受同一组偏微分波动方程控制， 体波方程解无需满足边界条件，导波方程的解在满足控制 方程的同时必须满足实际的边界条件； 超声导波的特性（2）在波的传播过程中体波的模态有限，主要有纵 波，横波，表面波等。导波通常在一个有限体中 可以存在多种不同的导波模态。 （3）导波大多具有频散现象即导波相速度是导波频 率的函数，随导波频率变化而变化。超声导波与传统超声波技术相比具有的优势 首先，在构件的一点处激励超声导波，由于导波 本身的特性(沿传播路径衰减很小)，它可以沿构 件传播非常远的距离，最远可达几十米。接收探 头所接收到的信号包含了有关激励和接收两点间 结构整体性的信息，因此超声导波技术实际上是 检测了一条线，而不是一个点。超声导波与传统超声波技术相比具有的优势 另一方面，由于超声导波在管(或板)的内、 外(上、下)表面和中部都有质点的振动，声 场遍及整个壁厚(板厚)，因此整个壁厚(或 板厚)都可以被检测到，这就意味着既可以 检测构件的内部缺陷也可以检测构件的表 面缺陷。超声导波与传统超声波技术相比具有的优势 利用超声导波检测管道时具有快速、可靠、经济 且无须剥离外包层的优点，是管道检测新兴的和 前沿的一个发展方向。同时，由于压力管道的广 泛应用，管道的长距离超声导波快速检测研究近 年来受到国内外无损检测学者的极大关注。因此 研究超声导波在结构中的激励、接收及应用与缺 陷定位等问题，对于导波技术在工程中的应用具 有重大的意义。 超声导波主要特征参量 频散 群速度 相速度超声导波主要特征参量 群速度是指脉冲的包络上具有某种特性（ 如幅值最大）的点的传播速度，是波群的 能量传播速度，是波包的传播速度。 相速度是指波中相位固定的波形的传播速 度。发射模式1模式2时间轴图2 多模态导波接收波形图3 群速度与相速度的关系t2 t1ab时间轴超声导波主要特征参量 图中的1模态导波较2模态导波靠前，则可以认为1 模态导波的群速度比2模态导波的群速度大。导波 的群速度大并不代表其相速度大，反之导波的相 速度大也不意味着其群速度大。 导波的声脉冲是一组不同频率正弦波的集合，因 此确定其相速度是困难的，一般采用群速度来描 述脉冲传播速度。群速度一般指质点合成振动最 大振幅的传播速度。相速度和群速度 超声波频率附近的群速度Cg和相速度Cp为fd为频率厚度积，f为导波的频率，d为所测试试件的厚度 （管壁壁厚）频散现象受到波导几何尺寸的影响，在波导中传播的超声 波的速度依赖于导波频率，从而产生超声波的几 何弥散，即导波的相速度随频率的不同而改变， 称之为频散现象。 导波 导波在板中传播有两种基本形式，一种是介质质 点振动方向与板面平行的水平偏振的横波(SH) ,另 一种是既有振动方向与板面垂直的横波，又有振 动方向与板面平行的兰姆波。因此可知，导波在 介质传播过程中介质质点的最基本的振动形式有 与波的传播方向相同的纵向振动，也有与波传播 方向垂直的横向振动。理论上讲表面波、SH波、 兰姆波都被称为导波。 兰姆波和SH波 兰姆波是沿着板的两个表面以及中部传播，板的 两个表面的振动是纵波与横波成分之和，运动轨 迹为椭圆形，板中部质点是以纵波或横波形式振 动。SH波是板中介质质点的振动方向与板面平行 的横波。 兰姆波和SH波的群速度用脉冲波的谐波中振幅最 大频率及附近频率成分的群速度表示。 圆管中的超声导波 圆管中的导波分为三种模态： 纵向模态（L模态） 弯曲模态（F模态） 扭曲模态（T模态）。 L(n,m)、F(n,m)和T(n,m)表示，其中n和m分别代 表周向和径向模态参数，且均为整数。L模态和T 模态是轴对称模态，F模态是非轴对称模态。 圆管中的超声导波同板中的情况一样，经过Helmholts分解，位移场分为纵波 及横波两分量的形式 假定方程解具有谐波形式，且对特定坐标 系采用特定的微分算子，求解两波动方程 。因而可以得到相应的位移场、应力场及 势函数，再代入已知的边界条件就可以得 到一个线性方程组 为了使该线性方程组有解，需要其系数行列式为零。因此， 就可以得到一个由系数行列式组成的方程，其基本形式如下系数 其中Ay是与管径尺寸（内径a、外径b）、 材料的Lame常数和、密度、频率及波 数k有关的函数。求解该方程就可得到相应 的相速度和群速度曲线。多模态特征 由上述公式可以得出，某一规格、材质的 管道在特定频率范围的频散曲线，每一频 率至少对应着两个以上的超声波模态并且 随频率的增加模态数也跟着增加，这就是 导波的多模态特征。 典型导波模态曲线 典型导波模态曲线 在管道中传播的柱面导波的模态随频率的 增大而增加。100kHz以下，大约存在50种 模态。轴对称纵向导波L（0，2）模态由于 传播速度快，故能比其它模态的导波更快 地到达导波接收装置，因此更易于在时域 内区分。 典型导波模态曲线 直探头在激励L（0，2）模态导波的同时还会激励出L（0 ，1）模态导波，此外所激励的导波在管道中传播时，导 波不仅向前向传播，同时也会向后向传播。 在某一频率范围内，L（0，2）模式导群速度几乎不随频 率的变化而变化,呈一条直线，表明它是非频散的或者说 频散程度非常小。同时，L（0，2）模式导波速度曲线位 于各曲线的最上部，说明它的速度是最快的。通过综合分 析各种模态的位移，可知L（0，2）是最适合管道长距离 检测的。 70KHz的L（0，2）模态优点 （1）在此频率附近范围内该模态几乎是非频散的，因而 信号形状在传播过程中可保存下来。 （2）由于该模态导波传播速度最快，所以任何不希望出 现的模态信号都在其后到达，易于在时域内分离出感兴趣 的信号。 （3）轴向位移分量对于探测圆周开口裂纹的灵敏度起决 定作用，该模态在内外表面的轴向位移相对较大，因而对 任何圆周位置的内外表面缺陷具有相同的灵敏度，非常适 合探测内外表面的缺陷。 （4）该模态内外表面的径向位移相对较小，这样使得波 在传播过程中能量泄漏较少、传播距离相对较大。换热器管超声导波检测导波模式及 频厚积的选择 换热器管超声导波检测导波模式及 频厚积的选择（f*d=0.3MHz.mm1.8 MHz.mm）时 ，L(0,2)模式的群速度最大 频散性最小，群速度随频率的变化很小，信号的包络和幅 度在较长距离上保持相对不变。因为该导波模式是速度最 快的模式，任何其它模式均落后于此模式到达接收换能器 ， 所以易于在时域上区分该模式，对普通碳钢的频散曲 线分析也可得出同样结论。因此，换热器管导波检测选择 L(0,2)导波模态。特定管道的频厚积 热交换器管子导波检测，首先利用导波的频散曲 线，选择最佳的导波模式，并根据L（0，2）模 式的位移分布、应力分布和总能量密度分布选取 用该模式检测特定管道的频厚积。 为了在长距离上进行检测使波包幅度保持一定高 度，就需要合理选择合适的导波模式、检测的频 厚积、激励脉冲频率等，选择是提高检测可靠性 的关键所在。 导波探伤步骤 第一步：根据被检测钢材品种计算出（查找出）该钢材的 频散曲线； 第二步：根据频散曲线选择合适模态； 第三步：根据所选模态确定频厚积，再根据频厚积和管道 的厚度选择探伤频率； 第四步：根据频散曲线确定相速度，根据斯涅儿定律确定 探头入射角； 第五步：根据频率和入射角制做探头 第六步：制做对比试块：确定探伤灵敏度；案例分析 科研项目换热管泄漏超声导波探伤工艺 研究荣获中国电力科技进步三等奖换热管泄漏超声导波探伤工艺研究 火力发电厂高压加热器、低压加热器、凝汽器等 换热器管通常采用小径薄壁不锈钢管或低合金钢 管制成，其直径一般为20mm左右、壁厚12mm 及以下。换热器管在运行过程中会由于管材原始 制造缺陷、腐蚀、冲刷磨损等原因发生损坏而造 成泄漏，导致机组热效率降低或非计划停运。目 前尚无较好的检测手段进行换热器管的全面检验 。换热器管超声导波检测探头的研制 能否有效地激励和接收超声导波，主要在 于导波探头的设计。 目前，管道导波检测中所使用的传感器主要有压 电传感器（PZT）、磁致伸缩式传感器（MsS） 、电磁声传感器（EMAT）、脉冲激光式传感器 和PVDF式传感器等。而压电式传感器由于使用 方便、价格低廉、灵敏度高等特点而获得了最广 泛应用。压电陶瓷传感器根据其结构可分为斜探 头、直探头和梳状探头，不同的探头由于结构不 同，激励导波的形式和模态也不同。换热器管超声导波检测探头的研制 结合管道检测周向360全方位检测要求进行选择 设计 压电元件及其振动模式 合适的背衬材料及其配比 适当的外型设计使波能够传播到整个管壁周向等 。 频散曲线的获得导波模态的选择 上图我们同时可以看到，在较低频厚积范围内只 有2个纵向轴对称模态，L（0，1）和L（0，2） ，其中L（0，2）模态频散较小,群速度较大，另 外L（0，2）模态导波在传播过程中在管内外表 面的轴向位移相对较大，径向位移相对较小，在 较长距离的传播过程中能量衰减少，而L（0，1 ）模态由于径向位移相对较大，该模态在传播中 能量被管道吸收而迅速衰减。探头频率的选择 参照频散曲线曲线，频厚积1MHz.mm时即可使 的面内位移约为常数。又频厚积不能小于截止频 厚积，查相速度频散图，将频厚积选定在 0.3MHz.mmfd1MHz.mm范围内。 通常超声波检测缺陷的灵敏度会随频率的降低而 降低，但对于导波来说，频率的降低对灵敏度的 影响不明显。较低频率的导波在管道中能传播更 长距离。入射角的选择 所以为了产生具有相速度Cp的lamb波，最常用的 方法仍然使用snell定理计算角度，见式8。 =sin-1(Cw/Cp) 式(8) 式中：为入射角，如图2所示； Cw为楔形材料的纵波波速； Cp为导波在介质中的相速度； 由snell定理，计算出的角范围为30.25-30.89 超声导波探头压电晶片选择 压电优点： 1）所用原材料价廉而易得； 2）不怕水浸，遇潮不易损坏； 3）压电性能优越； 4）品种繁多，性能各异，可满足不同的设计要求； 5）机械强度好，易于加工成各种不同的形状和尺寸； 6）采用不同的形状和不同的电极化轴，可以得到所需的 各种振