随着石油和天然气工业的快速发展，油气管道规模越来越大，同时管道安全事故也频繁发生。导致管道安全事故的因素很多，其中管道焊缝缺陷是引发管道泄漏事故的主要因素之一^[1-2]，焊缝质量和焊接完整性会直接影响管道焊接结构的性能、可靠性和寿命。目前，主要通过管道焊缝质量控制和缺陷无损检测两种途径来保证管道的安全运行^[3-4]。

在常规无损检测方法中，超声检测、射线检测方法是实现管道焊缝缺陷检测的主要方法^[4-6]，其中射线检测对平面型缺陷的检测灵敏度较低，存在对人体有害的辐射，需要对探伤人员做额外安全防护措施，且检测结果底片不易携带和存储。与射线检测相比，超声检测对裂纹的检出灵敏度较高^[5-6]，且对人体无害。随着新型超声传感器技术、自动化控制技术、现代计算机技术与图像处理技术的发展，超声检测也逐渐进入自动化检测时代，因此，超声检测技术应用范围日趋广泛。

针对传统超声检测技术存在的接触式检测、需要耦合剂等不足，出现了一种新的超声检测技术，即激光超声。以下对激光超声的激励和检测技术原理进行了阐述，设计了检测方案，研制了激光超声检测装置，并开展了管道焊缝试块的缺陷检测实验。

1.   激光超声激励技术

当特定波长的脉冲激光照射到金属表面时，根据金属表面的吸收谱特性，一部分激光能量被金属吸收，另一部分被反射。由于入射激光的功率密度和金属表面的吸收特性不同，按激光能量吸收的强弱，金属中激光激发超声波的机理分为热弹和烧蚀机制。

当激光脉冲能量较小或金属表面吸收率较低时，金属表面吸收光能量相应较低。金属表面被激光照射的部分产生热应力区，在金属内部产生应力波(即超声波)，其绝大部分在弹性范围内，该模式即为热弹效应；当激光脉冲能量较强或金属表面吸收率较高，金属表面吸收光能相应较高，其所导致的温升超过金属蒸发温度，金属表面会被部分气化，一部分原子脱离金属表面形成等离子体，等离子体的喷射过程会产生很大的法向反作用力，从而激发出幅度较大的超声波，该模式即为烧蚀效应。与热弹效应相比，烧蚀效应下的超声激发效率要高约4个数量级，可以获得大幅度的超声纵波、横波和表面波，但每次会对表面产生约0.3 μm的损伤。实验研究也验证了这一点，在管道试件表面逐渐提高入射激光脉冲的能量密度，检测到的超声信号强度和信噪比也逐渐提高。

2.   激光超声检测技术

激光超声非接触式检测技术可分为非干涉检测技术和干涉检测技术。非干涉检测技术是利用超声传播过程中引起的样品表面形变或反射率改变，使检测光的反射方向和强度的变化，进而实现对样品的缺陷检测，主要包括光偏转刀片检测技术、表面栅格衍射技术和反射率检测技术等。在干涉检测技术中，超声波在金属表面传播或到达金属表面时，引起表面微位移^[7-8]。检测光从样品表面反射时，表面微位移会引起光束的相位或频率调制变化，通过干涉将光束的相位或频率变化转化为光电信号来实现检测。干涉检测技术可分为线性干涉检测技术和非线性干涉检测技术。线性干涉检测技术包括外差/零差、速度/时延和共焦Fabry-Perot干涉检测技术等，基于这些技术原理开发的检测装置有外差干涉仪、速度干涉仪和共焦Fabry-Perot干涉仪等。非线性干涉检测主要包括双波混合干涉检测和光生电动势干涉检测等^[8-10]。

采用双波混合干涉检测技术的系统具有系统紧凑、结构简单、性能稳定，对低频扰动不敏感等优点，且由于双波混合过程中的参考光空间相位自动匹配机制，该技术十分适合粗糙表面的超声检测。考虑到管道焊缝表面粗糙度的要求，以下主要对双波混合干涉检测技术进行了研究。

双波混合干涉仪将金属表面反射的信号光束与参考光束在光折变晶体中相干涉而形成动态全息光栅，信号光和参考光的一部分分别被该光栅衍射。当脉冲激光激励样品，引起表面较小扰动。同时引起信号光束发生“畸变”，携带了表面位移的信息。参考光束通过这一光折变光栅，形成一波前“畸变”的参考光束，其与“畸变”的信号光束相干涉，达到测量粗糙表面微位移的目的(图 1)^[10-12]。

图  1  光折变晶体双波混合干涉示意图

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由于光折变晶体里形成的动态光栅可随时校正参考光束与信号光束光强，达到高效的相干检测目的。由管道的运动或传播路径微小扰动引起的信号光束波形的缓慢变化，可通过晶体内全息光栅的动态变化来实时补偿，从而提高干涉信号质量。双波混合干涉仪能接收来自样品表面的多个散斑，具有很强的聚光能力，故适用于粗糙表面的测量，且操作简单，易于调节。

3.   激光超声检测装置及实验

3.1   激光超声检测装置

基于激光超声理论和实验研究结果，设计研制了基于光折变晶体的双波混合干涉超声检测系统(图 2、图 3)。采用532 nm连续激光器作为检测光源，该光源发出的激光通过一组透镜进行光束整形，然后通过分束镜分为2束光，分别作为参考光和检测光。参考光经2次反射到达光折变晶体。检测光通过一系列光学器件和聚焦系统到达管道焊缝表面，其反射光携带超声信号作为信号光，经聚焦系统和反射镜到达光折变晶体，通过光折变晶体光栅的信号光与衍射的参考光束进行干涉，最后由光电探测器接收实现光电转换。

图  2  激光超声检测装置光路原理图

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图  3  激光超声检测装置实物图

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3.2   激光超声检测实验

超声激励采用Nd: YAG激光器，其激光脉冲最大能量为200 mJ，重复频率10 Hz，激光光斑直径约为6 mm(图 4)。脉冲激光被分光镜分成两束：一束能量约5%的激光经过衰减后由光电探测器接收转换为电信号，作为信号采集的触发信号；另一束脉冲激光经透镜聚焦到钢管试块表面，用于激发超声信号，超声信号检测装置检测和接收管道试块上的超声信号，并以电压信号形式输出，最后通过信号采集与处理，并在显示屏上显示。

图  4  激光超声检测实验装置组成示意图

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3.2.1   管道试块厚度检测

使用超声纵波对管道试块厚度进行检测(图 5)，在管道试块一侧激发，并在同一侧用超声检测系统接收，即激励点和检测点位于管道试块同侧且相隔一定距离。实验中将脉冲激光能量逐渐提高，使超声激励模式工作于热弹和烧蚀的临界状态，以获得信噪比较高的超声信号。

图  5  激光超声检测实验示意图

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钢管试块厚度实测为20.04 mm，从检测到的超声波形(图 6)中，可清晰看到激励波、激励时产生的冲击波、管道试块底面回波。底面回波相对激励波的时间延迟为6.8 μs，钢管中超声波速为5 920 m/s，计算得到钢管厚度为20.15 mm，检测误差为0.11 mm。由于在管道试块同侧激励和接收，激励点和接收点有一定距离，导致了检测误差偏大。

图  6  激光超声实验检测底面回波波形图

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3.2.2   管道焊缝缺陷的检测

在钢管焊缝试块内制作一个长度1.5 mm、深度8.8 mm的缺陷，使用与管道试块厚度检测方法相同的检测方式，对缺陷回波信号进行检测。当调节激励点和接收点到缺陷正上方时，检测到的超声信号波形(图 7)表明：缺陷回波相对激励波的时间延迟为3.07 μs，钢管中超声波速为5 920 m/s，钢管厚度为9.09 mm，检测误差为0.29 mm。

图  7  激光超声实验检测缺陷回波波形图

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同样地，由于激励点和接收点相隔一定距离，导致了检测偏差偏大，且缺陷深度越小，引起的检测偏差越大。因此，在实际检测中，可以根据激励点和检测点间距，减去由此引起的检测偏差，可有效降低系统检测误差。

4.   结论

针对管道焊缝缺陷检测需求，研究了激光超声的激励和检测原理，研制了基于光折变晶体双波混合干涉技术的激光超声检测装置，将分散器件进行了集成化设计，大大减小了检测装置的体积，使检测移动更为方便，提高了设备操作的灵活性。对激光超声检测装置的各项指标进行了测试，针对不同厚度的钢管及管片开展了缺陷检测实验，实现了管道焊缝检测，厚度为10 mm、20 mm、30 mm钢管内部缺陷检测率达到100%。实验结果表明，研制的检测装置可有效检出钢管底面和缺陷的超声回波信号，根据回波信号时延和超声波速可得到钢管壁厚和缺陷深度，且检测误差较小，实现了管道壁厚和焊缝缺陷的非接触式检测。激光超声技术应用于实际管道检测，还有诸多问题需要解决，如扫描检测效率较低、同侧激励和接收时超声激励会产生冲击波干扰、钢管表面反射率低且不稳定导致信号光强度波动明显等，但由于非接触、高精度等特点，激光超声在无损检测领域具有广阔的发展前景。