儲(chǔ)罐側(cè)壁缺陷檢測(cè)的超聲導(dǎo)波激勵(lì)試驗(yàn)研究

0 引言
石油儲(chǔ)罐是石油化工行業(yè)中用于儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備。大型石油儲(chǔ)罐長(zhǎng)年在自然環(huán)境和液位變化條件下運(yùn)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(huán)境中的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕所引發(fā)的腐蝕穿孔、裂紋擴(kuò)展以及破裂等，造成介質(zhì)泄漏，引起嚴(yán)重災(zāi)害和環(huán)境污染，造成財(cái)產(chǎn)甚至生命上的巨大損失。因此，世界各國(guó)均以法律的形式要求必須對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行定期的檢查，對(duì)于石油儲(chǔ)罐的在役質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法也展開(kāi)了大量的研究[1, 2]。

罐壁為典型的薄板，這種結(jié)構(gòu)非常適合使用超聲導(dǎo)波進(jìn)行檢測(cè)[3-5]。目前的研究主要集中在如何選擇合適的導(dǎo)波模態(tài)對(duì)石油儲(chǔ)罐進(jìn)行有效的檢測(cè)。通常在檢測(cè)中選擇低階的導(dǎo)波模態(tài)[6]，低階模態(tài)的導(dǎo)波在材料中的衰減較小，而且檢測(cè)波形易于分析。但是，為獲得低階模態(tài)的導(dǎo)波需要控制頻厚積在較小的范圍內(nèi)，對(duì)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(duì)小缺陷的分辨率下降，從而影響檢測(cè)效果，這是導(dǎo)波檢測(cè)中存在的主要矛盾。

目前，大多數(shù)研究者采用的方法是在被檢表面通過(guò)合適角度的楔塊激勵(lì)超聲導(dǎo)波，以達(dá)到模態(tài)選擇并優(yōu)化檢測(cè)效果的目的。本文通過(guò)動(dòng)態(tài)光彈方法，研究了在側(cè)壁直接激勵(lì)蘭姆波的方法，分析了側(cè)壁激勵(lì)聲波從蘭姆波到縱波的變化趨勢(shì)和條件，以及縱波在傳播過(guò)程中出現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換和能量遷移的現(xiàn)象。通過(guò)檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，證明了側(cè)壁激勵(lì)縱波可以在一定程度上解決板中蘭姆波檢測(cè)中檢測(cè)距離和檢測(cè)分辨率的矛盾。

1 動(dòng)態(tài)光彈裝置

動(dòng)態(tài)光彈裝置是利用透明材料的光彈效應(yīng)，結(jié)合瞬態(tài)圖像記錄裝置，對(duì)超聲波在透明材料的傳播行為進(jìn)行采集和記錄的一種動(dòng)態(tài)聲場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備。本文所使用的動(dòng)態(tài)光彈裝置的示意圖如圖1所示。

其工作原理是：根據(jù)編制好的程序，由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，使“聲光延時(shí)控制器”輸出指定重復(fù)周期的電脈沖信號(hào)，輸出分兩路，一路為高壓脈沖信號(hào)用來(lái)激勵(lì)超聲換能器發(fā)射聲波，產(chǎn)生的聲波在固體中傳播；一路用來(lái)激勵(lì)LED光源發(fā)出很短的光脈沖。這樣每個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)聲脈沖和一個(gè)按指定時(shí)間延時(shí)的光脈沖，CCD相機(jī)上就可以記錄下脈沖光照亮?xí)r刻的瞬態(tài)聲波圖像。計(jì)算機(jī)通過(guò)圖像采集卡和CCD相機(jī)相連，得到相應(yīng)的瞬態(tài)聲波圖像，并在屏幕上顯示出來(lái)。改變延時(shí)設(shè)定，我們就可以看到不同時(shí)刻的聲波圖像，還可以演示聲波的傳播過(guò)程。



其中，C為透明樣品的應(yīng)力光學(xué)常數(shù)，d為樣品厚度， 為所使用偏振光的波長(zhǎng)。 為樣品的拉梅常數(shù)，其他符號(hào)含義如上所述。
由上述分析可以看出，動(dòng)態(tài)光彈記錄中的光強(qiáng)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(diào)區(qū)間時(shí)，也能夠反映出聲場(chǎng)強(qiáng)度隨空間和時(shí)間的變化。

2 側(cè)壁激勵(lì)的蘭姆波和縱波

表1中列出了動(dòng)態(tài)光彈記錄的從3.0 到14.0 各時(shí)刻的板中超聲波聲場(chǎng)。其激勵(lì)條件為1.32M縱波直探頭，單脈沖激勵(lì)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出：在上述頻厚積條件下，產(chǎn)生對(duì)稱型的lamb波；該lamb的波列在傳播過(guò)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(qiáng)的次級(jí)波前；lamb傳播過(guò)程中伴隨著其他的低速模態(tài)。

表2所示為較大頻厚積（44 M?mm）條件下，側(cè)壁激勵(lì)所產(chǎn)生的板中聲波的聲場(chǎng)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(lì)。玻璃板厚度約10mm.



如文獻(xiàn)中所述，在較大頻厚積的條件下，側(cè)壁激勵(lì)縱波形成縱波串列的機(jī)理為(符號(hào)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(duì)邊界面反射形成相同角度的橫波和縱波串列3。如此循環(huán)，即形成縱波串列。
對(duì)比表1和表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)度較大，因此能夠形成一個(gè)統(tǒng)一的波包向前傳播；而當(dāng)頻厚積較大時(shí)，各反射波之間的相干長(zhǎng)度較小，形成了可區(qū)分的各次波包，以串列的形式向前傳播。
此外，通過(guò)對(duì)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(yán)重。而在表2中，到66 時(shí)，超聲波已經(jīng)經(jīng)過(guò)一次反射，才出現(xiàn)相同的衰減狀態(tài)。因此，在較大頻厚積條件下激勵(lì)出的縱波在檢測(cè)距離上具有一定的優(yōu)勢(shì)。
3 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(cè)壁激勵(lì)，和0.5MHz的導(dǎo)波探頭在表面激勵(lì)，對(duì)比二者的檢測(cè)效果。檢測(cè)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(cè)壁激勵(lì)選用的放大增益為30dB,導(dǎo)波探頭選用的增益為40dB。對(duì)比二者的檢測(cè)結(jié)果可以看出，在較大頻厚積的條件下，使用縱波在側(cè)壁激勵(lì)，可以得到略優(yōu)于表面激勵(lì)導(dǎo)波的檢測(cè)效果。因此，在可行的檢測(cè)條件下，使用較高頻率的縱波以邊緣激勵(lì)方式進(jìn)行板材的檢測(cè)，可以作為一種可選的檢測(cè)方法。
4結(jié)論
通過(guò)動(dòng)態(tài)光彈系統(tǒng)，觀察并分析了側(cè)壁激勵(lì)時(shí)，超聲波在板中的傳播行為。分析了側(cè)壁縱波激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生lamb波和產(chǎn)生串列縱波的轉(zhuǎn)換條件和原因，以及超聲波在傳播過(guò)程中發(fā)生的波前能量衰減，以及各波列之間的能量傳遞。

通過(guò)光彈實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)比檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證明了在大尺度板材檢測(cè)方面，采用較高頻率縱波探頭側(cè)壁激勵(lì)進(jìn)行檢測(cè)是一種可行的方法。

5參考文獻(xiàn)
[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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