超聲波檢測儀器在各種工業領域的典型應用案例

超聲波檢測的原理和意義 

人類聽覺的頻率范圍在20-20000Hz（赫茲）之間。頻率高于20000Hz的聲波稱為超聲波，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，人類在自然狀態下均聽不到空氣傳導的超聲波聲音。

在18世紀英國工業化初期，工程技術人員和工人便知道可以利用聽音棒來監察轉動設備的運轉情況，以便在轉動設備出現初期故障時就加以處理，不致于釀成重大設備事故招致巨大財產損失和人身傷害事故。這是利用人類聽覺進行有效生產活動的例子。

運轉中的工業設備泄漏將導致物料損失和裝置停車，污染和毒害作用。有時還會釀成火災、爆炸、重大人身傷亡和公共安全事故。因此，在設備發生泄漏的早期或者在泄漏初始階段時就將其辨別出來并進行處理，對安全生產運行具有重大意義。

但是，并不是所有設備泄漏和設備出現運轉故障初期，就能夠被及時判別出來。主要原因是現代工業裝置規模龐大，同時有很多動、靜設備在運行，由于介質在管道和設備中流動的噪聲，運行設備運轉時發出的噪音，甚至還有像磨煤機這樣會發出巨大的撞擊和物料摩擦聲音的設備，往往會將介質泄漏的聲音掩蓋，直到泄漏量擴大到較大程度，比如肉眼能夠看到、操作人員巡檢時覺察到環境中有異響或異味，或控制室發現現場可燃性氣體報警儀報警等等才可能意識到設備出現了泄漏。對于部分采用負壓或真空操作條件運行的工業裝置，泄漏更難以發現，往往要到泄漏 較大時，或在其它工藝運行參數方式較大異常時才能夠有所察覺，但這時往往失去了處理泄漏和事故的最佳機會。有時泄漏能夠察覺的時候已經接近事故的邊緣。

人類在工業活動中廣泛利用超聲波約在上世紀50年代（超聲波技術的另一個主要應用領域是在醫療檢測方面）。由于超聲波具有可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播的特性；超聲波可傳遞很強的能量；超聲波會產生反射、干涉、迭加和共振現象；超聲波在液體介質中傳播時，可在接 口上產生強烈的沖擊和空化現象。利用上述特點，超聲波能夠實現物體的表面處理，即對物品的表面進行清潔處理（超聲波清洗機）；對介質進行分散和粉碎（超聲波粉碎機）；進行物體流量、空間狀態、運轉狀態的檢測（超聲波流量計，超聲波雷達，超聲波測厚儀，超聲波探傷儀）等等。超聲波在工業領域得到包括超聲波檢測等多方面的應用。

超聲波和可聽聲本質上是一致的。它們的共同點都是一種機械振動模式，通常以縱波的方式在彈性介質內傳播，是一種能量的傳播形式-其不同點是超聲波具有高頻率，短波長特性，在一定距離內沿直線傳播，具有良好的束射性和方向性。超聲波頻率不同于可聽聲，因此采用超聲波儀器檢測設備故障不容易被工礦企業的設備運行噪聲所干擾，檢測準確率較高；由于超聲波傳播具有的束射性和方向性使超聲波檢測方法具有可以準確確定故障位置的優點。

美國UE systems公司與Ultraprobe?系列超聲波檢測儀器

關于美國UE systems公司

美國UE systems公司成立于1973年，至今已有近50年歷史。美國UE systems公司專門研發生產Ultraprobe系列超聲波全功能泄漏檢測儀UP100、UP2000、UP3000、UP9000、UP10000、UP15000系列產品。美國UE systems公司的Ultraprobe系列超聲波檢測儀器設計輕巧，功能附件全面，攜帶方便，可隨時用來作設備運行維護及危險介質的泄漏檢測；對運轉機械進行狀態分析以及電氣系統放電檢測和絕緣檢查；應用于設備故障預防與安全保障等領域，40多年來，美國UE systems公司的Ultraprobe系列超聲波檢測儀器已經幫助成千上萬家企業提高生產能力和安全生產水平。

UE systems的全球業務劃分為歐洲，亞洲及南美地區，在每個地區都設有服務支持的辦事處。而亞洲區辦事處設立于香港。在國內，由我們的代理服務商（北京新宇勝利儀器有限責任公司）為大家提供服務；我們擁有大批企業應用UE systems公司的產品，如北京供電局，天津供電局，安徽供電局，嘉吉糧油食品集團，比亞迪，中廣核，中航飛機，國內的各汽車制造企業，普萊克斯氣體集團，中芯國際，英特爾工廠等等。在國外，如美國的波音公司、美國航空航天局（NASA）、美國郵務總處、核電廠、通用電器集團(GE)、杜邦化工等等。

設備系統描述

Ultraprobe系列超聲波檢測儀器使用氣導超聲技術（我們也稱為空氣傳播的超聲波探測技術）。氣導超聲指的是由故障源發出的超聲波通過大氣到達接收器，而不是利用可聽聲音頻道來進行。氣導超聲包括借助于波導接收通過一個或多個介質產生的信號的方法。Ultraprobe系列超聲波檢測儀器把超聲波信號通過儀器內部轉變成可聽聲音范圍，并將其放大，主機里內存的典型聲波模式數據庫與錄入的超聲波進行比對。檢測人員能從聲音質量判別設備的故障類型與程度。

由于Ultraprobe系列超聲波檢測儀器使用廣泛，檢測儀主機里無法容納所有應用場合的所有故障超聲波數據，因此，設在美國UE systems公司的中心數據庫，儲存有各種工業場合的超聲波數據，用來支持客戶判斷和解決問題。

雖然通過設備的超聲波檢測能夠有效地發現設備故障，但由于超聲波極低的信號強度，對超聲波信號的轉換、放大和提高信噪比就成為了是否能夠有效進行超聲檢測和信號處理的關鍵。美國UE systems公司擁有先進的聲/電檢測傳感器及信號高信噪比放大技術，其前置放大器具有極低的噪聲，足夠高的增益和帶寬，能夠放大低至1μv的轉換超聲信號，以及設計完善的信號收集、放大、分析和人機界面，配置種類多樣的輔助配件和龐大的數據庫，能夠為客戶提供優質的產品和完善的服務。

Ultraprobe系列超聲波檢測儀器由基本組件和附件組成

（本處以Ultraprobe9000KT為例）。

基本組件包括手持式主機和掃描模塊：掃描模塊有三位式掃描模塊和接觸式模塊兩種形式。手持式主機包括主機，內存單元，電池和顯示屏，觸發開關，USB接口等。

附件包括標準套裝的附件和選購附件：標準附件由頭戴式隔音耳機，WTG-1標準超聲波信號發生器，橡膠聚焦探頭，接觸導音探測模塊，BCH-9雙模式電池充電器等組成。

選購附件包括：LRM-9長距離泄漏放電探頭、CFM-9近聚焦探頭、UWC超聲波集波器、UFMTG-1991多方向超聲波信號發生器、U-Bend柔性彎曲掃描探頭模塊、TELE-BEND伸縮彎曲掃描探頭模塊。

其它附件還包括：DMS數據庫管理軟件、計算機連接線、操作CD和中/英文操作手冊、鋁合金攜帶箱等。

美國UE systems主要產品：

Ultraprobe系列超聲波檢測儀器包括以下型號：

Ultraprobe15000超聲波全功能狀態檢測分析系統

Ultraprobe10000超聲波頻譜分析儀

Ultraprobe9000數字式超聲波全功能泄漏檢測儀

Ultraprobe3000數字式超聲波全功能泄漏檢測儀

Ultraprobe100模擬式超聲波全功能泄漏檢測儀

Ultraprobe 401 Digital Grease Caddy Pro數字超聲波軸承潤滑聽診器

Ultraprobe 201 Grease Caddy超聲波潤滑聽診器

UCA586超聲波狀態報警系統

ECM586配電箱監測儀

Ultra-Trak750超聲波傳感器

UWC超聲波集波器

UFMTG-1991全方向超聲波信號發生器

LRM長距離泄漏放電檢測模塊

UP100超聲波疏水閥檢測儀

定制系統：DS 386系列：實時泄漏檢測系統

本質安全型檢測環境使用:Ultraprobe?9000IS/ATEX本質安全型

UE systems的超聲波檢測儀器主要為便攜式儀器，用戶帶著我們的儀器便可到檢測現場進行聲音的采集。

主要分為模擬式和數字式兩種類型的儀器，

模擬式儀器，用戶需要一個對照曲線找回測量的分貝量，

數字式儀器，用戶可直讀 所采集聲音的量度值。因為，一些應用, 我們必需用聲音的量度值作比較及計算故障問題的大小或計算出損失的價值。在較高階型號的儀器，儀器還可與計算機作數據上傳及下載，以便檢測人員能編輯整個檢測的流程。

UE systems公司在亞洲地區也會舉辦相關的技術培訓班，用戶在購買前或購買后，也可以考慮參加有關技術的專業培訓，而在中國的培訓班，UE systems公司也提供以中文學習及考試的環境及學員參與。

ULTRAPROBE超聲波檢測儀器在工業領域的應用業績

1.超聲波泄漏檢測儀在煉化企業工業爐泄漏檢測上的應用

一個煉化企業擁有數以千計的正壓和高壓設備。由于煉化企業設備運行環境苛刻，設備的生產和安全管理要求很高。為保證裝置的安全和可靠運行，大部分煉化企業都采用預防性設備維護管理。

目前煉化企業正壓、高壓設備和設備部件，如煉化企業的工業加熱爐對流段盤管、熱電鍋爐過熱段、對流段盤管，負壓和真空等設備在不停機狀態下，進行準確、快速定點，確認泄漏位置在國內還欠缺簡單可靠的檢測手段。美國UE systems公司的超聲波檢測儀器在中國部分煉化企業使用的業 績證明能夠在線準確、快速檢測出設備故障點，大大提高了企業應對設備泄漏故障的能 力。以下介紹Ultraprobe?9000在中國石化股份有限公司的一個煉化企業使用的情況。

案例1：

該煉化企業煉油廠幾臺加熱爐中的對流段由幾組數百根長度為6-20m長的鋼管組成。由于受管內介質和管外熱煙氣（含有h2s、SO2）的腐蝕，泄漏的風險較大。該煉化企業煉油廠30萬噸/a重整裝置四合一加熱爐F402，由12排、每排12根、規格為?l52x8x5750mm碳鋼 和Cr5Mo合金鋼爐管組成。由于爐管數 量多、間距僅為110mm、運行溫度高，一旦發生泄漏到難以維持正常運行時，只能對裝置停車進行檢修。加熱爐檢修前，使用蒸汽、水、氮氣等工藝介質對爐管充壓進行檢漏。在兩端爐管彎頭部位，由于難以直接目視 斷定具體哪根管子的哪個部位泄漏，通常需要采取把被懷疑的管排整組換掉的檢修方式。這種檢修方式既耗費人力、物力和時間，又導致浪費不少爐管，而事倍功半。

該煉油廠重整裝置F402先后在1995年、1998年兩次發生泄漏后，于2000年10月大修時，把120根碳鋼管全部換新，但到2001年6月底又發現泄漏跡象。7月份，該公司設備管理人員使用Ultraprobe9000超聲波全功能泄漏檢測儀，在不到1小時的時間內即查出有3組管泄漏，并確定了泄漏的具體位置。2001年12月，對懷疑泄漏的煉油廠100萬噸/a連續重整裝置四合一加熱爐F301-F304對流段使用相同方法進行了檢測，只用了不到半個小時的時間查找出漏管3組并確定了泄漏的具體位置，為針對性更換盤管提供了依據。

煉油廠加熱爐對流段爐管由于內外介質溫差大、介質含硫量高、腐蝕性強，容易發生泄漏，而常規的查漏辦法是用水、氮氣或蒸汽等對爐管進行充壓檢漏，但因為人員無法進入對流段排管中，難以目視漏點而無法判斷具體漏管或漏點。據粗略統計，由于以前檢查漏管的手段比較落后，每次檢漏時間約為7天，過程中耗費的物資，人力，財力很多。由于大部分情況下不能查漏到具體管段，往往擴大換管范圍，甚至更換全部盤管。采用Ultraprobe9000超聲波全功能泄漏檢測儀對泄漏的加熱爐進行查漏工作后，可以不停爐（停爐即裝置停工）檢查，節省檢漏時間7天。另一方面，還避免了難以確定泄漏位置而擴大換管造成的管材成本、工時消耗和裝置停工的損失。據該煉化企業設備管理部門測算，每次處理爐管泄漏的開支比常規辦法節省了一半以上，約50萬元以上。除了節約生產成本外，還降低了生產維護管理人員的工作強度，更重要的是無形中又增加了7天的裝置運行時間，經濟效益更大。

實踐證明，采用Ultraprobe9000超聲波全功能泄漏檢測儀檢查加熱爐泄漏，針對性強，操作便捷，省時省力，準確率高，防止使用其它傳統方法在難以準確確定泄漏位置時，擴大更換范圍的缺點，節省了檢修時間和降低了檢修費用。采用超聲波全功能泄漏檢測儀查漏是目前煉化企業發現和確定泄漏隱患的先進檢測手段。

2.超聲波泄漏檢測儀在煉化、熱電等行業生產裝置疏水器管理中的應用

疏水器廣泛應用于蒸汽輸送系統，疏水器又稱蒸汽疏水閥，其作用是保持所輸送蒸汽的干度并避免排除蒸汽輸送管道中凝結水時泄漏蒸汽造成能源浪費。按照工作原理疏水器分為機械式、熱動力式和熱靜力式等幾種型式。

疏水器易發生的故障有如下幾種：

1.堵塞，由疏水器排水不暢造成；

2.吹放，啟閉裝置故障致蒸汽隨冷凝水一起排出造成，也稱為內部泄漏；

3.泄漏，蒸汽和冷凝水非正常排放至環境；

4.溫調失靈，熱靜力式疏水器實際排水溫度與設定溫度不一致造成。疏水器故障造成不能正常疏水，影響蒸汽質量；或浪費蒸汽；嚴重時還會由于凝結水管內帶氣發生”水擊”現象，對安全生產造成威脅。

在對疏水器的日常管理中，我國很多企業處于“只裝少管”的狀態，加上缺少一種簡便、準確的檢測手段及時發現疏水器的故障，造成疏水器不良使用率較高。

使用基礎型號的UP100超聲波檢測儀便能承擔疏水器功能檢測儀的任務。

在超聲波檢測儀的內存中存儲了各種型號的疏水器蒸汽泄漏量與其所發出的超聲波之間的函數關系的數據報告后，就可以方便地對疏水器進行運行檢測。檢測時，超聲波檢測儀可根據其超聲波接收器的數據和溫度感應值，自動判斷疏水器的泄漏和吹放狀況。此外，儀器中存儲了各種壓力下 蒸汽的飽和溫度，以及不同滯留凝結水水量狀況下所對應的參照溫度，所以通過儀器溫度感應值，就能較為準確地確定疏水器的堵塞程度。

超聲波檢測儀，主要由超聲波感應探頭，溫度感應探頭和顯示儀幾部分組成，可進行工作溫度選擇、疏水器廠家或型號選定等菜單操作。

案例2：

中國石化股份有限公司某煉化企業乙烯廠乙烯裝置共有各類疏水器417臺。2002年12月對其中315臺具檢測條件 的疏水器進行了實際檢測，檢測發現受檢疏水器中有125臺處于不良使用狀態，平均故障率達40%。經初步核算，因疏 水器故障問題，乙烯裝置大約每年損失各種蒸汽2800噸以上。根據檢測結果，該 公司對存在問題的疏水器進行了維修或 更換。為了檢驗故障處理效果，2003年 2月對檢測過的疏水器進行了復測，結果令管理人員大為振奮：疏水器故障率僅為 4.2%！通過比較乙烯裝置蒸汽消耗量，發現同等條件下相比每月節約蒸汽2000 噸以上，月節約蒸汽費用21萬元，蒸汽質量也有一定改善，節能增效效果非常明顯。（注：由于原文“受檢疏水器中有125臺處于不良使用狀態”，因此原文“每月節約蒸汽200噸以上”似有筆誤。）

3.超聲波泄漏檢測儀在煉化熱電企業設備閥門泄漏檢測上的應用

通常在煉化企業，傳統檢測貯氣罐，石油氣，煉廠氣或煤氣管道的氣體泄漏采用液體（肥皂水）法或熱線型半導體式燃氣檢漏儀。對煉廠氣、石油氣和煤氣的貯氣罐及輸送管道進行泄漏檢測。

前者的靈敏度低，作業時間長；后者的檢漏靈敏度較高，但必須使用吸氣泵和防爆、防毒保安措施，成本高，作業不便。煉化企業生產裝置某些部位的氣體屬于有毒有害氣體，如未脫硫煉廠氣含有較高的硫化氫，采用普通方法測漏對作業者可能產生毒害作用，甚至危及人身安全。

超聲波泄漏檢測儀可以克服以上兩種檢測方法的缺點，并能瞬時檢測氣體泄漏。采用高靈敏度超聲波傳感器的檢漏儀，可以實現遠距離（10m以上）檢測，作業安全可靠。

對于真空設備的氣密性檢測，前述的傳統檢測方法無效。但使用超聲波泄漏檢測儀能夠有效采集到真空容器或真空管道某處縫隙因空氣漏入產生超聲波信號，從而發現泄漏。無論其他的化學成分是什么，只要泄漏便會產生超聲波，使用同一超聲傳感器，可以檢測各種氣體的泄漏。超聲檢測尤其適合于多種氣體、飽和氣體、壓力容器和真空處理等場合的泄漏檢查。超聲檢測也能方便、靈敏地發現閥門內漏。

煉油化工生產裝置和熱能動力設施工藝流程中，根據生產的需要，有時需要對某種工藝介質進行隔斷，如果閥門內漏（合格油品在線的安全閥內漏、鍋爐給水調節閥的旁路閥內漏、減壓閥或減壓閥的旁路閥內漏）未被發現，將影響工藝調節的準確性、工藝處理的效能或浪費工藝原料和介質。因此檢查和確認隔斷閥門是否內漏對安全生產和提高生產效能有重要的意義。

由于隔斷閥門通常都與其它調節閥門或有其它能夠產生噪音設備相鄰近，因此使用聽音棒不能準確判斷閥門內漏，特別是內漏較小的情況。當閥門有泄漏（或阻塞）時，液體通過泄漏點或阻塞段會產生湍流并產生強烈的超聲波信號，因而，即使在噪音環境下也能被超聲波泄漏檢測儀檢測出來。超聲波檢測能夠有效確定閥門內漏，不論何類流體產生內漏都可以被檢測到。具有調頻功能的超聲波泄漏檢測儀可突出故障信號，明顯降低外來聲音的干擾，即使檢測排列緊密的多個閥門，也互不受到影響。

4.超聲波泄漏檢測儀在工礦企業運轉設備軸承預防性維修的應用

超聲波檢測儀器可發現軸承與運轉部件的早期故障和損害類型的檢測。轉動設備運轉時發生特定故障如軸承磨損，軸承內有異物，軸承缺油和過量加油，動平衡破壞時，除了發出人類可聽范圍的聲波之外，還同時發出人類聽閾以外的超聲波信號。

現代工業設備管理推崇設備的預防性維護。預防性維護中，很多企業還是使用聽音棒或簡易的聽音器來監聽軸承運行發出的聲音以便確定軸承的磨損狀況。不過，轉動設備早期故障在可聽聲范圍的表現十分微弱，加上其它設備運轉噪音，利用可聽聲發現設備的早期故障有很大的困難。這種檢查方法由于不靈敏，往往到了軸承在可聽音范圍內狀況不良、必須立即更換部件時才能做出判斷，難以達到預防性維護的要求。

通過檢測35-45kHz范圍內的高頻窄波段超聲波，可以很靈敏地探測聲波振幅和音調的微小變化，再與數據庫的典型故障頻譜對照，可以發現軸承與運轉部件的早期故障和類型，為預防性檢修創造有利條件。

超聲波檢測能在軸承磨損還在初期時就提供可預測的診斷能力，當在超聲波范圍內開始發現運轉設備某些部位聲音變化時，仍有時間計劃可行的維修而不必更換軸承。

運行中的軸承根據測得的超聲波值可定性和定量地判定軸承工作的正常狀態、潤滑不足、損壞和重大缺陷4種狀態。

運行中，我們必需要對軸承進行定期及多次的檢測工作，當累積一定的數量后，我們便可看到軸承的潤滑情況，當潤滑不足時，我們所測量的分貝量便會上升。

以上數據便顯示出，在沒有添加潤滑劑時，分貝量由26dB升至42dB。這時，加油員會對設備進行加注潤滑劑，在第二天再進行測量時，其分貝值會因為軸承已取得潤滑劑的作用，而分貝值從42dB降至28dB。

利用軟件能把其故障的發展趨勢以圖像化的形式顯示出來。

5.超聲波泄漏檢測儀在電力系統電暈放電、絕緣檢查、輸電線路及配電箱端子接觸不良監測上的應用

電暈放電是指帶電體表面在氣體或液體介質中，出現許多局部的電離和激發過程，但電極之間并不擊穿或導通而岀現的自持放電現象。電暈放電時有紅外線、紫外光、可聽聲和超聲波信號產生。

局部放電是導致電力系統絕緣損壞、電氣故障的主要原因。局部放電是反映電氣設備絕緣性能的重要參數之一，它隱含了電氣設備絕緣劣化的征兆和表現形式。因此,開展電氣設備局部放電的狀態監測工作對保障電氣系統的安全運行至關重要。

當高壓輸電線路和電氣設備出現導線外傷、導線及絕緣子表面受到污染、絕緣缺陷和空間濕度過大時，將出現放電和爬電，對電力系統的安全運行帶來很大的危害。

目前，電力系統進行此項監測的主要手段有超聲波局放檢測，超高頻局放檢測、紅外成像檢測和紫外光成像檢測技術等。各種檢測放電的方法都有其優缺點：紅外成像方法易受大氣物理條件的干擾；超高頻局放檢測易受電磁干擾的影響；紫外光檢測靈敏度較高但目前沒有量化的影響標準，也不能給出對電氣設備影響程度的預測；超聲波檢測的優點是設備使用簡便，技術相對比較成熟，現場應用經驗比較豐富，可不改變設備的運行方式進行帶電測量。由于測量的是超聲波信號，因此，對電磁干擾的抗干擾能力比較強。

超聲波檢測，可以通過對設備的逐點測量對缺陷進行定位。由于盤式絕緣子對超聲信號的衰減非常大，因此通過比較信號的幅值可以定位到缺陷發生的腔體，甚至精確到厘米范圍內。其不足是如果運行中的設備本身若有一定的振動，則對超聲定位缺陷會產生較大的誤差。但作為電氣局放的檢測, 運行中設備本身如有一定振動并不影響檢測結果。

使用超聲檢測儀器還可以進行輸電線路及配電箱接觸不良的監測，可以在安全距離25m以外準確檢測出電纜和高壓線路漏電狀況；可以在不打開配電箱柜門和不停機情況下，通過掃描門縫即可判斷柜內觸點接觸是否不良，甚至是打火花、拉弧等狀態。使用超聲波檢測局放，具有省時、省力和安全的特點。

下面為使用超聲檢測儀的例子，檢測人員對一座油浸式3000KVA，22KV轉433V的變壓器的接口位置進行檢測。

儀器檢測到放電現象，打開配電箱后，發現有白色粉沫的放電產生的遺留物在電線之上。要求變壓器公司對設備的接線進行重裝工作。

附：UE systems產品選擇指南