Page 103 - 无损检测2024年第四期

于忠宁,等:
石油储备基地储油罐腐蚀的激光超声检测

方法主要有目视检查、 超 声检测、 X 射线检测和磁
粉检测等。然而, 这些方法存在着各自的局限性,
如操作复杂、 受限于人力因素、 对罐体材料有一定
的要求等 [ 5 ] 。因此, 需要开发出更加高效、 准确和
可靠的储 油 罐 腐 蚀 无 损 检 测 方 法, 以 提 高 石 油 储
备基地 的 安 全 管 理 水 平 [ 6-8 ] 。 周 奎 等 [ 9 ] 研 究 的 大
型油罐罐 壁 损 伤 识 别 方 法, 使 用 有 限 元 对 储 油 罐
进行分析, 计算出储油罐罐壁的径向模态振型, 并
以此为基 础 得 出 模 态 曲 率, 然 后 通 过 模 态 曲 率 对 图 1 热弹效应示意
储油罐的损伤进行判别。朱林等 [ 10 ] 提出的储罐损
伤检测系统, 利用飞行器吸附装置、 图像采集装置
等多种设 备, 对 储 油 罐 进 行 数 据 采 集 并 对 采 集 到
的图像进 行 分 析, 以 检 测 储 罐 是 否 存 在 损 伤。 上
述方法虽 然 可 以 完 成 储 油 罐 的 腐 蚀 损 伤 检 测, 但
也有一定 缺 点, 如 储 油 罐 内 存 在 石 油 时 无 法 进 行
内壁检测、 储 油 罐 内 石 油 液 面 改 变 会 导 致 检 测 结
果不准确、 检测易受环境影响等。
激光超声技术具有非接触、 波形丰富、 超声波频 图 2 热蚀效应示意
率宽的优点。基于上述优点, 笔者提出基于激光超 1.1.3 储油罐腐蚀检测的 Lamb波传播特性
声技术的石油储备基地储油罐腐蚀无损检测方法。 综上所述, 对储油罐发射激光时产生的热弹效
利用激光照射时产生的物理效应发射 Lamb 波, 对 应与热蚀效应会导致 Lamb 波的产生 [ 15 ] , Lamb 波
Lamb波在储油罐内的传播进行分析, 并分离出具 在储油罐中的传播特性如图 3 所示。
有腐蚀特征的散射波形, 确定具有损伤的位置, 从而
完成储油罐的损伤检测。

1 储油罐腐蚀检测原理

1.1 激光超声检测原理
激光超声是由 ASKARYAN 和 WHITE 等发
现的 [ 11 ] , 即高能激光对物体进行照射后会产生超声 图 3 Lamb波在储油罐中的传播特性示意
波 [ 12 ] 。此后, 学 者 们 提 出 了 许 多 激 光 超 声 检 测 模
, 分别代表不同入射角度的 Lamb
图 3 中s 1 s 2
型, 这些模型基本都是基于激光照射到物体后产生
波, 作为一种超声导波, Lamb 波在储油罐传播时,
的热弹效应和热蚀效应 [ 13 ] 。
会以材料的厚度为边界, 在其中不断反射, 纵向形成
1.1.1 热弹效应
驻波在x 3 方向传播, 行波在x 1 方向传播, 同时每次
采用高功率激光对储油罐结构进行照射时, 储
反射便会发生一次模态转换, 在不断反射的过程中,
油罐会吸收激光能量, 激光照射表面温度迅速升高,
不同的波叠加会形成十分复杂的波结构, 且会分解
由于 热 胀 冷 缩 效 应 该 区 域 会 快 速 膨 胀, 并 激 发
为对称模态与反对称模态。
Lamb波, 热弹效应示意如图 1 所示 [ 14 ] 。
1.1.2 热蚀效应 1.2 储油罐腐蚀检测
采用激光对储油罐进行照射时, 激光强大的功 在储油罐体上布置传感器, 在一定距离对储油
罐发射激光进行扫描, 再利用传感器采集超声波信
率会使储油罐表面的材料在微米级的尺度上迅速烧
号; 经过多次的扫描, 通过对比 Lamb波在未腐蚀点
蚀, 形成等离子体, 并产生垂直于储油罐表面的强大
和腐蚀点的信号差异, 利用波包分解方法完成损伤
反冲力, 从 而 形 成 lamb 波, 热 蚀 效 应 示 意 如 图 2
的定位和估计, 传感器参数如表 1 所示。
所示。

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2024 年 第 46 卷 第 4 期
无损检测