管道缺陷檢測及評價中超聲導波技術(shù)的實踐探討

翟明

摘 要 管道運輸是氣體和液體介質(zhì)運輸中一種常用方式，具有穩(wěn)定可靠，連續(xù)性強的特點，不過，管道一般采用的多是地埋敷設的方式，一旦出現(xiàn)問題和缺陷，很難及時發(fā)現(xiàn)，從而影響其運行安全。超聲導波技術(shù)屬于無損檢測技術(shù)，檢測距離長、檢測速度快，成本低廉，對于常規(guī)檢測方法無能為力的套管或者地埋管有著良好的檢測效果。本文從超聲導波技術(shù)的內(nèi)涵和原理出發(fā)，對其在管道缺陷檢測及評價中的應用進行了分析和討論。

關(guān)鍵詞 管道缺陷；檢測；評價；超聲導波技術(shù)；實踐

中圖分類號 TH878 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0205-01

對于市政給排水管道、天然氣管道以及長距離油氣管道的檢測，從安全性考慮，一般都要求無損檢測技術(shù)，即在不造成管道人為損害的前提下，對管道中存在的缺陷和問題進行檢測和分析。而當前許多管道的檢測距離較長，沿線障礙物眾多，想要單純的依靠宏觀目視檢測基本不可能，在這種情況下，就需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)長距離大范圍檢測的無損檢測方法來保證管道檢測的

效果。

1 超聲導波技術(shù)概述

超聲導波技術(shù)，是一種運用低頻扭曲波或者縱波進行缺陷檢測的技術(shù)，可以實現(xiàn)對管道的長距離檢測，不需要開挖就可以明確地埋管道的實際狀態(tài)。超聲導波產(chǎn)生機理與薄板中蘭姆波機理類似，主要是在受限空間中，經(jīng)往復反射并產(chǎn)生復雜疊加干涉和幾何彌散形成。在管道檢測中，導波對于單個缺陷的檢出靈敏度并不算很高，不會其可以在傳輸較長的距離而不會出現(xiàn)嚴重衰減，配合固定脈沖回波陣列，就可以實現(xiàn)大范圍檢測，在管道內(nèi)外壁腐蝕和焊縫缺陷檢測中有著良好的適用性。尤其是低頻導波長距離超聲檢測，可以實現(xiàn)管道內(nèi)外壁腐蝕狀況的同步檢測，也可以及時發(fā)現(xiàn)管道斷面中存在的平面狀缺陷[1]。

結(jié)合超聲導波技術(shù)進行管道缺陷檢測，需要先在管道周邊均勻安裝傳感器環(huán)，利用傳感器環(huán)發(fā)出超聲脈沖，使得脈沖能夠遍布管道的圓周方向，囊括整個管壁厚度，沿管道向遠處傳播。而當超聲脈沖傳播時，如果管道壁存在腐蝕或者其他原因造成的缺陷，就會產(chǎn)生反射信號傳感器陣列在接收到反射信號后，會根據(jù)缺陷波形對信號進行轉(zhuǎn)換，從而識別出管道的外形特征和金屬缺損。

2 超聲導波在管道中的傳播特性

波動衰減與其自身頻率密切相關(guān)，頻率越高，衰減越嚴重。而無論是體波還是導波，衰減的方式完全一致，無外乎吸收和散射，而在管道中，部分聲波能量可能通過管道內(nèi)壁揮著外壁泄漏。尤其是在運輸介質(zhì)的管道或者附帶有黏性包覆層的管道，超聲導波的能量衰減速度非常快。

在介質(zhì)中，導波的傳播如果遭遇裂紋、孔洞等缺陷，就會出現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換或者散射問題。在不同介質(zhì)的分界處，聲阻差決定了聲波能量反射值，兩者成正比關(guān)系。同時，如果波的傳播速度出現(xiàn)變化，會引發(fā)折射和反射問題[2]。

管道中的導波在遇到幾何形狀變化或者不連續(xù)時，會出現(xiàn)傳播速度的改變。例如，當管道焊接位置存在缺陷時，會導致回波信號的理想性變差。在經(jīng)過彎管后，于圓周方向，導波會出現(xiàn)明顯聲場變化，如果管道本身壁厚均勻性差，會造成導波的衰減、散射或者波形變換，影響回波信號的檢出靈敏度。傳輸在管道內(nèi)的介質(zhì)會吸收部分聲波能量，導致聲波衰減，影響實際檢測距離。因此，在運用超聲導波技術(shù)對管道缺陷進行檢測時，應該對所有可能存在的影響因素進行全面分析，保證檢測結(jié)果真實可靠。

3 管道超聲導波檢測實驗

3.1 實驗裝置

在實驗中，管道缺陷檢測系統(tǒng)包括了計算機、電源、傳感器、主機以及通訊電纜等。傳感器需要設置在管道周邊，形成并列等間隔傳感器陣列，根據(jù)管道直徑和導波模態(tài)確定傳感器的數(shù)量。實際檢測環(huán)節(jié)，需要利用壓縮空氣來驅(qū)動卡環(huán)，保證傳感器與管道表面的可靠接觸；如果需要采用低頻超聲，只需要對管道表面進行清理而不需用到耦合劑。無論是探頭卡環(huán)的安置，還是后續(xù)的調(diào)整，都應該將時間控制在20min以內(nèi)[3]。

3.2 現(xiàn)場實驗

選擇普通低碳鋼管作為實驗管材，不設置包覆層，不過表面噴涂有防腐防銹漆層。實驗管道外直徑為203mm，壁厚7.1mm，全長24.65m。在距離管道端部0.45m的位置，設置傳感器陣列，對安裝位置的管道外表面進行清理，確保其與管道表面接觸良好。從方便數(shù)據(jù)分析的角度，將激勵導波原點設置在傳感器環(huán)中心位置，管道上人為設置彎曲、焊縫和凹槽等缺陷。以軸對稱縱向L（0，2）模態(tài)及扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài)超聲導波對管道缺陷進行檢測，分析導波在遇到法蘭、焊縫、凹槽等缺陷時的能量衰減及反射情況。

3.3 結(jié)果分析

在距離-幅值曲線（DAC曲線）中，設置有4條曲線，將法蘭信號反射幅度設置為100%（0dB），焊縫反射幅度20%（-14dB），由此確定導波信號衰減率。-26dB為報告水平線，與9%橫截面蝕失缺陷響應當量對應；-32dB可以對信噪比進行檢驗，也可以對小缺陷靈敏度進行限定，與3%管壁減薄對應[4]。

結(jié)合相應實驗結(jié)果分析，DAC曲線在12-14m位置存在信號異常，不過異常信號相似，無法有效區(qū)分。檢測到的焊縫信號在幅值上雖然都超過了-26dB警戒線，但是卻沒有能夠達到-14dB的焊縫水平線。22m后，可以從模態(tài)上對信號類型進行區(qū)分，不過信號幅值較弱，表明導波穿越的焊縫不止一個，能量衰減嚴重。而在扭轉(zhuǎn)導波試驗中，DAC曲線包含6個周期，能夠清楚的看到每一條焊縫的反射回波，也可以檢出12.25m和13.85m的缺陷。在傳播距離達到20m后，扭轉(zhuǎn)導波的能量衰減嚴重，之后的信號與背景噪聲混雜，無法為缺陷分析提供有效支持。

對照理論分析，實驗結(jié)果可靠。不同模態(tài)導波在連續(xù)通過焊縫、能量衰減嚴重的情況下，同樣可以對大部分焊縫及缺陷進行檢測和準確定位，表明在管道中，超聲導波的傳播距離較長，不過經(jīng)過焊縫時能量會大大衰減。而對照不同模態(tài)導波的DAC曲線，縱向?qū)Р―AC曲線的波形更加復雜，在檢測圖中存在疊加現(xiàn)象，有大量振蕩波存在。在相同截面中，短深腐蝕區(qū)域相比較寬淺腐蝕區(qū)域產(chǎn)生的回波信號更大[5]。

4 結(jié)論

在管道運輸中，受各種因素的影響，容易出現(xiàn)各種各樣的缺陷和問題，如腐蝕、銹蝕、扭曲、凹陷等，影響管道的運行安全，需要管道管理部門的重視。超聲導波技術(shù)是管道無損檢測技術(shù)的一種，可以在不接觸管道的情況下完成檢測工作，檢修效率高且成本低廉，還可以對管壁整個厚度進行檢測，在高架管道、海底管道等的檢測中有著良好的適用性。在實際應用環(huán)節(jié)，超聲導波的模態(tài)不同，在管道中的傳播距離和衰減率各不相同，對于缺陷的識別能力也有所差異，需要技術(shù)人員根據(jù)管道的長度以及缺陷的類型和性質(zhì)，對導波的模態(tài)和頻率進行選擇，確保檢測結(jié)果的準確性。

參考文獻

[1]張艷紅.基于超聲導波技術(shù)的電廠爐外管道缺陷檢測[C]//中國鋼鐵年會，2013.

[2]孫立瑛.超聲導波技術(shù)在管道缺陷檢測及評價中的應用[J].天津城建大學學報，2011，17（3）：216-220.

[3]石小何，井然，嚴有琪.超聲導波檢測管道缺陷的試驗研究[J].化工裝備技術(shù)，2014，35（1）：58-60.

[4]姜秀娟.管道焊區(qū)裂紋缺陷的超聲導波檢測研究[D].北京：華北電力大學，2010.

[5]趙洪波，黃長輝，劉文斌.管道中面積型缺陷超聲導波檢測技術(shù)運用研究[J].科技信息，2012（23）：131.endprint