超聲導(dǎo)波技術(shù)在管道缺陷檢測(cè)及評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

孫立瑛，李一博

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系，天津 300384；2. 天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

無(wú)損檢測(cè)(non-destructive test，簡(jiǎn)稱NDT)主要用于制造過(guò)程中的質(zhì)量控制和運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)．主要的無(wú)損檢測(cè)方法包括：滲透、磁粉探傷、渦流檢測(cè)、射線以及超聲波等[1]．因?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)的非破壞性和非大規(guī)模侵入性，在石油化工行業(yè)在役結(jié)構(gòu)和部件的裂紋及腐蝕缺陷檢測(cè)方面應(yīng)用較為廣泛．

由于我國(guó)大部分油氣管道的服役時(shí)間均已在 30年以上，故金屬的腐蝕已經(jīng)成為威脅管道安全運(yùn)行的嚴(yán)重隱患．長(zhǎng)距離油氣管道的檢測(cè)作業(yè)距離長(zhǎng)，位置變化大，管道沿線障礙物多，屏蔽多，因此，很多管道部位無(wú)法接觸或接近，宏觀目視檢查受到限制．這就使檢測(cè)者難以掌握管道的全面情況，獲得更多有價(jià)值的信息．

超聲導(dǎo)波(ultrasonic guided waves)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展出來(lái)的一種能夠?qū)艿赖慕饘俑g情況進(jìn)行快速、長(zhǎng)距離、大范圍、相對(duì)低成本檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法[2]．在固體中傳播的超聲導(dǎo)波，由于本身的特性，沿傳播路徑的衰減很小，可以沿構(gòu)件傳播幾十至百余米遠(yuǎn)的距離[3]，因此，可以對(duì)管道進(jìn)行較長(zhǎng)距離的非接觸式檢測(cè)．同時(shí)，超聲導(dǎo)波可以在充液、埋地、帶套管或包覆層的管道中傳播，克服了傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法需要逐點(diǎn)掃描的缺點(diǎn)，故使得檢測(cè)此類工業(yè)管道的費(fèi)用大大降低．利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)管道，快速、經(jīng)濟(jì)且無(wú)需剝離外包覆層，是管道檢測(cè)的一個(gè)新興發(fā)展方向．

1 管道超聲導(dǎo)波的檢測(cè)原理

1.1 圓管中超聲導(dǎo)波的模態(tài)[4]

管道中傳播的超聲導(dǎo)波又稱為柱面導(dǎo)波，可分為縱向模態(tài) L(0，,m)、扭轉(zhuǎn)模態(tài) T(0， m)和彎曲模態(tài)F(n， m)．其中，模數(shù) m(m=1,2,3…)反映的是導(dǎo)波在管道厚度方向上的振動(dòng)形態(tài)，而周向階數(shù)n表示的是導(dǎo)波繞管壁螺旋式傳播的形態(tài)(n=1,2,3…)，對(duì)應(yīng)的是非軸對(duì)稱模態(tài)的導(dǎo)波，如圖1所示．

圖1 導(dǎo)波在圓管中的三種模態(tài)

1.2 管道超聲導(dǎo)波的檢測(cè)原理

導(dǎo)波在管道中傳播時(shí)，管道所有的不連續(xù)處和管道幾何形狀的改變都會(huì)引起導(dǎo)波傳播速度的變化．當(dāng)管壁的厚度發(fā)生改變(減薄或增厚)時(shí)，就會(huì)引起導(dǎo)波傳播速度的變化，從而產(chǎn)生攜帶結(jié)構(gòu)缺陷信息的反射回波，對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行處理，即能判斷所檢測(cè)結(jié)構(gòu)中存在缺陷的位置，并對(duì)其尺寸進(jìn)行估計(jì)．

采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)管道缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先通過(guò)安裝在管道上的傳感器環(huán)發(fā)出超聲脈沖，由于傳感器均勻分布在管道的周向，故所發(fā)出的脈沖布滿整個(gè)管道的圓周方向和整個(gè)管壁厚度，向遠(yuǎn)處傳播．超聲脈沖在管道中傳播時(shí)，管道壁上因腐蝕或侵蝕引起的金屬損失(缺陷)，無(wú)論是在內(nèi)壁或外壁，都會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，被傳感器陣列接收到，如圖2a所示．根據(jù)缺陷產(chǎn)生的波形轉(zhuǎn)換信號(hào)，可將金屬缺損與管道外形特征(如焊縫輪廓等)識(shí)別開(kāi)來(lái)．對(duì)稱模態(tài)的導(dǎo)波信號(hào)遇到環(huán)形焊縫和法蘭將產(chǎn)生對(duì)稱模態(tài)的回波；遇到管道垂直方向的缺陷將產(chǎn)生垂直彎曲模態(tài)的回波信號(hào)；遇到管道水平方向的缺陷將產(chǎn)生水平彎曲模態(tài)的回波信號(hào)，如圖2b所示．

圖2 導(dǎo)波的檢測(cè)原理

超聲導(dǎo)波與傳統(tǒng)超聲波技術(shù)相比具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)．首先，在構(gòu)件的一點(diǎn)處激勵(lì)超聲導(dǎo)波，由于導(dǎo)波本身的特性(沿傳播路徑衰減很小)，它可以沿構(gòu)件傳播非常遠(yuǎn)的距離，最遠(yuǎn)可達(dá)一百余米．接收探頭所接收到的信號(hào)包含了有關(guān)激勵(lì)和接收兩點(diǎn)間結(jié)構(gòu)完整性的信息，因此，一個(gè)完整的發(fā)射和接收過(guò)程實(shí)際上是檢測(cè)了一條線，而不是一個(gè)點(diǎn)．另一方面，由于超聲導(dǎo)波在管材的內(nèi)、外表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場(chǎng)遍及整個(gè)壁厚，因此，整個(gè)壁厚都可以被檢測(cè)到，這就意味著既可以檢測(cè)管道的內(nèi)部缺陷也可以檢測(cè)其表面缺陷．另外，采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，僅需要對(duì)安裝傳感器處的管道防腐層進(jìn)行剝離，尤其適合檢測(cè)難以接觸到的管體部位，如帶夾具、有套管或埋地的管道等．

2 超聲導(dǎo)波在管道中的傳播和衰減特性

導(dǎo)波的衰減程度比體波小的多，聲音在波導(dǎo)中傳播的距離遠(yuǎn)比空氣中遠(yuǎn)．管道是很好的波導(dǎo)，例如，當(dāng)朝著很長(zhǎng)的管道喊話的時(shí)候，聲音可以傳播更遠(yuǎn)的距離．

波動(dòng)的衰減是與自身頻率相關(guān)的，高頻率波的衰減要比低頻率波嚴(yán)重得多．導(dǎo)波和傳統(tǒng)的體波衰減的方式一樣，包括吸收和散射．不僅如此，聲波能量還可通過(guò)管道內(nèi)外表面“泄漏”，如圖3所示．在帶有“黏性”包覆層或運(yùn)輸介質(zhì)的管道中，超聲導(dǎo)波的能量衰減很快．

圖3 導(dǎo)波在管道中的衰減示意

導(dǎo)波在介質(zhì)中傳播時(shí)，如遇到孔洞、裂紋等界面不連續(xù)處，就會(huì)發(fā)生散射及模式轉(zhuǎn)換等[5]．兩種介質(zhì)分界面處對(duì)聲波能量的反射值是由二者之間的聲阻差決定的．聲阻之差越大，反射的能量就越大．聲阻是波速和介質(zhì)密度的乘積，當(dāng)波的傳播速度發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)引起波的反射和折射．圖4為管道減薄區(qū)域?qū)?dǎo)波的反射情況．圖中，管道中導(dǎo)波遇到環(huán)焊縫時(shí)反射回波的幅度是導(dǎo)波遇到管道末端反射回波幅度的20%，而遇到壁厚1/2的開(kāi)槽的反射回波的幅度大約為管道末端反射回波幅度的5%左右．

此外，導(dǎo)波在管道中傳播時(shí)，所有的不連續(xù)處和管道幾何形狀的改變，都會(huì)引起導(dǎo)波傳播速度的變化，并給出回波響應(yīng)[6]．例如，當(dāng)管道的焊縫存在某些缺陷(如夾渣、未焊透等)時(shí)，會(huì)對(duì)回波信號(hào)的理想性造成影響．而導(dǎo)波通過(guò)彎管后，由于彎頭有斜率，導(dǎo)波在圓周方向的聲場(chǎng)發(fā)生變化，或是由于壁厚有變化，導(dǎo)波發(fā)生散射、波形變換和衰減，也會(huì)影響回波信號(hào)檢出的靈敏度和分辨力．此外，管道包覆層、流體(介質(zhì))、沉積物等也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成一定影響．管內(nèi)輸送的介質(zhì)可能會(huì)吸收一部分聲波能量，同時(shí)，管內(nèi)的“污泥”或某些腐蝕物、沉積物，以及管道外壁包覆的防腐帶等都可能引起聲波衰減，從而對(duì)檢測(cè)距離造成影響．所有因素均需要在檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行合理判斷，以免影響檢測(cè)結(jié)果．

圖4 導(dǎo)波遇到環(huán)焊縫及缺陷的反射

3 管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的管道缺陷檢測(cè)系統(tǒng)由超聲導(dǎo)波激勵(lì)和接收裝置、電源、計(jì)算機(jī)及通訊電纜等組成，如圖5所示．傳感器環(huán)固定在管道周圍，由一組并列的等間隔傳感器陣列組成，組成陣列的傳感器數(shù)量取決于管徑的大小和導(dǎo)波的模態(tài)[6]．環(huán)向傳感器陣列發(fā)射沿管壁傳播的超聲導(dǎo)波，并接收反射回波．計(jì)算機(jī)對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行分析處理．檢測(cè)時(shí)，用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)特制的卡環(huán)，以確保傳感器與管道表面接觸良好．使用低頻超聲時(shí)，不需要使用耦合劑．管道表面只需進(jìn)行少量清理工作，一般就是在探頭接觸位置清除松散的氧化皮或銹斑．探頭卡環(huán)安置、調(diào)整時(shí)間通常不超過(guò)20 min．

圖5 管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)所用的管材為普通低碳鋼管，無(wú)包覆層，表面噴涂防銹漆．管道全長(zhǎng)24.65 m，外直徑為 203 mm(8 inch)，壁厚 7.1 mm．傳感器布置在距管端 0.45 m處，為保證導(dǎo)波傳感器與管道表面良好接觸，需將安裝傳感器處的管道外表面清理干凈．為了數(shù)據(jù)分析方便，傳感器環(huán)的中心位置設(shè)為激勵(lì)導(dǎo)波的原點(diǎn)．實(shí)驗(yàn)管道上存在多條焊縫和一段彎管，以及人為加工的凹槽等．實(shí)驗(yàn)管道及實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示．

采用軸對(duì)稱縱向L(0，2)模態(tài)和扭轉(zhuǎn)T(0，1)模態(tài)超聲導(dǎo)波進(jìn)行管道缺陷檢測(cè)，對(duì)導(dǎo)波在鋼管中傳播時(shí)通過(guò)焊縫、法蘭后的能量衰減情況，以及通過(guò)凹槽、焊疤、支路等不同類型的管道特征及管道缺陷時(shí)的反射情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)．兩次實(shí)驗(yàn)的 DAC(distance-amplitude correction)圖如圖7所示．

圖6 實(shí)驗(yàn)管道及裝置

圖7 超聲導(dǎo)波檢測(cè)的DAC曲線

DAC曲線，即距離一幅值曲線圖中，共設(shè)置了0dB、－14dB、－26dB和－32dB四條曲線．實(shí)驗(yàn)中，一般將法蘭信號(hào)反射幅度設(shè)定為l00%(0dB)，焊縫的反射幅度為 20%(－14dB)，一般以此為依據(jù)來(lái)確定信號(hào)的衰減率．－26dB是報(bào)告水平線，對(duì)應(yīng) 9%橫截面蝕失的缺陷響應(yīng)當(dāng)量；－32dB線主要是用來(lái)檢驗(yàn)信噪比和對(duì)小缺陷靈敏度進(jìn)行限定，對(duì)應(yīng)3%的管壁減?。?/p>

圖7a顯示的是采用激勵(lì)頻率為47 kHz的縱向模態(tài)導(dǎo)波對(duì)管道金屬腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)時(shí)得到的 DAC圖，從圖中可以看出，在12～14 m之間存在異常信號(hào)，但無(wú)法有效地對(duì)此間的兩處缺陷進(jìn)行區(qū)分．此外，圖中標(biāo)注的焊縫信號(hào) D、E、F和 G，信號(hào)幅值雖然超過(guò)了－26dB報(bào)警線，但未達(dá)到焊縫水平線(－14dB線)．22 m以后的信號(hào)雖然從模態(tài)上尚可區(qū)分其類型，但信號(hào)幅值已經(jīng)較弱，說(shuō)明由于導(dǎo)波已經(jīng)連續(xù)穿越多條焊縫及一段彎管，信號(hào)能量已經(jīng)很低．圖7b顯示的是6個(gè)周期、激勵(lì)頻率為28 kHz的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的DAC圖．從圖中可以清楚地看到各條焊縫(Weld A—F)的反射回波，而且成功檢出了12.25 m和13.85 m的兩處缺陷(圖7a中顯示存在異常信號(hào)）．在傳播了20 m以后，扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波能量衰減很大，后面的信號(hào)已經(jīng)與背景噪聲模糊在一起，無(wú)法對(duì)后面的支管、焊縫和管端信號(hào)進(jìn)行分析．

兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致．兩種模態(tài)導(dǎo)波在連續(xù)通過(guò)焊縫，能量損失較大的情況下，均檢測(cè)到缺陷及大部分焊縫，且定位基本準(zhǔn)確．說(shuō)明超聲導(dǎo)波可以在管道中傳播較長(zhǎng)的距離．但兩種模態(tài)的導(dǎo)波連續(xù)通過(guò)焊縫時(shí)能量衰減較大，因此，在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中導(dǎo)波在通過(guò)3條焊縫后對(duì)缺陷信號(hào)的分辨就會(huì)變得困難．從兩種不同模態(tài)導(dǎo)波的 DAC曲線對(duì)比可知，前者的波形明顯比后者復(fù)雜得多，而且在縱波檢測(cè)圖中出現(xiàn)了較為復(fù)雜而明顯的疊加現(xiàn)象，焊縫主信號(hào)后面尾隨的振蕩波較多．此外，導(dǎo)波技術(shù)對(duì)于腐蝕區(qū)域的深度比周向范圍更為靈敏，即一個(gè)同樣截面的短深的腐蝕區(qū)域比淺寬區(qū)域能產(chǎn)生更大的回波信號(hào)．

4 結(jié) 語(yǔ)

管道是重要的運(yùn)輸工具，維護(hù)管道的安全運(yùn)行，防止管道生產(chǎn)事故的發(fā)生是管道工業(yè)生產(chǎn)和安全管理部門的重要工作．筆者所介紹的超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、檢測(cè)成本低、效率高、速度快和能夠檢測(cè)管壁整個(gè)厚度等優(yōu)勢(shì)，可用于對(duì)常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法無(wú)法接近的管道進(jìn)行檢測(cè)，如高架管道、穿越公路的管道或海底管道等．在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同模態(tài)超聲導(dǎo)波的傳播距離、衰減率不同，而且其對(duì)不同類型缺陷的識(shí)別能力也不同，因此，應(yīng)根據(jù)管道長(zhǎng)度、缺陷性質(zhì)及類型選擇不同模態(tài)、不同頻率的激勵(lì)導(dǎo)波，對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)．

需要注意的是，管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)是一種快速大范圍的掃查檢測(cè)方法，主要用于對(duì)管道的完整性和安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，它對(duì)缺陷的定量是近似的．當(dāng)檢測(cè)距離較長(zhǎng)時(shí)，其對(duì)缺陷的定位也較為粗略．因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體情況，與其它無(wú)損檢測(cè)方法結(jié)合運(yùn)用，以便取得更好的檢測(cè)效果．

［1］ 李一博，靳世久，孫立瑛. 超聲導(dǎo)波在管道中的傳播特性的研究[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2005，19(5)：63-66．

［2］ 何存富，劉增華，吳 斌. 傳感器在管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)中的應(yīng)用[J]．傳感器技術(shù)，2004，23(11)：5-8．

［3］ ROSE J L，LI Jian，ZHAO Xiaoliang．Ultrasonic guided wave flexural mode tuning for limited access pipe inspection[J]. Quantitative Nondestructive Evaluation，2002，20：164-171．

［4］ 何存富，劉增華， 璟鄭 瑜，等. 管道導(dǎo)波檢測(cè)中傳感器數(shù)量和頻率特性研究[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，30(4)：393-397．

［5］ QUARRY M J，ROSE J L. Phase velocity spectrum analysis for a time delay comb transducer for guided wave mode excitation [J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，2001，20：861-868．

［6］ LI Yibo，SUN Liying，SONG Zhidong，et al. Study on energy attenuation of ultrasonic guided waves going through girth welds[J]. Ultrasonics，2006，44(n1)：1 111-1 116．