ICS 19.100 J 04
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T312112014
无损检测 超声导波检测 总则 Non-destructive testing--Ultrasonic guided wave testing--General principle
2015-05-01实施
2014-09-03发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会 发布 GB/T 312112014
前言
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 本标准由全国无损检测标准化技术委员会（SAC/TC56)提出和归口本标准起草单位：中国特种设备检测研究院、华中科技大学、河北省锅炉压力容器监督检验院、北京
科海恒生科技有限公司、北京康坦科技有限公司、山东瑞祥模具有限公司、上海材料研究所、山东科捷工程检测有限公司、安徽华夏高科技开发有限责任公司、河北金铎检测技术有限公司。
本标准主要起草人：沈功田、武新军、李光海、孙鹏飞、高广兴、刘德宇、景为科、安克健、王丽娜、 段庆儒、赵培征、魏忠瑞、徐江、金宇飞、梁玉梅、李寰、袁海江。
- GB/T31211—2014
无损检测 超声导波检测 总则
1范围
本标准规定了对不同材料的结构件进行超声导波检测的一般原则。 本标准适用于磁致伸缩、压电陶瓷、电磁感应和激光等所有能够产生超声导波的绳、杆、棒、管、板等
几何形状规则的材料元件及构件的超声导波检测。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证 GB/T12604.1无损检测术语超声检测 GB/T20737 7无损检测通用术语和定义 GB/T28704 无损检测 磁致伸缩超声导波检测方法 NB/T47013.3 ：承压设备无损检测超声检测
3术语和定义
GB/T12604.1、GB/T20737和GB/T28704界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
波导waveguide 定向引导特定频率超声波的结构件，如细棒材、管材或薄板，当其壁厚与波长接近时，则纵波和横波
受边界条件的影响，不能按原来的模式传播，而是按照特定的形式传播。 3.2
导波guidedwave 一种以超声或声频率在波导中平行于边界传播的弹性波，与传统超声检测的恒定波速相比，导波检
测中波速会随着波的频率和构件几何尺寸变化发生显著变化。 3.3
超声导波 ultrasonic guided wave 频率高于20kHz声波频率的导波。
3.4
群速度 groupvelocity 能量传播的速度。
3.5
相速度 phasevelocity 相同相位点扰动传播的速度。
3.6
波结构 structureofwave 对同一模态导波的质点位移与应力在构件中分布的状态。
1 GB/T 31211—2014
3.7
频厚积 只productoffrequencyandthickness 导波频率与波导材料厚度的乘积。
4方法概要
4.1 超声导波检测原理
根据被检构件特征，采用一定的方式在构件中激励出沿构件传播的导波，当该导波遇到缺陷时，会产生反射回波，采用接收传感器接收到该回波信号，通过分析回波信号特征和传播时间，即可实现对缺陷位置和大小的判别。图1是超声导波检测原理的示意图。
激励传感器
接收传感器口
弹性波
会 缺陷
--
L
图1超声导波检测原理示意图
4.2 2优点及特点
超声导波检测方法的优点及特点：
单点激励即可实现构件的长距离检测；导波传播需要波导横截面上全部质点的参与，因而能够实现同时对内外部缺陷进行的检测；一通过选用适当的模态和频率，根据缺陷的反射信号实现检测；可实现对地下构件、水下构件、带包覆层构件、多层结构构件及混凝土内构件的检测；一能够对人很难或根本无法接近的构件进行检测；多模态、多频率导波在缺陷检测、定位、定性、定量等方面具有潜力；检测成本低、速度快。
4.3局限性
超声导波检测方法的局限性：
由于频散现象的存在，导波随传播距离增加，波形会发生变化，从而使导波波形复杂；由于多模态存在，导波在遇到不连续等边界条件发生变化时会产生模态转换，从而使导波信号成分复杂；信号解释难度大；
一一缺陷检测的灵敏度及精度较低；
受外界条件和环境影响大，如构件承载、外带包覆层材料特性等。
4.4应用
4.4.1 超声导波检测方法的检测时机：
材料或构件制造及安装过程的检测，包括最终验证试验；构件投人使用后的在役检测；构件运行过程中的在线检测和监测。
4.4.2 2适用检测对象： 2 GB/T31211—2014
一管材；一棒材；一板材；工字钢等型材；
缆索等线材。 上述举例主要涉及金属材料，此方法也适用于塑料、复合材料等其他非金属材料。
-
5安全要求
本章没有列出进行检测时所有的安全要求，使用本标准的用户应在检测前建立安全准则。 检测过程中的安全要求至少包括如下要素： a） 在实施检测前，应对检测过程中可能伤害检测人员的各种危险源加以辨识，并对检测人员进行
培训和采取必要的保护措施； b） 检测人员应遵守被检件现场的安全要求，根据检测地点的要求穿戴防护工作服和佩戴有关防
护设备； c) 若有要求，使用的电子仪器应具有防爆功能； d) 在进行在线检测时，应制定特别的安全措施； e) 在封闭空间内进行操作时，应考虑氧气含量等相应因素，并采取必要的保护措施； f) 在高空进行操作时，应考虑人员、检测设备器材坠落等因素，并采取必要的保护措施； g) 在极端环境下进行操作时，如低温、高温等条件下，应考虑人员冻伤、烫伤、中暑等因素，并采
取必要的保护措施。
6人员要求
采用本标准进行检测的人员，应具备超声导波方面的基础知识，并按GB/T9445的要求或有关主管部门的规定取得相应无损检测人员资格鉴定机构颁发或认可的超声检测等级资格证书，从事相应资格等级规定的检测工作。
7检测工艺规程
7.1 通用检测工艺规程
从事超声导波检测的单位应按本标准的要求制定通用检测工艺规程，其内容至少应包括如下要素： a）适用范围； b) 引用标准、法规； c） 检测人员资格； d) 检测仪器设备：传感器、传感器夹具、信号线、前置放大器、电缆线、仪器主机、检测数据采集和
分析软件等； e） 被检件的信息：几何形状与尺寸、材质、设计与运行参数； f) 检测覆盖范围及传感器型号的确定； g) 被检件表面状态及传感器安装方式； h) 检测时机； i) 对比试件及距离-幅度曲线的绘制； ji) 检测过程和数据分析解释；
3 GB/T31211—2014
k) 检测结果的评定； 1) 检测记录、报告和资料存档； m) 工艺规程的编制、审核和批准人员； n） 编制日期。
7.2检测作业指导书或工艺卡
应按9.1.3执行。
8检测设备和器材
8.1检测仪器系统构成
超声导波检测仪器系统构成如图2所示。首先，根据被检构件计算其频散曲线，选择导波模态和激励信号频率；第二步，计算机控制信号发生单元，产生所需频率的信号源，经功率放大单元放大后驱动传感器产生所需模态的导波，并在被检构件内传播；第三步，当导波在构件内传播遇到腐蚀等缺陷时会产生反射回波，被传感器接收到；第四步，前置放大器将传感器接收到的信号放大后传输到信号主放大器，通过A/D转换输入计算机，计算机进行信号分析处理后，得到检测信号波形及结果。
激励单元
频散曲线软件
信号发生单元
传感器
功放单元
+
信号采集分析软件
前置放大器
主放大器
计算机
A/L
信号处理单元
图2 2超声导波检测系统构成
8.2频散曲线获取
8.2.1概述
在导波检测中，首先要得到被检测对象的频散曲线，然后根据频散曲线选择合适的激励频率。只有选择正确的检测频率，才能够保证检测的正确实施。 8.2.2计算方法
对于频散曲线的求取，-般是首先建立被测对象的Navier波动方程，求出波在被测构件中传播的位移和应力表达式，然后根据被检构件的位移应力等边界条件建立频散方程，该方程为超声波频率（f）与波传播速度（）的函数，求解频散方程即得到f关于的曲线，即频散曲线。
应根据被检构件选择合适的计算方程和下列参数，计算超声导波在构件中传播时的频散曲线：
材料密度；材料弹性模量；
-材料泊松比；一构件的内径和外径（对于管材）、直径（对于棒材和缆索)或壁厚（对于板材）。 图3是一典型的频散曲线示意图。对于L（0，1)模态，在频率区域1是非频散的。对于L（0，2)模
态，在频率区域2是非频散的。对于T（0，1)模态，在整个频率区间是非频散的。
4 GB/T31211-—2014
8.2.3检测波形模式的选择原则
应根据被检构件的工况和需要检测的缺陷类型及形状，来选择不同的检测波形模式。主要应考虑以下因素：
a） 选择非频散频率区间； b) 一次检测长度； c) 对于横向缺陷，选择纵向模态； d) 对于纵向缺陷，选择扭转或弯曲模态。
8.3 超声导波传感器 8.3.1 传感器的分类 8.3.1.1 按传感器与被检构件的接触方式分类如下：
干耦合式传感器；粘结式传感器；非接触式传感器。
其中干耦合式传感器和粘结式传感器统称为接触式传感器。 8.3.1.2按传感器产生超声波的工作原理分类如下：
压电式；磁致伸缩式；电磁超声式；激光超声式。
8.3.1.3 按传感器激励与接收的导波模态分类如下：
纵向导波传感器；扭转导波传感器：弯曲导波传感器；复合导波传感器。
I. (0, 2)
L.(0, 1) 颊率区域1
额率区域2
T(0, 1)
其彩雄
频率
图3典型频散曲线示意图
n GB/T 312112014
8.3.2传感器的选择
由于不同的传感器对不同的模态导波和缺陷的检测精度不同，选择传感器应考虑如下因素：
构件的材料特性，如是否导电或导磁等；构件的几何形状，如管材、棒材、线材、型材、板材等；一一构件的外部状况，如表面可接近状况、包覆层材料等；
构件的工作环境状况，如工作温度、工作介质和承载状态等；
-
一检测目的和检测缺陷的类型等。 8.3.3传感器的安装
根据传感器的不同类型，其安装方式有所区别，主要应考虑到以下因素：对于接触式传感器，被检构件表面应清理干净、平整，以提高耦合效率；一一对于压电式传感器，其安装可参考常规超声检测中对传感器的要求； -对于非接触式传感器，应尽可能靠近被测构件，以减小外界电磁、振动等干扰。
8.4激励单元
激励单元的功能主要是产生相应的激励信号，进而驱动激励传感器在构件中激发出相应模态的导波。应根据构件状况、传感器类型、频散曲线计算结果及检测的缺陷类型选择合适的激励单元。 8.5信号处理单元
信号处理单元是将接收传感器接收到的信号进行放大、滤波等调理后，通过A/D转换将信号输人到计算机。信号处理单元主要包括前置放大器，主放大器和A/D转换器。
前置放大器将来自传感器的信号转换成低阻抗信号，便于信号传输主放大器是将来自前置放大器的信号再次放大，同时采用带通滤波器去除干扰噪声。 A/D转换器是将模拟信号转换成数字信号，输人到计算机。A/D转换器的采样频率应至少大于激
励频率的10倍。
信号处理单元应与传感器、激励单元、采用的导波模式和检测目的相匹配。 8.6信号采集与分析软件
超声导波信号采集与分析软件应至少包含以下功能：
频散曲线的计算；信号采集；
一
信号存储； - 信号分析；
距离-幅度曲线的绘制；
一
信号回放；信号定位。
8.7试样 8.7.1# 校准试样
校准试样用于对检测设备进行灵敏度和各种功能的测试。校准试样应选用压力管道常用的无缝钢管制作，应具有3%、6%和9%截面损失率的横向环形切槽各一个，切槽的宽度在0.5mm2mm的范 ICS 19.100 J 04
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T312112014
无损检测 超声导波检测 总则 Non-destructive testing--Ultrasonic guided wave testing--General principle
2015-05-01实施
2014-09-03发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会 发布 GB/T 312112014
前言
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 本标准由全国无损检测标准化技术委员会（SAC/TC56)提出和归口本标准起草单位：中国特种设备检测研究院、华中科技大学、河北省锅炉压力容器监督检验院、北京
科海恒生科技有限公司、北京康坦科技有限公司、山东瑞祥模具有限公司、上海材料研究所、山东科捷工程检测有限公司、安徽华夏高科技开发有限责任公司、河北金铎检测技术有限公司。
本标准主要起草人：沈功田、武新军、李光海、孙鹏飞、高广兴、刘德宇、景为科、安克健、王丽娜、 段庆儒、赵培征、魏忠瑞、徐江、金宇飞、梁玉梅、李寰、袁海江。
- GB/T31211—2014
无损检测 超声导波检测 总则
1范围
本标准规定了对不同材料的结构件进行超声导波检测的一般原则。 本标准适用于磁致伸缩、压电陶瓷、电磁感应和激光等所有能够产生超声导波的绳、杆、棒、管、板等
几何形状规则的材料元件及构件的超声导波检测。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证 GB/T12604.1无损检测术语超声检测 GB/T20737 7无损检测通用术语和定义 GB/T28704 无损检测 磁致伸缩超声导波检测方法 NB/T47013.3 ：承压设备无损检测超声检测
3术语和定义
GB/T12604.1、GB/T20737和GB/T28704界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
波导waveguide 定向引导特定频率超声波的结构件，如细棒材、管材或薄板，当其壁厚与波长接近时，则纵波和横波
受边界条件的影响，不能按原来的模式传播，而是按照特定的形式传播。 3.2
导波guidedwave 一种以超声或声频率在波导中平行于边界传播的弹性波，与传统超声检测的恒定波速相比，导波检
测中波速会随着波的频率和构件几何尺寸变化发生显著变化。 3.3
超声导波 ultrasonic guided wave 频率高于20kHz声波频率的导波。
3.4
群速度 groupvelocity 能量传播的速度。
3.5
相速度 phasevelocity 相同相位点扰动传播的速度。
3.6
波结构 structureofwave 对同一模态导波的质点位移与应力在构件中分布的状态。
1 GB/T 31211—2014
3.7
频厚积 只productoffrequencyandthickness 导波频率与波导材料厚度的乘积。
4方法概要
4.1 超声导波检测原理
根据被检构件特征，采用一定的方式在构件中激励出沿构件传播的导波，当该导波遇到缺陷时，会产生反射回波，采用接收传感器接收到该回波信号，通过分析回波信号特征和传播时间，即可实现对缺陷位置和大小的判别。图1是超声导波检测原理的示意图。
激励传感器
接收传感器口
弹性波
会 缺陷
--
L
图1超声导波检测原理示意图
4.2 2优点及特点
超声导波检测方法的优点及特点：
单点激励即可实现构件的长距离检测；导波传播需要波导横截面上全部质点的参与，因而能够实现同时对内外部缺陷进行的检测；一通过选用适当的模态和频率，根据缺陷的反射信号实现检测；可实现对地下构件、水下构件、带包覆层构件、多层结构构件及混凝土内构件的检测；一能够对人很难或根本无法接近的构件进行检测；多模态、多频率导波在缺陷检测、定位、定性、定量等方面具有潜力；检测成本低、速度快。
4.3局限性
超声导波检测方法的局限性：
由于频散现象的存在，导波随传播距离增加，波形会发生变化，从而使导波波形复杂；由于多模态存在，导波在遇到不连续等边界条件发生变化时会产生模态转换，从而使导波信号成分复杂；信号解释难度大；
一一缺陷检测的灵敏度及精度较低；
受外界条件和环境影响大，如构件承载、外带包覆层材料特性等。
4.4应用
4.4.1 超声导波检测方法的检测时机：
材料或构件制造及安装过程的检测，包括最终验证试验；构件投人使用后的在役检测；构件运行过程中的在线检测和监测。
4.4.2 2适用检测对象： 2 GB/T31211—2014
一管材；一棒材；一板材；工字钢等型材；
缆索等线材。 上述举例主要涉及金属材料，此方法也适用于塑料、复合材料等其他非金属材料。
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5安全要求
本章没有列出进行检测时所有的安全要求，使用本标准的用户应在检测前建立安全准则。 检测过程中的安全要求至少包括如下要素： a） 在实施检测前，应对检测过程中可能伤害检测人员的各种危险源加以辨识，并对检测人员进行
培训和采取必要的保护措施； b） 检测人员应遵守被检件现场的安全要求，根据检测地点的要求穿戴防护工作服和佩戴有关防
护设备； c) 若有要求，使用的电子仪器应具有防爆功能； d) 在进行在线检测时，应制定特别的安全措施； e) 在封闭空间内进行操作时，应考虑氧气含量等相应因素，并采取必要的保护措施； f) 在高空进行操作时，应考虑人员、检测设备器材坠落等因素，并采取必要的保护措施； g) 在极端环境下进行操作时，如低温、高温等条件下，应考虑人员冻伤、烫伤、中暑等因素，并采
取必要的保护措施。
6人员要求
采用本标准进行检测的人员，应具备超声导波方面的基础知识，并按GB/T9445的要求或有关主管部门的规定取得相应无损检测人员资格鉴定机构颁发或认可的超声检测等级资格证书，从事相应资格等级规定的检测工作。
7检测工艺规程
7.1 通用检测工艺规程
从事超声导波检测的单位应按本标准的要求制定通用检测工艺规程，其内容至少应包括如下要素： a）适用范围； b) 引用标准、法规； c） 检测人员资格； d) 检测仪器设备：传感器、传感器夹具、信号线、前置放大器、电缆线、仪器主机、检测数据采集和
分析软件等； e） 被检件的信息：几何形状与尺寸、材质、设计与运行参数； f) 检测覆盖范围及传感器型号的确定； g) 被检件表面状态及传感器安装方式； h) 检测时机； i) 对比试件及距离-幅度曲线的绘制； ji) 检测过程和数据分析解释；
3 GB/T31211—2014
k) 检测结果的评定； 1) 检测记录、报告和资料存档； m) 工艺规程的编制、审核和批准人员； n） 编制日期。
7.2检测作业指导书或工艺卡
应按9.1.3执行。
8检测设备和器材
8.1检测仪器系统构成
超声导波检测仪器系统构成如图2所示。首先，根据被检构件计算其频散曲线，选择导波模态和激励信号频率；第二步，计算机控制信号发生单元，产生所需频率的信号源，经功率放大单元放大后驱动传感器产生所需模态的导波，并在被检构件内传播；第三步，当导波在构件内传播遇到腐蚀等缺陷时会产生反射回波，被传感器接收到；第四步，前置放大器将传感器接收到的信号放大后传输到信号主放大器，通过A/D转换输入计算机，计算机进行信号分析处理后，得到检测信号波形及结果。
激励单元
频散曲线软件
信号发生单元
传感器
功放单元
+
信号采集分析软件
前置放大器
主放大器
计算机
A/L
信号处理单元
图2 2超声导波检测系统构成
8.2频散曲线获取
8.2.1概述
在导波检测中，首先要得到被检测对象的频散曲线，然后根据频散曲线选择合适的激励频率。只有选择正确的检测频率，才能够保证检测的正确实施。 8.2.2计算方法
对于频散曲线的求取，-般是首先建立被测对象的Navier波动方程，求出波在被测构件中传播的位移和应力表达式，然后根据被检构件的位移应力等边界条件建立频散方程，该方程为超声波频率（f）与波传播速度（）的函数，求解频散方程即得到f关于的曲线，即频散曲线。
应根据被检构件选择合适的计算方程和下列参数，计算超声导波在构件中传播时的频散曲线：
材料密度；材料弹性模量；
-材料泊松比；一构件的内径和外径（对于管材）、直径（对于棒材和缆索)或壁厚（对于板材）。 图3是一典型的频散曲线示意图。对于L（0，1)模态，在频率区域1是非频散的。对于L（0，2)模
态，在频率区域2是非频散的。对于T（0，1)模态，在整个频率区间是非频散的。
4 GB/T31211-—2014
8.2.3检测波形模式的选择原则
应根据被检构件的工况和需要检测的缺陷类型及形状，来选择不同的检测波形模式。主要应考虑以下因素：
a） 选择非频散频率区间； b) 一次检测长度； c) 对于横向缺陷，选择纵向模态； d) 对于纵向缺陷，选择扭转或弯曲模态。
8.3 超声导波传感器 8.3.1 传感器的分类 8.3.1.1 按传感器与被检构件的接触方式分类如下：
干耦合式传感器；粘结式传感器；非接触式传感器。
其中干耦合式传感器和粘结式传感器统称为接触式传感器。 8.3.1.2按传感器产生超声波的工作原理分类如下：
压电式；磁致伸缩式；电磁超声式；激光超声式。
8.3.1.3 按传感器激励与接收的导波模态分类如下：
纵向导波传感器；扭转导波传感器：弯曲导波传感器；复合导波传感器。
I. (0, 2)
L.(0, 1) 颊率区域1
额率区域2
T(0, 1)
其彩雄
频率
图3典型频散曲线示意图
n GB/T 312112014
8.3.2传感器的选择
由于不同的传感器对不同的模态导波和缺陷的检测精度不同，选择传感器应考虑如下因素：
构件的材料特性，如是否导电或导磁等；构件的几何形状，如管材、棒材、线材、型材、板材等；一一构件的外部状况，如表面可接近状况、包覆层材料等；
构件的工作环境状况，如工作温度、工作介质和承载状态等；
-
一检测目的和检测缺陷的类型等。 8.3.3传感器的安装
根据传感器的不同类型，其安装方式有所区别，主要应考虑到以下因素：对于接触式传感器，被检构件表面应清理干净、平整，以提高耦合效率；一一对于压电式传感器，其安装可参考常规超声检测中对传感器的要求； -对于非接触式传感器，应尽可能靠近被测构件，以减小外界电磁、振动等干扰。
8.4激励单元
激励单元的功能主要是产生相应的激励信号，进而驱动激励传感器在构件中激发出相应模态的导波。应根据构件状况、传感器类型、频散曲线计算结果及检测的缺陷类型选择合适的激励单元。 8.5信号处理单元
信号处理单元是将接收传感器接收到的信号进行放大、滤波等调理后，通过A/D转换将信号输人到计算机。信号处理单元主要包括前置放大器，主放大器和A/D转换器。
前置放大器将来自传感器的信号转换成低阻抗信号，便于信号传输主放大器是将来自前置放大器的信号再次放大，同时采用带通滤波器去除干扰噪声。 A/D转换器是将模拟信号转换成数字信号，输人到计算机。A/D转换器的采样频率应至少大于激
励频率的10倍。
信号处理单元应与传感器、激励单元、采用的导波模式和检测目的相匹配。 8.6信号采集与分析软件
超声导波信号采集与分析软件应至少包含以下功能：
频散曲线的计算；信号采集；
一
信号存储； - 信号分析；
距离-幅度曲线的绘制；
一
信号回放；信号定位。
8.7试样 8.7.1# 校准试样
校准试样用于对检测设备进行灵敏度和各种功能的测试。校准试样应选用压力管道常用的无缝钢管制作，应具有3%、6%和9%截面损失率的横向环形切槽各一个，切槽的宽度在0.5mm2mm的范