储罐侧壁缺陷检测的超声导波激励试验研究

0 引言
石油储罐是石油化工行业中用于储运的关键设备。大型石油储罐长年在自然环境和液位变化条件下运行，受到多种不利因素影响，不可避免地受到各种损伤。特别是环境中的化学腐蚀和电化学腐蚀所引发的腐蚀穿孔、裂纹扩展以及破裂等，造成介质泄漏，引起严重灾害和环境污染，造成财产甚至生命上的巨大损失。因此，世界各国均以法律的形式要求必须对储罐进行定期的检查，对于石油储罐的在役质量监测方法也展开了大量的研究[1, 2]。

罐壁为典型的薄板，这种结构非常适合使用超声导波进行检测[3-5]。目前的研究主要集中在如何选择合适的导波模态对石油储罐进行有效的检测。通常在检测中选择低阶的导波模态[6]，低阶模态的导波在材料中的衰减较小，而且检测波形易于分析。但是，为获得低阶模态的导波需要控制频厚积在较小的范围内，对于一定的板厚，这意味着要选择尽量低的频率。而频率降低使超声波对小缺陷的分辨率下降，从而影响检测效果，这是导波检测中存在的主要矛盾。

目前，大多数研究者采用的方法是在被检表面通过合适角度的楔块激励超声导波，以达到模态选择并优化检测效果的目的。本文通过动态光弹方法，研究了在侧壁直接激励兰姆波的方法，分析了侧壁激励声波从兰姆波到纵波的变化趋势和条件，以及纵波在传播过程中出现波型转换和能量迁移的现象。通过检测对比试验，证明了侧壁激励纵波可以在一定程度上解决板中兰姆波检测中检测距离和检测分辨率的矛盾。

1 动态光弹装置

动态光弹装置是利用透明材料的光弹效应，结合瞬态图像记录装置，对超声波在透明材料的传播行为进行采集和记录的一种动态声场观测设备。本文所使用的动态光弹装置的示意图如图1所示。

其工作原理是：根据编制好的程序，由计算机发出指令，使“声光延时控制器”输出指定重复周期的电脉冲信号，输出分两路，一路为高压脉冲信号用来激励超声换能器发射声波，产生的声波在固体中传播；一路用来激励LED光源发出很短的光脉冲。这样每个周期产生一个声脉冲和一个按指定时间延时的光脉冲，CCD相机上就可以记录下脉冲光照亮时刻的瞬态声波图像。计算机通过图像采集卡和CCD相机相连，得到相应的瞬态声波图像，并在屏幕上显示出来。改变延时设定，我们就可以看到不同时刻的声波图像，还可以演示声波的传播过程。



其中，C为透明样品的应力光学常数，d为样品厚度， 为所使用偏振光的波长。 为样品的拉梅常数，其他符号含义如上所述。
由上述分析可以看出，动态光弹记录中的光强分布反映了入射声波的周期性；在小变形的条件下，即满足式(1)处于单调区间时，也能够反映出声场强度随空间和时间的变化。

2 侧壁激励的兰姆波和纵波

表1中列出了动态光弹记录的从3.0 到14.0 各时刻的板中超声波声场。其激励条件为1.32M纵波直探头，单脉冲激励，探头布置方式如图2所示，所使用的玻璃板厚度为6mm，频厚积为7.92M•mm。




观察表1所列出的实验结果，可以得出：在上述频厚积条件下，产生对称型的lamb波；该lamb的波列在传播过程中展宽；随着传播距离增加，波前能量衰减增加，并在其后形成能量较强的次级波前；lamb传播过程中伴随着其他的低速模态。

表2所示为较大频厚积（44 M•mm）条件下，侧壁激励所产生的板中声波的声场光弹记录。选用4.4M纵波直探头，布置方式如图2所示，采用单脉冲激励。玻璃板厚度约10mm.



如文献中所述，在较大频厚积的条件下，侧壁激励纵波形成纵波串列的机理为(符号含义如表2,18 图片所示)：略入射纵波1在表面反射形成临近角横波2，临近角横波在对边界面反射形成相同角度的横波和纵波串列3。如此循环，即形成纵波串列。
对比表1和表2的实验结果，可知：在频厚积较小的条件下，略入射纵波与界面作用形成的各次反射波相互之间的相干长度较大，因此能够形成一个统一的波包向前传播；而当频厚积较大时，各反射波之间的相干长度较小，形成了可区分的各次波包，以串列的形式向前传播。
此外，通过对比可知，在频厚积较小的条件下，波前的衰减较快，表1中14 处，初始波前即衰减严重。而在表2中，到66 时，超声波已经经过一次反射，才出现相同的衰减状态。因此，在较大频厚积条件下激励出的纵波在检测距离上具有一定的优势。
3 检测实验

实验试件为尺寸3000mm×1000mm×9.5mm的钢板，在2600mm位置加工有直径为20mm的通孔。

分别使用频率为2MHz的纵波直探头在侧壁激励，和0.5MHz的导波探头在表面激励，对比二者的检测效果。检测波形如图3所示。波形采集使用的仪器为泰克公司的TDS2004型示波器。

其中纵波侧壁激励选用的放大增益为30dB,导波探头选用的增益为40dB。对比二者的检测结果可以看出，在较大频厚积的条件下，使用纵波在侧壁激励，可以得到略优于表面激励导波的检测效果。因此，在可行的检测条件下，使用较高频率的纵波以边缘激励方式进行板材的检测，可以作为一种可选的检测方法。
4结论
通过动态光弹系统，观察并分析了侧壁激励时，超声波在板中的传播行为。分析了侧壁纵波激励时产生lamb波和产生串列纵波的转换条件和原因，以及超声波在传播过程中发生的波前能量衰减，以及各波列之间的能量传递。

通过光弹实验，以及对比检测实验证明了在大尺度板材检测方面，采用较高频率纵波探头侧壁激励进行检测是一种可行的方法。

5参考文献
[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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