薄壁不銹鋼管壁厚高精度檢測技術方法

 薄壁不銹鋼管壁厚測量目前可以采用的方法主要包括機械測量、圖像測量射線測量、超聲測量等多種方式。其中機械測量用于抽檢較為合適，檢測速度較慢，但檢測精度可控；圖像測量用于短管成品管快速測量，通過薄壁不銹鋼管端部的圖像分析實現鋼管厚度的檢測；射線測量主要利用不同厚度鋼管對射線的吸收不同這一特性實現鋼管厚度的檢測，該方法受鋼管材質影響較大且存在輻射危害，道常情況下不建議采用；超聲測量鋼管厚度的方法適合于在線快速測量，檢測精度較高，本章節重點討論小口徑薄壁不銹鋼管壁厚的超聲波檢測。

 超聲波測厚技術較為成熟，市場上也存在各式各樣的超聲波測厚儀，但不銹鋼管壁厚在線測量技術應用較少。

超聲波測厚的基本原理是通過測量超聲波在鋼管內外壁的反射信號時間差，得到超聲縱波在鋼管內傳播來回兩次的時間，乘以鋼管內超聲縱波聲速，即得到鋼管兩倍的壁厚。

在金屬材質確定的情況下，聲速僅受溫度的影響，具體表現為聲速隨溫度的升高而降低，主要原因是金屬材料的彈性模量隨溫度升高而降低。不同金屬材料的物理特性差別較大，準確計算溫度對聲速的影響較為困難，僅可以通過實驗測得不同溫度下的超聲波聲速。根據實驗統計，在0~40℃正常環境溫度下，溫度每增加5℃不銹鋼中的超聲波縱波與橫波聲速減小3~5m/s.綜合來看，提升厚度檢測精度的主要措施在于精確測量超聲波在不銹鋼管內的有效傳播時間。對小口徑薄壁不銹鋼管來講，因壁厚較薄，檢測所需的超聲波必須采用高頻寬帶窄脈沖探頭才能滿足要求，一般情況下檢測頻率10~20MHz即可，這主要基于超聲波信號的明確區分角度考慮。

在檢測硬件滿足要求的前提下，超聲波信號數據處理是影響鋼管壁厚準確測量的主要因素。按照奈奎斯特定律，超聲信號的采樣頻率必須大于超聲信號頻率的3倍以上才能準確表征信號的特征。當然，采樣頻率越高，信號的還原越精確，動態檢測過程中的測量精度越高。圖4.11所示為某小口徑不銹鋼薄壁管壁厚超聲檢測信號截圖，檢測超聲頻率20 MHz,采樣頻率2GHz.圖中所示，要準確計量前后兩次超聲信號的間隔，顯然取每個超聲信號的波前較為合適。動態測量過程中，超聲信號會出現前后波動，以采樣頻率2GHz為例，當前后兩個超聲信號的間隔波動1個采樣點，聲時波動約為0.5ns,對應到厚度測量的誤差約為0.0015mm,在實際檢測過程中發現動態測量時波形間隔的波動點數為2~3個，顯然可以滿足汽車發動機用不銹鋼管壁厚的測量精度。

 需要注意的是，動態測量鋼管壁厚時，鋼管跳動在所難免，為避免超聲波在鋼管內折射，出現測量值偏大的現象，可以采用線聚焦入射的方式，使得探頭焦線完全覆蓋鋼管跳動的范圍，聚焦超聲探頭的焦點落到鋼管內壁為最佳，由此可獲得最短信號間距，此時壁厚測量值與鋼管壁厚實際值最為接近，如圖4.12所示，探頭聚焦透鏡的設計可參照本書4.1.2節進行。