儲罐側壁缺陷檢測的超聲導波激勵試驗研究

0 引言
石油儲罐是石油化工行業中用于儲運的關鍵設備。大型石油儲罐長年在自然環境和液位變化條件下運行，受到多種不利因素影響，不可避免地受到各種損傷。特別是環境中的化學腐蝕和電化學腐蝕所引發的腐蝕穿孔、裂紋擴展以及破裂等，造成介質泄漏，引起嚴重災害和環境污染，造成財產甚至生命上的巨大損失。因此，世界各國均以法律的形式要求必須對儲罐進行定期的檢查，對于石油儲罐的在役質量監測方法也展開了大量的研究[1, 2]。

罐壁為典型的薄板，這種結構非常適合使用超聲導波進行檢測[3-5]。目前的研究主要集中在如何選擇合適的導波模態對石油儲罐進行有效的檢測。通常在檢測中選擇低階的導波模態[6]，低階模態的導波在材料中的衰減較小，而且檢測波形易于分析。但是，為獲得低階模態的導波需要控制頻厚積在較小的范圍內，對于一定的板厚，這意味著要選擇盡量低的頻率。而頻率降低使超聲波對小缺陷的分辨率下降，從而影響檢測效果，這是導波檢測中存在的主要矛盾。

目前，大多數研究者采用的方法是在被檢表面通過合適角度的楔塊激勵超聲導波，以達到模態選擇并優化檢測效果的目的。本文通過動態光彈方法，研究了在側壁直接激勵蘭姆波的方法，分析了側壁激勵聲波從蘭姆波到縱波的變化趨勢和條件，以及縱波在傳播過程中出現波型轉換和能量遷移的現象。通過檢測對比試驗，證明了側壁激勵縱波可以在一定程度上解決板中蘭姆波檢測中檢測距離和檢測分辨率的矛盾。

1 動態光彈裝置

動態光彈裝置是利用透明材料的光彈效應，結合瞬態圖像記錄裝置，對超聲波在透明材料的傳播行為進行采集和記錄的一種動態聲場觀測設備。本文所使用的動態光彈裝置的示意圖如圖1所示。

其工作原理是：根據編制好的程序，由計算機發出指令，使“聲光延時控制器”輸出指定重復周期的電脈沖信號，輸出分兩路，一路為高壓脈沖信號用來激勵超聲換能器發射聲波，產生的聲波在固體中傳播；一路用來激勵LED光源發出很短的光脈沖。這樣每個周期產生一個聲脈沖和一個按指定時間延時的光脈沖，CCD相機上就可以記錄下脈沖光照亮時刻的瞬態聲波圖像。計算機通過圖像采集卡和CCD相機相連，得到相應的瞬態聲波圖像，并在屏幕上顯示出來。改變延時設定，我們就可以看到不同時刻的聲波圖像，還可以演示聲波的傳播過程。



其中，C為透明樣品的應力光學常數，d為樣品厚度， 為所使用偏振光的波長。 為樣品的拉梅常數，其他符號含義如上所述。
由上述分析可以看出，動態光彈記錄中的光強分布反映了入射聲波的周期性；在小變形的條件下，即滿足式(1)處于單調區間時，也能夠反映出聲場強度隨空間和時間的變化。

2 側壁激勵的蘭姆波和縱波

表1中列出了動態光彈記錄的從3.0 到14.0 各時刻的板中超聲波聲場。其激勵條件為1.32M縱波直探頭，單脈沖激勵，探頭布置方式如圖2所示，所使用的玻璃板厚度為6mm，頻厚積為7.92M?mm。




觀察表1所列出的實驗結果，可以得出：在上述頻厚積條件下，產生對稱型的lamb波；該lamb的波列在傳播過程中展寬；隨著傳播距離增加，波前能量衰減增加，并在其后形成能量較強的次級波前；lamb傳播過程中伴隨著其他的低速模態。

表2所示為較大頻厚積（44 M?mm）條件下，側壁激勵所產生的板中聲波的聲場光彈記錄。選用4.4M縱波直探頭，布置方式如圖2所示，采用單脈沖激勵。玻璃板厚度約10mm.



如文獻中所述，在較大頻厚積的條件下，側壁激勵縱波形成縱波串列的機理為(符號含義如表2,18 圖片所示)：略入射縱波1在表面反射形成臨近角橫波2，臨近角橫波在對邊界面反射形成相同角度的橫波和縱波串列3。如此循環，即形成縱波串列。
對比表1和表2的實驗結果，可知：在頻厚積較小的條件下，略入射縱波與界面作用形成的各次反射波相互之間的相干長度較大，因此能夠形成一個統一的波包向前傳播；而當頻厚積較大時，各反射波之間的相干長度較小，形成了可區分的各次波包，以串列的形式向前傳播。
此外，通過對比可知，在頻厚積較小的條件下，波前的衰減較快，表1中14 處，初始波前即衰減嚴重。而在表2中，到66 時，超聲波已經經過一次反射，才出現相同的衰減狀態。因此，在較大頻厚積條件下激勵出的縱波在檢測距離上具有一定的優勢。
3 檢測實驗

實驗試件為尺寸3000mm×1000mm×9.5mm的鋼板，在2600mm位置加工有直徑為20mm的通孔。

分別使用頻率為2MHz的縱波直探頭在側壁激勵，和0.5MHz的導波探頭在表面激勵，對比二者的檢測效果。檢測波形如圖3所示。波形采集使用的儀器為泰克公司的TDS2004型示波器。

其中縱波側壁激勵選用的放大增益為30dB,導波探頭選用的增益為40dB。對比二者的檢測結果可以看出，在較大頻厚積的條件下，使用縱波在側壁激勵，可以得到略優于表面激勵導波的檢測效果。因此，在可行的檢測條件下，使用較高頻率的縱波以邊緣激勵方式進行板材的檢測，可以作為一種可選的檢測方法。
4結論
通過動態光彈系統，觀察并分析了側壁激勵時，超聲波在板中的傳播行為。分析了側壁縱波激勵時產生lamb波和產生串列縱波的轉換條件和原因，以及超聲波在傳播過程中發生的波前能量衰減，以及各波列之間的能量傳遞。

通過光彈實驗，以及對比檢測實驗證明了在大尺度板材檢測方面，采用較高頻率縱波探頭側壁激勵進行檢測是一種可行的方法。

5參考文獻
[1]        X. Jun, L. Liu, “Flaw Testing of Tank Floor by Ultrasonic Guided Waves,” Non-destructive Testing (Chinese Journal), 01-2008.
[2]        Y. Xu, F. Liu, “Advanced Integrity Inspection Techniques for Large Vertical Storage Tanks,” Non-destructive Testing (Chinese Journal), 08-2007.
[3]        Greve, D. W., Zheng, P., and Oppenheim, I. J., “Excitation of longitudinal and Lamb waves in plates by edge-mounted transducers,” Proc. IEEE Ultrasonics Conference, New York, October 2007.
[4]        R. Sicard, J. Goyette and D. Zellouf, A SAFT algorithm for Lamb wave imaging of isotropic plate-like structures, Ultrasonics, Vol. 39 (2002), pp. 487-494.
[5]        V. Giurgiutiu, “Lamb Wave Generation with Piezoelectric Wafer Active Sensors for Structural Health Monitoring,” Proceedings of the SPIE Smart Structures and Materials 2003: Smart Structures and Integrated Systems vol. 5056, pp. 111-122, 2003.
[6]        M. J. S. Lowe and O. Diligent, “Low-frequency reflection characteristics of the S0 Lamb wave from a rectangular notch in a plate,” J. Acoust. Soc. Am. 111 (1), Pt. 1, Jan. 2002.

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真的多學學

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