由于超声波技术可以作为检测,也可以用作监测,具有能够直接测厚,而且数据直观,可信度高,测量准确、使用方便、声波的方向性好等优点,因此超声波技术是现在石化行业腐蚀监/检测中普遍使用的技术[31-32]。超声波测厚方法主要可分为三种[33]:脉冲反射法、穿透法和共振法。在管道腐蚀监测中,主要利用超声波脉冲反射法来实现管道腐蚀后剩余厚度的测量。脉冲反射法测管道壁厚如图5所示,其测量原理如下[34]:
图5 超声波测厚原理图
当测量装置发出的超声波沿被测管道垂直传播到管道内壁,到达内壁后超声波脉冲被反射回来,被测量装置感应到并接收,通过精确测量超声波的飞行(传播)时间来计算得出管道壁厚。计算公式如下:
其中V为超声波传播速度;t为飞行传播时间;T为管道厚度。
目前使用比较广泛的两种超声波测量技术是:压电超声测厚技术和电磁超声测厚技术[31]。
压电超声测厚技术的基本原理是[35]:利用压电晶体作为换能器来产生超声波,通过耦合剂的作用,超声波能较好地传入被测管道内,超声波到达管道内表面后返回,由换能器接收,转换成电脉冲,通过计算换能器发送超声波和接收到的反射波的时间差,再乘以超声波的声速就可以得出管道的壁厚。压电超声测厚技术的优点有[35-37]:
(3)体积小、检测灵敏度较高,精度可达0.01mm。(2)压电探头只适用于半径较大的管道厚度的测量,因为压电探头只能产生平行声场,对于半径较小的管道,无法真实反映其实际厚度;(3)被测管道内表面受腐蚀时,光洁度和轮廓变化很大,会大大影响测量效果。崔西明[39]等做了表面粗糙度对压电超声测厚影响的实验,总结了两点结论:一是造成超声波传播的不均匀,产生了散射;二是超声波的强度会大幅减弱;(4)基于压电晶体的探头,目前国内外能够实际承受的温度小于180℃,在高温条件下(<180℃),为避免压电晶体失效,需要添加200～300m长的隔热导波片,使整个测量装置较为冗长[40]。
电磁超声测厚技术是近十多年来特别热门的测量方法,如图6所示。它的基本原理是[36,37]:受磁铁和线圈作用的影响,金属表面的带电粒子将因为洛伦兹力的作用而产生振动,即产生的电磁超声的波源。该波源的能量沿被测体的厚度方向进行传播。在传播方向上的粒子将依次发生起振和消失的过程,形成超声波传播。当声波抵达被测体的下表面时,声波会发生反射或者透射,反射的声波继续沿金属板厚度的方向向上表面传播,直至抵达上表面,引发上表面的带电粒子的振动,产生感应电压被接收。通过获取电磁超声两个接收波之间的时间,可计算出被测体的厚度,计算公式如下:
其中V为超声波传播速度;t为飞行传播时间;d为管道厚度;θ为电磁超声的入射角度。
图6 电磁超声测厚原理图
电磁超声测厚技术的优点有[35-37,41-42]:(3)对被测体表面要求不高,不再需要对粗糙的被测体表面进行打磨和去除保护层;(4)压电超声只能产生一种频率类型的超声波,而电磁超声可以通过改变线圈形状和磁场方向来产生不同类型的超声波[43],使得它的检测范围也有增加。虽然电磁超声测量技术相对于传统的压电超声检测技术有很多优点,但是它仍有自身的缺点和局限性[36,37,41,42]:(1)相对于传统的压电超声换能器,电磁超声换能器换能效率很低,通常检测到的信号是μV级的,在现场使用时信噪比低,精度容易受环境影响;(2)虽然电磁超声可实现非接触测量,但如果测量装置和被测体的提离距离过大,回波信号将呈指数幂衰减。我们的实验表明,提离距离超过1 mm时,信号基本上不能使用;(3)在高温(居里温度的1/3)[42]环境下,永磁铁磁性将会大大降低而失效。目前直接用电磁超声在线长期厚度监测,温度一般不超过150度;(4)一个探头测量的面积很小(1-2cm2),如果需要大面积测量,则需多个探头,这会导致整个测量装置成本很高。
