隨著X80管道的大規(guī)模應(yīng)用，其長期服役的安全性備受關(guān)注。激光超聲檢測方法作為一種新型檢測技術(shù)，近年來被廣泛應(yīng)用于材料無損檢測與評估，該方法具有非接觸、無需耦合劑、空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可以對管道實(shí)現(xiàn)快速、高精度地?zé)o損檢測。
因此利用激光超聲檢測方法對X80管道內(nèi)表面軸向裂紋和周向裂紋開展檢測試驗(yàn)，分析管道內(nèi)表面裂紋對激光超聲信號的影響，進(jìn)而通過激光超聲B掃描實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)表面裂紋的檢測與成像，可以為解決X80管道內(nèi)表面裂紋的非接觸、高精度無損檢測問題提供參考。
一激光超聲熱彈激發(fā)原理
脈沖激光在管道中激發(fā)超聲波的方式有兩種：熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)（原理見下圖）。
熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)原理示意圖
其中，在熱彈效應(yīng)下，脈沖激光功率密度小于鋼管材料的損傷閾值，鋼管表面材料吸收激光能量并轉(zhuǎn)換為熱能，誘發(fā)激光照射區(qū)域材料急速膨脹，并激發(fā)出超聲波。熱彈激發(fā)超聲波不會對鋼管表面造成損傷，是激光超聲無損檢測采用的主要激發(fā)方式。熱彈激發(fā)物理過程可以由熱彈耦合理論闡述，熱彈耦合方程為：
式中：[K]為傳導(dǎo)矩陣；{T}為溫度向量；[C]為比熱容矩陣；為溫升率向量；{Rq}為熱通量向量；{RQ}為熱源向量;[M]為質(zhì)量矩陣；{U}為位移矢量;為加速度矢量；{Rext}為外力矢量。
二試驗(yàn)
管道試樣與檢測裝置
管道試樣（如下圖）材質(zhì)為X80管線鋼，外徑46mm、內(nèi)徑41mm，在管道內(nèi)表面加工有周向裂紋和軸向裂紋。
X80管道試樣及其內(nèi)表面裂紋
（左）試樣全貌 （右）試樣內(nèi)表面裂紋
管道激光超聲檢測裝置（如下圖）。采用Quantel公司生產(chǎn)的Q開關(guān)Nd：通過YAG型脈沖激光器在管道中激發(fā)產(chǎn)生超聲波，脈沖激光波長1064nm、脈沖寬度8ns、最大重復(fù)頻率20Hz、單個(gè)脈沖激光能量范圍0～50mJ；通過雙波混合激光干涉儀檢測超聲信號，檢測激光波長1550nm。脈沖激光器發(fā)出一束脈沖激光的同時(shí)，向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出同步采集信號；脈沖激光激發(fā)的超聲波引起樣品表面振動(dòng)，雙波混合干涉儀將振動(dòng)位移信息轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集后傳輸給計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析與成像。調(diào)節(jié)激發(fā)探頭和檢測探頭的相對位置，使檢測探頭軸線垂直于管道試樣表面；程序控制運(yùn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)管道軸向移動(dòng)和周向轉(zhuǎn)動(dòng)，完成掃描檢測成像。
管道激光超聲檢測裝置原理圖
周向裂紋檢測
管道試樣內(nèi)表面周向裂紋檢測方案（如下圖）：檢測點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)間距為8mm，分別將檢測點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)設(shè)置在管道試樣內(nèi)表面裂紋的同側(cè)和異側(cè)。
當(dāng)檢測點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)位于管道試樣內(nèi)表面裂紋同側(cè)時(shí)，激發(fā)光激發(fā)的超聲波先經(jīng)過檢測光，再到達(dá)裂紋處，部分超聲波被裂紋反射產(chǎn)生反射回波，反射回波與直達(dá)波在檢測光處相互疊加，使檢測到的超聲波信號增強(qiáng)；通過機(jī)械掃描裝置帶動(dòng)管道試樣做周向步進(jìn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)角度為0.5，可以得到管道試樣周向不同位置的激光超聲信號，實(shí)現(xiàn)反射法B掃描檢測與成像。
當(dāng)檢測點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)位于管道試樣內(nèi)表面裂紋異側(cè)時(shí)，超聲波到達(dá)裂紋處后，一部分能量被反射形成反射回波，另外一部分能量穿過裂紋處形成透射波，使得在裂紋處檢測到的超聲波信號大幅衰減，通過使管道試樣做步進(jìn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)角度為0.5，可以實(shí)現(xiàn)透射法B掃描檢測與成像。
管道試樣內(nèi)表面周向裂紋激光超聲檢測示意圖
管道試樣與檢測裝置
● 反射法周向掃描檢測結(jié)果
在管道試樣無裂紋區(qū)域與有裂紋區(qū)域的激光超聲檢測反射法周向A掃描信號（如下圖）顯示：
管道試樣內(nèi)表面周向裂紋反射法激光超聲檢測A掃描信號曲線圖
■ 在0～2μs區(qū)間內(nèi)，兩組A掃描信號是一致的；
■ 在2～4.5μs區(qū)間內(nèi)，無裂紋區(qū)域A掃描信號與有裂紋區(qū)域A掃描信號存在一定的相位差；
■ 在4.5μs之后，有裂紋區(qū)域的A掃描信號因直達(dá)波與裂紋反射波相互疊加，使得有裂紋區(qū)域A掃描信號的振蕩幅值大于無裂紋區(qū)域的A掃描信號振蕩幅值。
依據(jù)超聲波檢測反射原理，當(dāng)超聲波遇到裂紋缺陷時(shí)會發(fā)生反射，反射波與直達(dá)波在檢測點(diǎn)位置相互疊加，使檢測到的超聲信號發(fā)生改變，其規(guī)律是裂紋深度越大，被反射的超聲波能量越大。因此，可以利用4.5μs之后的信號幅值變化表征管道試樣內(nèi)表面裂紋缺陷。
由管道試樣激光超聲檢測反射法周向B掃描檢測與成像結(jié)果（如下圖）可知：
■ 在無裂紋區(qū)域，超聲波聲場的分布較為規(guī)則（0～600）
■ 當(dāng)檢測點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)隨著管道旋轉(zhuǎn)逐漸接近并進(jìn)入裂紋區(qū)域（60～1200）時(shí)，直達(dá)波與裂紋復(fù)雜邊界的反射回波相互疊加，使得4.5μs之后的超聲波聲場發(fā)生復(fù)雜畸變。
管道試樣內(nèi)表面周向裂紋反射法激光超聲檢測B掃描信號檢測圖
● 透射法周向掃描檢測結(jié)果
由管道試樣無裂紋區(qū)域與有裂紋區(qū)域的激光超聲檢測透射法周向A掃描信號（如下圖）可知：有裂紋區(qū)域的透射表面波信號幅值大幅衰減，無裂紋區(qū)域透射表面波信號極大值與極小值的差值高達(dá)10mV，而有缺裂紋區(qū)域透射表面波信號幅值僅為4mV，因此，可以利用透射表面波信號幅值表征管道試樣內(nèi)表面裂紋缺陷。
管道試樣內(nèi)表面周向裂紋透射法激光超聲檢測A掃描信號曲線圖
由管道試樣激光超聲檢測透射法周向B掃描檢測與成像結(jié)果（如下圖）可知：在無裂紋區(qū)域，超聲波聲場的分布較為規(guī)則（0～600）；在有裂紋區(qū)域（60～1200），超聲波信號幅值顯著減小，且聲場產(chǎn)生了不規(guī)則變化。
管道試樣內(nèi)表面周向裂紋透射法激光超聲檢測B掃描信號檢測圖
軸向裂紋檢測
針對管道試樣無裂紋區(qū)域與有裂紋區(qū)域的激光超聲軸向裂紋檢測，采用與周向裂紋檢測相同的方案（如下圖）：檢測點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)間距為8mm，管道試樣做周向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)角度為0.5，采集周向不同角度的激光超聲信號，實(shí)現(xiàn)周向B掃描檢測與成像。
管道試樣內(nèi)表面軸向裂紋反射法激光超聲檢測示意圖
利用表面波幅值表征管道試樣內(nèi)表面的軸向裂紋，提取2.7μs時(shí)刻信號幅值與角度位置的時(shí)間切片（如下圖），曲線在24°位置幅值最小，說明該點(diǎn)位于管道試樣內(nèi)表面裂紋缺陷的正上方。
管道試樣內(nèi)表面軸向裂紋反射法激光超聲檢測幅值-角度曲線圖
由管道試樣激光超聲檢測周向B掃描成像檢測結(jié)果（如下圖）可知：管道試樣內(nèi)表面軸向裂紋缺陷使聲場分布發(fā)生顯著變化，試樣內(nèi)表面軸向裂紋缺陷反射回波呈V字形分布，拐點(diǎn)位置在24°，與圖中結(jié)果相吻合。
管道試樣內(nèi)表面軸向裂紋反射法激光超聲檢測B掃描信號檢測圖
三結(jié)論
利用激光超聲檢測方法對X80管道內(nèi)部表面裂紋進(jìn)行周向B型掃描檢測，可以有效實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)表面裂紋檢測成像。試驗(yàn)結(jié)果表明：
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采用反射法周向掃描方法檢測管道內(nèi)表面周向裂紋時(shí)，周向裂紋反射回波的幅值在4.5μs之后逐漸增大，裂紋區(qū)域聲場發(fā)生畸變，與無裂紋區(qū)域的聲場存在顯著差異， 4.5μs之后的信號可以有效特征表征管道內(nèi)表面周向裂紋。
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采用透射法周向掃描方法檢測管道內(nèi)表面周向裂紋時(shí)，表面直達(dá)波的幅值變化最顯著，是表征管道內(nèi)表面周向裂紋的最佳特征，可以根據(jù)表面波幅值的變化確定內(nèi)表面周向裂紋的位置，并估算裂紋的周向弧長。
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將短時(shí)平均能量與修正過零率標(biāo)準(zhǔn)差聯(lián)合判別的管道破壞信號檢測方法，可有效檢測出第三方破壞信號，在管道遭到嚴(yán)重破壞前進(jìn)行預(yù)警與干預(yù)，可以大大降低管道運(yùn)維成本。
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