超声波检测仪器在各种工业领域的典型应用案例

超声波检测的原理和意义 

人类听觉的频率范围在20-20000Hz（赫兹）之间。频率高于20000Hz的声波称为超声波，频率低于20Hz的声波称为次声波，人类在自然状态下均听不到空气传导的超声波声音。

在18世纪英国工业化初期，工程技术人员和工人便知道可以利用听音棒来监察转动设备的运转情况，以便在转动设备出现初期故障时就加以处理，不致于酿成重大设备事故招致巨大财产损失和人身伤害事故。这是利用人类听觉进行有效生产活动的例子。

运转中的工业设备泄漏将导致物料损失和装置停车，污染和毒害作用。有时还会酿成火灾、爆炸、重大人身伤亡和公共安全事故。因此，在设备发生泄漏的早期或者在泄漏初始阶段时就将其辨别出来并进行处理，对安全生产运行具有重大意义。

但是，并不是所有设备泄漏和设备出现运转故障初期，就能够被及时判别出来。主要原因是现代工业装置规模庞大，同时有很多动、静设备在运行，由于介质在管道和设备中流动的噪声，运行设备运转时发出的噪音，甚至还有像磨煤机这样会发出巨大的撞击和物料摩擦声音的设备，往往会将介质泄漏的声音掩盖，直到泄漏量扩大到较大程度，比如肉眼能够看到、操作人员巡检时觉察到环境中有异响或异味，或控制室发现现场可燃性气体报警仪报警等等才可能意识到设备出现了泄漏。对于部分采用负压或真空操作条件运行的工业装置，泄漏更难以发现，往往要到泄漏 较大时，或在其它工艺运行参数方式较大异常时才能够有所察觉，但这时往往失去了处理泄漏和事故的最佳机会。有时泄漏能够察觉的时候已经接近事故的边缘。

人类在工业活动中广泛利用超声波约在上世纪50年代（超声波技术的另一个主要应用领域是在医疗检测方面）。由于超声波具有可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播的特性；超声波可传递很强的能量；超声波会产生反射、干涉、迭加和共振现象；超声波在液体介质中传播时，可在接 口上产生强烈的冲击和空化现象。利用上述特点，超声波能够实现物体的表面处理，即对物品的表面进行清洁处理（超声波清洗机）；对介质进行分散和粉碎（超声波粉碎机）；进行物体流量、空间状态、运转状态的检测（超声波流量计，超声波雷达，超声波测厚仪，超声波探伤仪）等等。超声波在工业领域得到包括超声波检测等多方面的应用。

超声波和可听声本质上是一致的。它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式-其不同点是超声波具有高频率，短波长特性，在一定距离内沿直线传播，具有良好的束射性和方向性。超声波频率不同于可听声，因此采用超声波仪器检测设备故障不容易被工矿企业的设备运行噪声所干扰，检测准确率较高；由于超声波传播具有的束射性和方向性使超声波检测方法具有可以准确确定故障位置的优点。

美国UE systems公司与Ultraprobe®系列超声波检测仪器

关于美国UE systems公司

美国UE systems公司成立于1973年，至今已有近50年历史。美国UE systems公司专门研发生产Ultraprobe系列超声波全功能泄漏检测仪UP100、UP2000、UP3000、UP9000、UP10000、UP15000系列产品。美国UE systems公司的Ultraprobe系列超声波检测仪器设计轻巧，功能附件全面，携带方便，可随时用来作设备运行维护及危险介质的泄漏检测；对运转机械进行状态分析以及电气系统放电检测和绝缘检查；应用于设备故障预防与安全保障等领域，40多年来，美国UE systems公司的Ultraprobe系列超声波检测仪器已经帮助成千上万家企业提高生产能力和安全生产水平。

UE systems的全球业务划分为欧洲，亚洲及南美地区，在每个地区都设有服务支持的办事处。而亚洲区办事处设立于香港。在国内，由我们的代理服务商（北京新宇胜利仪器有限责任公司）为大家提供服务；我们拥有大批企业应用UE systems公司的产品，如北京供电局，天津供电局，安徽供电局，嘉吉粮油食品集团，比亚迪，中广核，中航飞机，国内的各汽车制造企业，普莱克斯气体集团，中芯国际，英特尔工厂等等。在国外，如美国的波音公司、美国航空航天局（NASA）、美国邮务总处、核电厂、通用电器集团(GE)、杜邦化工等等。

设备系统描述

Ultraprobe系列超声波检测仪器使用气导超声技术（我们也称为空气传播的超声波探测技术）。气导超声指的是由故障源发出的超声波通过大气到达接收器，而不是利用可听声音频道来进行。气导超声包括借助于波导接收通过一个或多个介质产生的信号的方法。Ultraprobe系列超声波检测仪器把超声波信号通过仪器内部转变成可听声音范围，并将其放大，主机里内存的典型声波模式数据库与录入的超声波进行比对。检测人员能从声音质量判别设备的故障类型与程度。

由于Ultraprobe系列超声波检测仪器使用广泛，检测仪主机里无法容纳所有应用场合的所有故障超声波数据，因此，设在美国UE systems公司的中心数据库，储存有各种工业场合的超声波数据，用来支持客户判断和解决问题。

虽然通过设备的超声波检测能够有效地发现设备故障，但由于超声波极低的信号强度，对超声波信号的转换、放大和提高信噪比就成为了是否能够有效进行超声检测和信号处理的关键。美国UE systems公司拥有先进的声/电检测传感器及信号高信噪比放大技术，其前置放大器具有极低的噪声，足够高的增益和带宽，能够放大低至1µv的转换超声信号，以及设计完善的信号收集、放大、分析和人机界面，配置种类多样的辅助配件和庞大的数据库，能够为客户提供优质的产品和完善的服务。

Ultraprobe系列超声波检测仪器由基本组件和附件组成

（本处以Ultraprobe9000KT为例）。

基本组件包括手持式主机和扫描模块：扫描模块有三位式扫描模块和接触式模块两种形式。手持式主机包括主机，内存单元，电池和显示屏，触发开关，USB接口等。

附件包括标准套装的附件和选购附件：标准附件由头戴式隔音耳机，WTG-1标准超声波信号发生器，橡胶聚焦探头，接触导音探测模块，BCH-9双模式电池充电器等组成。

选购附件包括：LRM-9长距离泄漏放电探头、CFM-9近聚焦探头、UWC超声波集波器、UFMTG-1991多方向超声波信号发生器、U-Bend柔性弯曲扫描探头模块、TELE-BEND伸缩弯曲扫描探头模块。

其它附件还包括：DMS数据库管理软件、计算机连接线、操作CD和中/英文操作手册、铝合金携带箱等。

美国UE systems主要产品：

Ultraprobe系列超声波检测仪器包括以下型号：

Ultraprobe15000超声波全功能状态检测分析系统

Ultraprobe10000超声波频谱分析仪

Ultraprobe9000数字式超声波全功能泄漏检测仪

Ultraprobe3000数字式超声波全功能泄漏检测仪

Ultraprobe100模拟式超声波全功能泄漏检测仪

Ultraprobe 401 Digital Grease Caddy Pro数字超声波轴承润滑听诊器

Ultraprobe 201 Grease Caddy超声波润滑听诊器

UCA586超声波状态报警系统

ECM586配电箱监测仪

Ultra-Trak750超声波传感器

UWC超声波集波器

UFMTG-1991全方向超声波信号发生器

LRM长距离泄漏放电检测模块

UP100超声波疏水阀检测仪

定制系统：DS 386系列：实时泄漏检测系统

本质安全型检测环境使用:Ultraprobe®9000IS/ATEX本质安全型

UE systems的超声波检测仪器主要为便携式仪器，用户带着我们的仪器便可到检测现场进行声音的采集。

主要分为模拟式和数字式两种类型的仪器，

模拟式仪器，用户需要一个对照曲线找回测量的分贝量，

数字式仪器，用户可直读 所采集声音的量度值。因为，一些应用, 我们必需用声音的量度值作比较及计算故障问题的大小或计算出损失的价值。在较高阶型号的仪器，仪器还可与计算机作数据上传及下载，以便检测人员能编辑整个检测的流程。

UE systems公司在亚洲地区也会举办相关的技术培训班，用户在购买前或购买后，也可以考虑参加有关技术的专业培训，而在中国的培训班，UE systems公司也提供以中文学习及考试的环境及学员参与。

ULTRAPROBE超声波检测仪器在工业领域的应用业绩

1.超声波泄漏检测仪在炼化企业工业炉泄漏检测上的应用

一个炼化企业拥有数以千计的正压和高压设备。由于炼化企业设备运行环境苛刻，设备的生产和安全管理要求很高。为保证装置的安全和可靠运行，大部分炼化企业都采用预防性设备维护管理。

目前炼化企业正压、高压设备和设备部件，如炼化企业的工业加热炉对流段盘管、热电锅炉过热段、对流段盘管，负压和真空等设备在不停机状态下，进行准确、快速定点，确认泄漏位置在国内还欠缺简单可靠的检测手段。美国UE systems公司的超声波检测仪器在中国部分炼化企业使用的业 绩证明能够在线准确、快速检测出设备故障点，大大提高了企业应对设备泄漏故障的能 力。以下介绍Ultraprobe®9000在中国石化股份有限公司的一个炼化企业使用的情况。

案例1：

该炼化企业炼油厂几台加热炉中的对流段由几组数百根长度为6-20m长的钢管组成。由于受管内介质和管外热烟气（含有h2s、SO2）的腐蚀，泄漏的风险较大。该炼化企业炼油厂30万吨/a重整装置四合一加热炉F402，由12排、每排12根、规格为Øl52x8x5750mm碳钢 和Cr5Mo合金钢炉管组成。由于炉管数 量多、间距仅为110mm、运行温度高，一旦发生泄漏到难以维持正常运行时，只能对装置停车进行检修。加热炉检修前，使用蒸汽、水、氮气等工艺介质对炉管充压进行检漏。在两端炉管弯头部位，由于难以直接目视 断定具体哪根管子的哪个部位泄漏，通常需要采取把被怀疑的管排整组换掉的检修方式。这种检修方式既耗费人力、物力和时间，又导致浪费不少炉管，而事倍功半。

该炼油厂重整装置F402先后在1995年、1998年两次发生泄漏后，于2000年10月大修时，把120根碳钢管全部换新，但到2001年6月底又发现泄漏迹象。7月份，该公司设备管理人员使用Ultraprobe9000超声波全功能泄漏检测仪，在不到1小时的时间内即查出有3组管泄漏，并确定了泄漏的具体位置。2001年12月，对怀疑泄漏的炼油厂100万吨/a连续重整装置四合一加热炉F301-F304对流段使用相同方法进行了检测，只用了不到半个小时的时间查找出漏管3组并确定了泄漏的具体位置，为针对性更换盘管提供了依据。

炼油厂加热炉对流段炉管由于内外介质温差大、介质含硫量高、腐蚀性强，容易发生泄漏，而常规的查漏办法是用水、氮气或蒸汽等对炉管进行充压检漏，但因为人员无法进入对流段排管中，难以目视漏点而无法判断具体漏管或漏点。据粗略统计，由于以前检查漏管的手段比较落后，每次检漏时间约为7天，过程中耗费的物资，人力，财力很多。由于大部分情况下不能查漏到具体管段，往往扩大换管范围，甚至更换全部盘管。采用Ultraprobe9000超声波全功能泄漏检测仪对泄漏的加热炉进行查漏工作后，可以不停炉（停炉即装置停工）检查，节省检漏时间7天。另一方面，还避免了难以确定泄漏位置而扩大换管造成的管材成本、工时消耗和装置停工的损失。据该炼化企业设备管理部门测算，每次处理炉管泄漏的开支比常规办法节省了一半以上，约50万元以上。除了节约生产成本外，还降低了生产维护管理人员的工作强度，更重要的是无形中又增加了7天的装置运行时间，经济效益更大。

实践证明，采用Ultraprobe9000超声波全功能泄漏检测仪检查加热炉泄漏，针对性强，操作便捷，省时省力，准确率高，防止使用其它传统方法在难以准确确定泄漏位置时，扩大更换范围的缺点，节省了检修时间和降低了检修费用。采用超声波全功能泄漏检测仪查漏是目前炼化企业发现和确定泄漏隐患的先进检测手段。

2.超声波泄漏检测仪在炼化、热电等行业生产装置疏水器管理中的应用

疏水器广泛应用于蒸汽输送系统，疏水器又称蒸汽疏水阀，其作用是保持所输送蒸汽的干度并避免排除蒸汽输送管道中凝结水时泄漏蒸汽造成能源浪费。按照工作原理疏水器分为机械式、热动力式和热静力式等几种型式。

疏水器易发生的故障有如下几种：

1.堵塞，由疏水器排水不畅造成；

2.吹放，启闭装置故障致蒸汽随冷凝水一起排出造成，也称为内部泄漏；

3.泄漏，蒸汽和冷凝水非正常排放至环境；

4.温调失灵，热静力式疏水器实际排水温度与设定温度不一致造成。疏水器故障造成不能正常疏水，影响蒸汽质量；或浪费蒸汽；严重时还会由于凝结水管内带气发生”水击”现象，对安全生产造成威胁。

在对疏水器的日常管理中，我国很多企业处于“只装少管”的状态，加上缺少一种简便、准确的检测手段及时发现疏水器的故障，造成疏水器不良使用率较高。

使用基础型号的UP100超声波检测仪便能承担疏水器功能检测仪的任务。

在超声波检测仪的内存中存储了各种型号的疏水器蒸汽泄漏量与其所发出的超声波之间的函数关系的数据报告后，就可以方便地对疏水器进行运行检测。检测时，超声波检测仪可根据其超声波接收器的数据和温度感应值，自动判断疏水器的泄漏和吹放状况。此外，仪器中存储了各种压力下 蒸汽的饱和温度，以及不同滞留凝结水水量状况下所对应的参照温度，所以通过仪器温度感应值，就能较为准确地确定疏水器的堵塞程度。

超声波检测仪，主要由超声波感应探头，温度感应探头和显示仪几部分组成，可进行工作温度选择、疏水器厂家或型号选定等菜单操作。

案例2：

中国石化股份有限公司某炼化企业乙烯厂乙烯装置共有各类疏水器417台。2002年12月对其中315台具检测条件 的疏水器进行了实际检测，检测发现受检疏水器中有125台处于不良使用状态，平均故障率达40%。经初步核算，因疏 水器故障问题，乙烯装置大约每年损失各种蒸汽2800吨以上。根据检测结果，该 公司对存在问题的疏水器进行了维修或 更换。为了检验故障处理效果，2003年 2月对检测过的疏水器进行了复测，结果令管理人员大为振奋：疏水器故障率仅为 4.2%！通过比较乙烯装置蒸汽消耗量，发现同等条件下相比每月节约蒸汽2000 吨以上，月节约蒸汽费用21万元，蒸汽质量也有一定改善，节能增效效果非常明显。（注：由于原文“受检疏水器中有125台处于不良使用状态”，因此原文“每月节约蒸汽200吨以上”似有笔误。）

3.超声波泄漏检测仪在炼化热电企业设备阀门泄漏检测上的应用

通常在炼化企业，传统检测贮气罐，石油气，炼厂气或煤气管道的气体泄漏采用液体（肥皂水）法或热线型半导体式燃气检漏仪。对炼厂气、石油气和煤气的贮气罐及输送管道进行泄漏检测。

前者的灵敏度低，作业时间长；后者的检漏灵敏度较高，但必须使用吸气泵和防爆、防毒保安措施，成本高，作业不便。炼化企业生产装置某些部位的气体属于有毒有害气体，如未脱硫炼厂气含有较高的硫化氢，采用普通方法测漏对作业者可能产生毒害作用，甚至危及人身安全。

超声波泄漏检测仪可以克服以上两种检测方法的缺点，并能瞬时检测气体泄漏。采用高灵敏度超声波传感器的检漏仪，可以实现远距离（10m以上）检测，作业安全可靠。

对于真空设备的气密性检测，前述的传统检测方法无效。但使用超声波泄漏检测仪能够有效采集到真空容器或真空管道某处缝隙因空气漏入产生超声波信号，从而发现泄漏。无论其他的化学成分是什么，只要泄漏便会产生超声波，使用同一超声传感器，可以检测各种气体的泄漏。超声检测尤其适合于多种气体、饱和气体、压力容器和真空处理等场合的泄漏检查。超声检测也能方便、灵敏地发现阀门内漏。

炼油化工生产装置和热能动力设施工艺流程中，根据生产的需要，有时需要对某种工艺介质进行隔断，如果阀门内漏（合格油品在线的安全阀内漏、锅炉给水调节阀的旁路阀内漏、减压阀或减压阀的旁路阀内漏）未被发现，将影响工艺调节的准确性、工艺处理的效能或浪费工艺原料和介质。因此检查和确认隔断阀门是否内漏对安全生产和提高生产效能有重要的意义。

由于隔断阀门通常都与其它调节阀门或有其它能够产生噪音设备相邻近，因此使用听音棒不能准确判断阀门内漏，特别是内漏较小的情况。当阀门有泄漏（或阻塞）时，液体通过泄漏点或阻塞段会产生湍流并产生强烈的超声波信号，因而，即使在噪音环境下也能被超声波泄漏检测仪检测出来。超声波检测能够有效确定阀门内漏，不论何类流体产生内漏都可以被检测到。具有调频功能的超声波泄漏检测仪可突出故障信号，明显降低外来声音的干扰，即使检测排列紧密的多个阀门，也互不受到影响。

4.超声波泄漏检测仪在工矿企业运转设备轴承预防性维修的应用

超声波检测仪器可发现轴承与运转部件的早期故障和损害类型的检测。转动设备运转时发生特定故障如轴承磨损，轴承内有异物，轴承缺油和过量加油，动平衡破坏时，除了发出人类可听范围的声波之外，还同时发出人类听阈以外的超声波信号。

现代工业设备管理推崇设备的预防性维护。预防性维护中，很多企业还是使用听音棒或简易的听音器来监听轴承运行发出的声音以便确定轴承的磨损状况。不过，转动设备早期故障在可听声范围的表现十分微弱，加上其它设备运转噪音，利用可听声发现设备的早期故障有很大的困难。这种检查方法由于不灵敏，往往到了轴承在可听音范围内状况不良、必须立即更换部件时才能做出判断，难以达到预防性维护的要求。

通过检测35-45kHz范围内的高频窄波段超声波，可以很灵敏地探测声波振幅和音调的微小变化，再与数据库的典型故障频谱对照，可以发现轴承与运转部件的早期故障和类型，为预防性检修创造有利条件。

超声波检测能在轴承磨损还在初期时就提供可预测的诊断能力，当在超声波范围内开始发现运转设备某些部位声音变化时，仍有时间计划可行的维修而不必更换轴承。

运行中的轴承根据测得的超声波值可定性和定量地判定轴承工作的正常状态、润滑不足、损坏和重大缺陷4种状态。

运行中，我们必需要对轴承进行定期及多次的检测工作，当累积一定的数量后，我们便可看到轴承的润滑情况，当润滑不足时，我们所测量的分贝量便会上升。

以上数据便显示出，在没有添加润滑剂时，分贝量由26dB升至42dB。这时，加油员会对设备进行加注润滑剂，在第二天再进行测量时，其分贝值会因为轴承已取得润滑剂的作用，而分贝值从42dB降至28dB。

利用软件能把其故障的发展趋势以图像化的形式显示出来。

5.超声波泄漏检测仪在电力系统电晕放电、绝缘检查、输电线路及配电箱端子接触不良监测上的应用

电晕放电是指带电体表面在气体或液体介质中，出现许多局部的电离和激发过程，但电极之间并不击穿或导通而岀现的自持放电现象。电晕放电时有红外线、紫外光、可听声和超声波信号产生。

局部放电是导致电力系统绝缘损坏、电气故障的主要原因。局部放电是反映电气设备绝缘性能的重要参数之一，它隐含了电气设备绝缘劣化的征兆和表现形式。因此,开展电气设备局部放电的状态监测工作对保障电气系统的安全运行至关重要。

当高压输电线路和电气设备出现导线外伤、导线及绝缘子表面受到污染、绝缘缺陷和空间湿度过大时，将出现放电和爬电，对电力系统的安全运行带来很大的危害。

目前，电力系统进行此项监测的主要手段有超声波局放检测，超高频局放检测、红外成像检测和紫外光成像检测技术等。各种检测放电的方法都有其优缺点：红外成像方法易受大气物理条件的干扰；超高频局放检测易受电磁干扰的影响；紫外光检测灵敏度较高但目前没有量化的影响标准，也不能给出对电气设备影响程度的预测；超声波检测的优点是设备使用简便，技术相对比较成熟，现场应用经验比较丰富，可不改变设备的运行方式进行带电测量。由于测量的是超声波信号，因此，对电磁干扰的抗干扰能力比较强。

超声波检测，可以通过对设备的逐点测量对缺陷进行定位。由于盘式绝缘子对超声信号的衰减非常大，因此通过比较信号的幅值可以定位到缺陷发生的腔体，甚至精确到厘米范围内。其不足是如果运行中的设备本身若有一定的振动，则对超声定位缺陷会产生较大的误差。但作为电气局放的检测, 运行中设备本身如有一定振动并不影响检测结果。

使用超声检测仪器还可以进行输电线路及配电箱接触不良的监测，可以在安全距离25m以外准确检测出电缆和高压线路漏电状况；可以在不打开配电箱柜门和不停机情况下，通过扫描门缝即可判断柜内触点接触是否不良，甚至是打火花、拉弧等状态。使用超声波检测局放，具有省时、省力和安全的特点。

下面为使用超声检测仪的例子，检测人员对一座油浸式3000KVA，22KV转433V的变压器的接口位置进行检测。

仪器检测到放电现象，打开配电箱后，发现有白色粉沫的放电产生的遗留物在电线之上。要求变压器公司对设备的接线进行重装工作。

附：UE systems产品选择指南