超声波技术在船舶管系故障检测中的应用

王龙

摘要：船舶管道处在恶劣的工作环境之下，主机和辅机等服务的管系受到高温高压的作用，因此堵塞和泄漏等类型的故障时有发生，这严重地影响着设备的安全运转和船舶的安全航行。对船舶管系进行故障监控有着重要的现实意义：一方面能够保障设备的安全运行，减轻船员的劳动强度；另一方面可以提高船舶的运营效率，对于水域环境的保护也有重要的现实意义。本文主要对超声波技术在船舶管系故障检测中的应用进行了简要的分析。

关键词：超声波技术；船舶管系；故障检测

1超声波检测技术的定义

超声波检测指的是根据超声波在工件传播过程中，工件对其发生的反射、透射等现象，我们对波的这些特性进行研究，识别工件内部构成、几何特点、内部缺陷，并能够对工件的应用价值提供理论支持的技术。

超声波的特点：

（1）超声波具有良好的指向性，在介质中能够集中在特定的方向上，沿直线传播。

（2）在介质中传播，超声波会因为波的特性而发生散射、衰减等。

（3）相比于其他声波的能量，超声波具有更大的能量。

（4）相比于超声波在其它介质中的传播，在固体中传播时不会衰减太多，能够传播距离更远。超声波在传播过程中，如果从一种介质进入到另一种介质，就会发生反射、折射等现象，特别是在气体和固体之间传播时。例如在固体中，存在空洞、断痕、异物等，超声波传播时，遇见缺陷会发生反射现象，尤其全反射时信号最强，接收探头接收到反射回来的缺陷波，通过超声波检测仪进行信号处理，可以在超声波检测仪的显示器上显示不同幅值及坐标位置的波形。我们能够通过波形幅值大小及时间坐标得出缺陷在固体中的大小、位置和特性等参数信息。

超声波检测具有很大的优势，具体来说：

（1） 适用范围广，可以对非金属、金属或一些复杂材料进行无破坏的检测；

（2） 穿透能力强，当被测固件厚度比较大时，超声波是一个很好的选择。如在一些钢结构的检测中，对于3mm厚度的金属材料或者几米长的钢结构试件都可以很好的检测；

（3） 缺陷识别分辨率高；

（4） 能够容易识别到一定面积的缺陷；

（5） 灵敏度高，对于很小的裂痕等就能够很好的检测；

（6） 检测时间短、花费少，对人体不构成健康威胁，仪器携带方便，操作简单。

2超声波检测方法

超声波检测具有很多分类方法，按耦合方式分为接触法与浸液法；按检测原理可以分为脉冲反射法和穿透法等，按波形分为纵波检测，横波检测，表面波检测等。接触法就是在超声波换能器和被测工件表面中的空隙里涂上耦合剂直接接触进行检测的方法。常用的耦合剂有机油，甘油，水玻璃等，具有降低阻抗，减少衰减，传递超声波能量的作用。直接接触检测法操作方便，但是对被检测工件表面的粗造度具有一定的要求。当工件表面太粗糙时，会影响到超声波的检测质量，降低检测的准确性。纵波脉冲反射法分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法。一次脉冲反射法是以一次底波为依据进行检测的方法。超声波在向被检测工件传播的过程中，部分超声波遇到障碍时会反射回来，其余声波会继续传播直到传播到工件底面反射回来。由发射波，缺陷波和底波在时间基在线的相对位置，就可以知道缺陷的大致位置。多次脉冲反射法是以多次底波为依据对缺陷位置进行定位的方法，通常用于对疏松材料工件的检测。表面波检测法是表面波沿着被检测工件表面传播，根据表面波只能在固体中传播的特性工作，表面波在传播的过程中，遇到裂纹等会发生反射，就能准确的反映检测工件表面的状态。采用表面波进行检测时，需要对被检测工件进行清洁。在我们的实验中我们采用多次脉冲反射，提高系统定位的精度，根据船舶实际工况，为了方便超声波换能器的检修，我们选择直接接触法进行检测。利用超声波纵波能够在液体中传播的特性和表面波不能在液体中传播的特性，采取超声纵波对管道故障进行定位，超声表面波对泄漏进行检测的方案检验船舶管道故障。

3超声波换能器在系统中的安装

在超声波换能器的功率选择上，通常应该留有一定的功率余量，因为船舶机舱的工作环境往往比较恶劣，存在噪音大，高温，潮湿，有较强的电磁干扰等等的客观因素，这些因素能大大的消耗超声波的功率。若不选择大功率超声波换能器，在系统工作时往往会出现测量响应慢，检测精度低，系统容易误报警等现象，严重影响整个系统的正常运行。超声波探头和工况检测主机之间的连接需要高頻同轴电缆，电缆需要屏蔽，避免环境电磁噪声的干扰，在检测过程中不得随意更换电缆。在更换电缆的同时，需要对系统的阻抗进行重新匹配，超声波换能器的安装位置进行重新调整，确保检测的灵敏度和精确度。超声波探头和被检测管道之间需要采用耦合剂，采用耦合剂可以驱除超声波换能器和被测管道之间的空气，增加声能的穿透率，降低声阻抗，使超声波更好的进入管道。常用甘油作为耦合剂进行耦合处理。为保证测量精度和稳定性，超声波换能器的安装的安装点应选择在流场分布均匀的直管段部分（安装时管道中必须充满液体），必须遵循以下原则：

（1） 选择材质均匀质密、超声波易于传输出的管道。尽量选择无结垢的管道进行安装，充分考虑管内壁结垢状况和管道充满流体工质的情况，如垂直管道（流体向上流动）或水平管道，避免安装在管道系统的最高点或带有自由出口的竖直管道上（流体向下流动）。

（2） 安装超声波换能器时必须把欲安装换能器的管道区域清理干净，换能器与管道的接触部分涂满足够的耦合剂，防止空气进入影响超声波信号传输。

（3） 应选择在上游大于10倍管道直径、下游大于5倍管道直径以内无任何阀门、弯头、变径等均匀的直管上安装超声波换能器，安装点应充分远离阀门、泵、高压电和变频器等干扰源，如图1所示。两个换能器间安装距离满足公式：应保证安装有超声波换能器的管段有足够的上下游直管段长度，一般要求前直管段为10D，后直管段为30D。

（4） 在安装方式上，Z方式安装的换能器信号强度高，系统稳定性好，因而选用Z方式安装。两个传感器必须安装在管道轴面的水平方向上，并且在轴线水平位置±45°范围内安装。

4结语

目前，船舶上更多的是采用人工巡视的方法对管道泄漏进行检测和定位，这时故障发现的及时性和故障点定位准确性主要取决于船员的责任心和工作经验，大大的增加了船员的劳动强度，无法满足现代船舶智慧化的发展需求现状。现在虽然全球众多国家都投入了大量的人力和财力研究管道泄漏的检测定位及防护，但大部分研究成果还仅应用于石油管道，在现在已经拥有的船舶管系故障检测与定位技术中，还没有成熟的系统技术和先进的实时在线监测设备应用。本文主要对超声波技术在船舶管系故障检测中的应用进行了简要的分析，希望能够起到一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]韩雪峰，张杰，彭中波.超声波流量计在船舶管系泄漏检测与定位中的应用[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2012，03：497-500.

[2]王杰.基于小波变换的船舶管系泄漏检测定位系统研究[D].重庆交通大学，2012.