超聲導波B 掃成像技術(shù)在壓力管道腐蝕檢測中的應用

許 波 張子健 柴軍輝 沈建民 吳家喜 張小龍

（1.寧波市特種設備檢驗研究院；2.寧波市勞動安全技術(shù)服務有限公司）

超聲導波檢測技術(shù)是無損檢測新技術(shù)中的一種，具有一次性檢測距離長、檢測效率高、可不拆除管道包覆層、可檢測架空或附塔等檢測人員無法接觸到的管線等優(yōu)點［1，2］。目前國內(nèi)使用較為廣泛的兩種導波主要是壓電導波和磁致伸縮導波，主要應用于壓力管道的定期檢驗、化工企業(yè)的委托檢測等， 理想狀態(tài)下可實現(xiàn)一次性檢測200 m 直管段的能力， 該項技術(shù)受到眾多企業(yè)的青睞［3］，但常規(guī)的長距離超聲導波也存在眾多局限性，主要體現(xiàn)在：回波信號解釋難度較大、無法確定缺陷周向位置、管道支吊架附近存在較大盲區(qū)。 針對以上問題，筆者采用超聲導波B 掃成像技術(shù)， 實現(xiàn)了對管道缺陷周向位置的精準定位，降低了常規(guī)導波信號解釋的難度，可作為常規(guī)導波檢測的輔助手段， 提高缺陷檢出率與識別度，具有一定的工程應用價值［4，5］。

1 超聲導波B 掃檢測原理與檢測設備

1.1 檢測原理

MRCS 超聲導波B 掃檢測成像技術(shù)是國產(chǎn)UG30 超聲導波檢測儀的擴展功能，主要由UG30超聲導波檢測儀、筆記本上位機和中距離周向掃查器組成。 導波線圈安裝在中距離周向掃查器內(nèi)， 通過編碼器記錄沿管道周向行走的距離，每次行走一段距離后，暫停短暫一段時間，進行導波激發(fā)與數(shù)據(jù)采集，逐步完成管道周向360°的掃查。 可對管、板及螺旋焊管等結(jié)構(gòu)件實現(xiàn)B 掃描可視化數(shù)字成像，直觀顯示有效檢測區(qū)域內(nèi)的特征，可實現(xiàn)掃頻A 掃信號、DAC 分析等功能，其檢測原理如圖1 所示。

圖1 超聲導波B 掃成像檢測原理與系統(tǒng)組成

1.2 檢測設備

超聲導波B 掃檢測與常規(guī)長距離導波檢測在設備方面最大的不同是：B 掃檢測采用型號為MRCS10 的中距離周向手動掃查器， 配合UG30超聲導波檢測儀進行檢測，MRCS10 掃查器主要由掃查器支架、掃查器聲波感應單元和導磁輪組成， 其中掃查器聲波感應單元有3 種類型（MGZS064、MGZS128、MGZS180），每種類型的掃查器聲波感應單元相關(guān)參數(shù)和可掃頻范圍見表1。 導磁輪帶有磁性，可吸附在鐵磁的金屬管道上行走。 圖2 為中距離周向掃查器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 MRCS10中距離周向掃查器結(jié)構(gòu)示意圖

表1 超聲導波B 掃探頭類型規(guī)格列表

2 對比試管檢測驗證

2.1 對比試管

對比試管外徑200 mm，壁厚6 mm，材料為碳鋼，無縫鋼管。 試管長2.5 m，加工預制缺陷6處，包含：360°環(huán)槽一處，深度2.4 mm；通孔3 處，直徑3 mm；平底孔2 處，深度2.4 mm。

2.2 檢測工藝

檢測設備為國產(chǎn)磁致伸縮UG30 超聲導波檢測儀與MRCS10 中距離周向掃查器， 檢測頻率180 kHz，檢測波形為T（0，1）波，波速3 250 m/s，掃查器步進角度20°，即周向掃查器每次走過20°后，進行數(shù)據(jù)采集，直到完成360°行走，檢測范圍為正向3 m，負向1 m。

2.3 檢測與結(jié)果分析

采用周向掃查方式， 可以將每20°步進值內(nèi)的A 掃信號合成為B 掃圖，B 掃圖中橫坐標代表距離，縱坐標代表周向角度，圖中信號顏色深淺代表回波波幅大小，通過B 掃圖可以直接判斷缺陷在壓力管道軸向和周向的具體位置，通過信號顏色判斷缺陷大小，對比試管B 掃檢測數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 對比試管超聲導波B 掃檢測結(jié)果

從圖3 可以看出， 對比試管的6 個缺陷在B掃圖內(nèi)均清晰顯示，周向角度定位為120°，其余周向角度范圍內(nèi)，除了環(huán)槽、始波、端部回波外，無任何缺陷顯示，軸向距離也基本對應，其中環(huán)槽回波波幅最大，其次是通孔，最后是平底孔，這一點符合超聲導波檢測回波信號大小與橫截面積損失率相對應這一原理。 從對比試管超聲導波B 掃結(jié)果可以看出，相比于長距離超聲導波檢測，B 掃具有較高靈敏度，數(shù)據(jù)分析難度較低，缺陷定位較準。

3 現(xiàn)場檢測應用

3.1 所檢管道概述

本次現(xiàn)場所檢管道為某化工企業(yè)PTA 裝置工藝管線，管道外徑200 mm，壁厚6 mm，介質(zhì)為醋酸，材料為304 不銹鋼，操作溫度60 ℃，在定期檢驗過程中，通過常規(guī)超聲測厚和大面積快速長距離導波檢測后，發(fā)現(xiàn)一段長2 m 左右的直管段存在大面積醋酸腐蝕的傾向，隨即采用超聲導波B 掃成像技術(shù)對該段管線進行精細掃查，對缺陷軸向和周向位置進行精確定位。

3.2 檢測與分析

采用MRCS10 中距離周向掃查器對該直管段進行精細掃查，主要檢測工藝為：頻率128 kHz，掃查步進20°，檢測波形為T（0，1）波，由于現(xiàn)場壓力管道檢測結(jié)果信噪比低于對比試管， 所以需采用合成孔徑聚焦（B Scan-SAFT）對B 掃結(jié)果進行處理， 合成孔徑聚焦是一種對回波信號進行相位加權(quán)的處理方法， 該方法可提高超聲導波B 掃檢測的橫向分辨力，但會造成一定的延遲時間，數(shù)據(jù)評定時需注意，檢測和處理結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 可以看出，B Scan-SAFT 結(jié)果具有較高的信噪比，在管道周向280°處，出現(xiàn)了大面積腐蝕，且回波波幅均較高，基本呈現(xiàn)出一條直線狀；其次在靠近軸向距離2.2 m 的法蘭端面處，周向0～160°范圍內(nèi)出現(xiàn)了輕微腐蝕，采用超聲導波B 掃技術(shù)，大幅降低了導波信號分析的難度，且對于小缺陷也有較高回波，原因是當導波檢測主機輸出的功率固定時，在周向一定范圍角度上加載的激勵能量比在整個周向同時激勵的能量要大。管道直徑越大時，這種優(yōu)勢就越明顯，對于缺陷的識別率就越高。

圖4 現(xiàn)場管道超聲導波B 掃檢測結(jié)果

對于腐蝕原因的分析如下：該長度為2 m 左右的直管段處于水平位置，平時在工藝生產(chǎn)中存在醋酸堆積在304 不銹鋼管道內(nèi)部的情況，這個堆積位置與導波所確定的周向位置基本吻合，長期的醋酸堆積造成不銹鋼的醋酸腐蝕，故可采用更高級別的不銹鋼 （例如316L、321 等） 進行防護，同時還應避免醋酸工藝介質(zhì)長時間堆積在管道內(nèi)。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)長距離超聲導波在壓力管道腐蝕檢測應用中存在的眾多局限性，提出了基于超聲導波B 掃成像的腐蝕檢測技術(shù)，通過對比試管和現(xiàn)場壓力管道的檢測驗證。結(jié)果表明：超聲導波B掃成像技術(shù)可以在一定程度上彌補長距離超聲導波的不足，主要體現(xiàn)在，可對缺陷進行周向定位，激發(fā)能量更為集中，對于小缺陷和大直徑管道更有優(yōu)勢，現(xiàn)場可采用長距離超聲導波粗掃加超聲導波B 掃成像技術(shù)精掃組合使用來開展檢測工作。