薄壁不锈钢管壁厚高精度检测技术方法

 薄壁不锈钢管壁厚测量目前可以采用的方法主要包括机械测量、图像测量射线测量、超声测量等多种方式。其中机械测量用于抽检较为合适，检测速度较慢，但检测精度可控；图像测量用于短管成品管快速测量，通过薄壁不锈钢管端部的图像分析实现钢管厚度的检测；射线测量主要利用不同厚度钢管对射线的吸收不同这一特性实现钢管厚度的检测，该方法受钢管材质影响较大且存在辐射危害，道常情况下不建议采用；超声测量钢管厚度的方法适合于在线快速测量，检测精度较高，本章节重点讨论小口径薄壁不锈钢管壁厚的超声波检测。

 超声波测厚技术较为成熟，市场上也存在各式各样的超声波测厚仪，但不锈钢管壁厚在线测量技术应用较少。

超声波测厚的基本原理是通过测量超声波在钢管内外壁的反射信号时间差，得到超声纵波在钢管内传播来回两次的时间，乘以钢管内超声纵波声速，即得到钢管两倍的壁厚。

在金属材质确定的情况下，声速仅受温度的影响，具体表现为声速随温度的升高而降低，主要原因是金属材料的弹性模量随温度升高而降低。不同金属材料的物理特性差别较大，准确计算温度对声速的影响较为困难，仅可以通过实验测得不同温度下的超声波声速。根据实验统计，在0~40℃正常环境温度下，温度每增加5℃不锈钢中的超声波纵波与横波声速减小3~5m/s.综合来看，提升厚度检测精度的主要措施在于精确测量超声波在不锈钢管内的有效传播时间。对小口径薄壁不锈钢管来讲，因壁厚较薄，检测所需的超声波必须采用高频宽带窄脉冲探头才能满足要求，一般情况下检测频率10~20MHz即可，这主要基于超声波信号的明确区分角度考虑。

在检测硬件满足要求的前提下，超声波信号数据处理是影响钢管壁厚准确测量的主要因素。按照奈奎斯特定律，超声信号的采样频率必须大于超声信号频率的3倍以上才能准确表征信号的特征。当然，采样频率越高，信号的还原越精确，动态检测过程中的测量精度越高。图4.11所示为某小口径不锈钢薄壁管壁厚超声检测信号截图，检测超声频率20 MHz,采样频率2GHz.图中所示，要准确计量前后两次超声信号的间隔，显然取每个超声信号的波前较为合适。动态测量过程中，超声信号会出现前后波动，以采样频率2GHz为例，当前后两个超声信号的间隔波动1个采样点，声时波动约为0.5ns,对应到厚度测量的误差约为0.0015mm,在实际检测过程中发现动态测量时波形间隔的波动点数为2~3个，显然可以满足汽车发动机用不锈钢管壁厚的测量精度。

 需要注意的是，动态测量钢管壁厚时，钢管跳动在所难免，为避免超声波在钢管内折射，出现测量值偏大的现象，可以采用线聚焦入射的方式，使得探头焦线完全覆盖钢管跳动的范围，聚焦超声探头的焦点落到钢管内壁为最佳，由此可获得最短信号间距，此时壁厚测量值与钢管壁厚实际值最为接近，如图4.12所示，探头聚焦透镜的设计可参照本书4.1.2节进行。