劉 茂

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050）

管道運(yùn)輸在氣體、液體等物質(zhì)的長(zhǎng)距離運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用[1]。相比鐵路、公路等傳統(tǒng)運(yùn)輸方式，管道運(yùn)輸可在動(dòng)力損耗、物流運(yùn)輸?shù)确矫婀?jié)省成本投入。尤其在油氣運(yùn)輸中，它可大幅度降低油氣資源運(yùn)輸損耗[2]。近年來，隨著我國(guó)石油、天然氣工業(yè)的迅猛發(fā)展，油氣管道規(guī)模不斷擴(kuò)大，油氣管道安全事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)隨之加大。焊接缺陷作為當(dāng)前引起油氣管道安全事故的主要因素，采取有效措施對(duì)管道焊接缺陷進(jìn)行檢測(cè)，以確保焊縫質(zhì)量和焊接完整性，可為管道焊接結(jié)構(gòu)性能與壽命提供重要保障[3]。傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)受接觸式檢測(cè)、需要耦合劑等限制，檢測(cè)結(jié)果誤差較大，影響管道安全事故的有效預(yù)防。為尋求一種精準(zhǔn)、靈敏的檢測(cè)方法，本文對(duì)激光超聲檢測(cè)技術(shù)在管道壁厚及焊接缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1 激光超聲檢測(cè)技術(shù)概述

激光超聲檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸、高精度、無損傷的新型檢測(cè)技術(shù)。它借助激光脈沖激發(fā)被檢測(cè)工件產(chǎn)生超聲波，通過激光束對(duì)超聲波的傳播進(jìn)行探測(cè)分析，以獲取工件厚度、材料參數(shù)及表面缺陷等信息[4]?，F(xiàn)階段，激光超聲檢測(cè)技術(shù)可被分為非干涉檢測(cè)技術(shù)和干涉檢測(cè)技術(shù)兩種。前者基于超聲波傳播期間所造成的工件表面形變或反射率變化，通過對(duì)光反射方向和強(qiáng)度產(chǎn)生的變化進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)工件缺陷檢測(cè)；后者主要利用超聲波會(huì)導(dǎo)致工件表面發(fā)生微位移的特征，通過對(duì)工件表面微位移造成的光束相位或頻率調(diào)制變化進(jìn)行檢測(cè)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)檢測(cè)工件缺陷的目的[5-7]。干涉檢測(cè)技術(shù)種類繁多，不同類型技術(shù)功能大同小異。但是，相比其他干涉檢測(cè)技術(shù)，雙波混合干涉檢測(cè)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、系統(tǒng)緊湊等特點(diǎn)，對(duì)低頻擾動(dòng)的敏感性也相對(duì)較低。該技術(shù)所涉及的參考光空間相位自動(dòng)匹配機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)來自工件表面多個(gè)散斑的同時(shí)接收，聚光能力更強(qiáng)，使其在粗糙表面的檢測(cè)中更具優(yōu)勢(shì)[8-10]。

2 激光超聲檢測(cè)裝置原理

為了更好地體現(xiàn)激光超聲檢測(cè)技術(shù)在管道壁厚及焊接缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值，本文利用雙波混合干涉檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)激光超聲檢測(cè)裝置。如圖1所示，該裝置檢測(cè)光源選用532 nm連續(xù)激光器。連續(xù)激光器發(fā)出的激光經(jīng)光束整形，通過分束鏡分成參考光和檢測(cè)光兩束光源。參考光會(huì)在完成兩次反射后到達(dá)光折變晶體，而檢測(cè)光會(huì)通過多個(gè)光學(xué)器件和聚焦系統(tǒng)到達(dá)管道表面。此時(shí)，由檢測(cè)光反射產(chǎn)生并攜帶超聲信號(hào)的信號(hào)光，會(huì)在經(jīng)過聚焦系統(tǒng)和反射鏡后到達(dá)光折變晶體，隨后在光折變晶體光柵信號(hào)光和衍射參考光干涉影響下到達(dá)光電探測(cè)器并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)管道壁厚和焊縫缺陷的精準(zhǔn)檢測(cè)。

圖1 激光超聲檢測(cè)裝置光路原理圖

3 激光超聲檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用

本文借助基于雙波混合干涉技術(shù)的激光超聲檢測(cè)裝置，對(duì)管道壁厚及焊接缺陷進(jìn)行檢測(cè)。超聲激勵(lì)選用KL-M（S）型Q開關(guān)Nd：YAG激光器（武漢宜美），激光脈沖能量400 mJ，頻率10 Hz，激光光斑直徑1.5～8.0 mm（可調(diào)節(jié)）。打開激光器開關(guān)后，脈沖激光經(jīng)分光鏡分為兩束激光：一束能量20 mJ（約5%）的激光經(jīng)衰減由光電探測(cè)器接收，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將其視為信號(hào)采集觸發(fā)信號(hào)；另一束能量380 mJ（約95%）的激光經(jīng)透鏡聚集達(dá)到管道樣品表面并激發(fā)超聲信號(hào)。該超聲信號(hào)由超聲信號(hào)檢測(cè)裝置完成接收與檢測(cè)，隨后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并輸出。經(jīng)信號(hào)采集處理，該信號(hào)最終會(huì)顯示于屏幕。本文選用2.5 MPa 800DN焊接不銹鋼管作為管道樣品，管道實(shí)測(cè)壁厚15.07 mm，另在鋼管內(nèi)制作長(zhǎng)2 mm、深7.5 mm的焊接缺陷。

3.1 激光超聲技術(shù)檢測(cè)管道壁厚

如圖2所示，運(yùn)用激光超聲技術(shù)檢測(cè)管道壁厚時(shí)，激光器發(fā)出激光經(jīng)透鏡聚集后達(dá)到管道樣品表面的激勵(lì)點(diǎn)，同側(cè)放置激光超聲檢測(cè)裝置對(duì)檢測(cè)點(diǎn)返回信號(hào)進(jìn)行接收處理。調(diào)整激光器與激光超聲檢測(cè)裝置的位置，確保激勵(lì)點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)之間擁有一定的距離。檢測(cè)過程中，逐步提升激光脈沖能量，通過促進(jìn)超聲激勵(lì)模式不斷趨近于熱彈與燒蝕的臨界點(diǎn)，以確保接收到的超聲信號(hào)擁有更高的信噪比。

檢測(cè)結(jié)果顯示，獲取的超聲波形圖清晰顯示激勵(lì)波、激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的沖擊波及管道樣品地面回波。地面回波于激勵(lì)波產(chǎn)生后5.11 μs時(shí)出現(xiàn)。超聲波在鋼管中的速度為5 950 m·s-1。經(jīng)計(jì)算，檢測(cè)到管道樣品壁厚為15.15 mm，檢測(cè)誤差為0.08 mm，引起檢測(cè)誤差大小與激勵(lì)點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)之間的距離有關(guān)。

3.2 激光超聲技術(shù)檢測(cè)焊接缺陷

采用以上方法對(duì)管道樣品內(nèi)焊接缺陷進(jìn)行檢測(cè)，獲取超聲波形圖顯示，缺陷回波于激勵(lì)波產(chǎn)生后2.56 μs時(shí)出現(xiàn)，超聲波在鋼管中的速度為5 950 m·s-1。經(jīng)計(jì)算，檢測(cè)到管道樣品焊接缺陷為7.62 mm，檢測(cè)誤差為0.12 mm。與管道壁厚的檢測(cè)相同，由于激勵(lì)點(diǎn)與接收點(diǎn)之間存在一定距離，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果偏差相對(duì)較大，且缺陷深度越小造成的檢測(cè)偏差越大。因此，選用激光超聲技術(shù)檢測(cè)焊接缺陷時(shí)，可根據(jù)激勵(lì)點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)之間的距離，去掉由此因素引起的偏差數(shù)值，即可有效降低該方法檢測(cè)出現(xiàn)的誤差值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文充分結(jié)合目前管道焊接檢測(cè)的實(shí)際需求，基于對(duì)激光超聲激勵(lì)和檢測(cè)原理的研究結(jié)果，構(gòu)建一款以光折變晶體雙波混合干涉技術(shù)為基礎(chǔ)的激光超聲檢測(cè)設(shè)備，且在設(shè)備構(gòu)建過程中充分融入集成化設(shè)計(jì)原理，有效縮小了設(shè)備的整體體積，使得設(shè)備操作具有更高的便捷性與靈活性。管道焊接缺陷檢測(cè)是油氣管道運(yùn)輸管理中的重要環(huán)節(jié)。激光超聲檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管道壁厚及焊接缺陷的精準(zhǔn)檢測(cè)，可為油氣管道安全事故預(yù)防工作的有序開展提供保障。