超聲導(dǎo)波技術(shù)在壓力管道缺陷檢測中應(yīng)用的局限性

唐董海

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

超聲導(dǎo)波技術(shù)在壓力管道缺陷檢測中應(yīng)用的局限性

唐董海*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)是一種新型的長距離、快速檢測手段。對(duì)影響超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果的諸多因素進(jìn)行了分析。在管線運(yùn)行的狀態(tài)下，利用MsS導(dǎo)波技術(shù)可以進(jìn)行長距離管壁腐蝕等缺陷的檢測。但該技術(shù)無法定量給出缺陷的形狀、大小和性質(zhì)，且具有諸多局限性，因而該技術(shù)的應(yīng)用宜結(jié)合其他無損檢測方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)確認(rèn)。

超聲導(dǎo)波 缺陷檢測 壓力管道 應(yīng)用 局限性

0 前言

目前，上海在役和在建的壓力管道長達(dá)數(shù)萬公里，其中部分壓力管道工作在高溫高壓或埋地狀態(tài)。而高溫高壓狀態(tài)下的管道一旦發(fā)生事故，后果是極其嚴(yán)重的。雖然現(xiàn)有的檢測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)管道防腐層或保溫層破損等部分缺陷的檢測，但是尚不能實(shí)現(xiàn)管道不去除保溫層 （防腐層）在線檢測。因此，如何在高溫高壓或埋地狀態(tài)下檢測壓力管道的腐蝕缺陷，是檢測技術(shù)領(lǐng)域亟須解決的技術(shù)難題。

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)是一種新型的長距離、快速檢測手段，對(duì)狀態(tài)良好的架空管道檢測距離可達(dá)100 m以上。此外，基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)適用溫度理論上可高達(dá)傳感器材料的居里溫度，滿足高溫高壓管線在線檢測需求[1]。利用基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行高溫高壓或埋地狀態(tài)下管道腐蝕缺陷檢測的試驗(yàn)研究已經(jīng)開展了好多年。

本文對(duì)影響超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果的諸多因素進(jìn)行了分析。在管線運(yùn)行的狀態(tài)下，利用MsS導(dǎo)波技術(shù)可以進(jìn)行長距離管壁腐蝕等缺陷的檢測。但該技術(shù)無法定量給出缺陷的形狀、大小和性質(zhì)，且具有諸多局限性，因而該技術(shù)的應(yīng)用宜結(jié)合其他無損檢測方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)確認(rèn)。為此，本文主要是結(jié)合應(yīng)用中存在的問題探討超聲導(dǎo)波技術(shù)在檢測應(yīng)用中的局限性。

1 超聲導(dǎo)波檢測原理及設(shè)備性能

MsSR3030R是基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)的超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)。磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁性材料由于外加磁場的變化，其物理長度和體積相應(yīng)發(fā)生微小變化的現(xiàn)象；而磁致伸縮逆效應(yīng)是指外加作用載荷導(dǎo)致鐵磁性材料的磁疇按照一定方向運(yùn)動(dòng)，引起材料的磁化狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象。由材料磁致伸縮效應(yīng)所產(chǎn)生的機(jī)械波，能沿著結(jié)構(gòu)件有限的邊界傳播并被構(gòu)件邊界形狀所約束、所導(dǎo)向，因而稱為MsS超聲導(dǎo)波。MsS技術(shù)可以激發(fā)縱波、扭力波、彎曲波、Lamb波等多種模態(tài)形式的導(dǎo)波。只要正確選擇導(dǎo)波模式和頻率，并控制其傳播方向，導(dǎo)波就可以從其傳感器位置沿著構(gòu)件快速傳播，瞬間即可完成對(duì)管道本體的100%體積掃描檢測。

2 檢測局限性分析

由于基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)的超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的工作溫度理論上可達(dá)到傳感器 （或被檢工件）的居里溫度，故許多相關(guān)文獻(xiàn)均介紹了MsS超聲導(dǎo)波技術(shù)在高溫管道檢測中應(yīng)用的各種優(yōu)勢(shì)，本文在此不再贅述，僅對(duì)該技術(shù)的局限性做如下討論。

（1）信息反映的可能是局部金屬缺損量，只是對(duì)達(dá)到一定當(dāng)量的聲波反射進(jìn)行分析，無法對(duì)管道的某一部位進(jìn)行缺陷精確定量，不能測量管道的真實(shí)殘余壁厚或最小壁厚。

（2）信息反映的是導(dǎo)波 （此處為管道圓柱殼-管壁）的反射情況，由于導(dǎo)波波長大大小于聲波的傳播距離，局部金屬缺損處的相位無法確定，因而不能區(qū)分管道內(nèi)外壁損傷。

（3）以A型顯示非檢波信號(hào)處理方式為基礎(chǔ)，獲取的主要是聲波傳播時(shí)間和回波幅度信息，不能確定缺陷的形狀和尺寸。

（4）考慮到傳播距離的影響，一般采用較低頻率的導(dǎo)波進(jìn)行檢測，故不能檢出獨(dú)立的小的凹坑或穿孔，較為可靠的橫截面精度為5%左右。提高檢測頻率雖然可以改善檢測精度，但是大幅下降了檢測距離。

（5）由于采用的檢測頻率較低，盲區(qū)較大，空間分辨力較低。當(dāng)檢測頻率為32 kHz時(shí)，盲區(qū)達(dá)350 mm，空間分辨力為180 mm，定位誤差較大，且無法確定缺陷的環(huán)向位置。

（6）采用的檢測機(jī)理是脈沖反射式，因而可以檢出理想的橫向反射面上的缺陷，一般對(duì)橫向裂紋、環(huán)焊縫未熔合、未焊透的檢出率較高，縱向裂紋自身高度不超過壁厚的70%很難被檢出。

（7）管道的幾何特征對(duì)檢測的影響很大。法蘭、閥門、 T形接頭會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)波傳播的重大中斷，將致使檢測范圍止于該處。彎管的彎曲半徑小于管道直徑的3倍或經(jīng)過銳角彎頭時(shí)會(huì)使回波信號(hào)大幅下降甚至淹沒。

（8）管道上的分支管線、夾具或其他附加物會(huì)造成該處產(chǎn)生反射回波信號(hào)，易與缺陷回波混淆，產(chǎn)生誤判。

（9）采用黏滯性材料 （如瀝青、3層PE等）做防腐層或絕緣層時(shí)，由于導(dǎo)波衰減會(huì)造成檢測范圍大幅下降。

（10）采用縱波進(jìn)行檢測時(shí)，管道內(nèi)的液體介質(zhì)會(huì)吸收導(dǎo)波能量，造成檢測距離下降。

（11）對(duì)于埋地管道而言，包覆管道的土壤會(huì)大大增加導(dǎo)波的衰減。實(shí)驗(yàn)表明，土壤中埋深1 m的管道，導(dǎo)波檢測距離不大于10 m。

3 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲導(dǎo)波技術(shù)，以及該技術(shù)對(duì)高溫高壓或埋地狀態(tài)運(yùn)行的管道檢測的應(yīng)用特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)影響檢測結(jié)果的諸多因素進(jìn)行了分析。

利用MsS導(dǎo)波技術(shù)可以對(duì)在役管線進(jìn)行長距離管壁腐蝕等缺陷的檢測。但是該技術(shù)無法定量給出缺陷的形狀、大小和性質(zhì)，具有許多局限性，且在線檢測的結(jié)果又難以在同樣狀態(tài)下利用其它檢測技術(shù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。因此，應(yīng)用該技術(shù)時(shí)還應(yīng)結(jié)合其他無損檢測方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)確認(rèn)。

[1]吳斌，劉秀成，辛軍，等.基于權(quán)值差除法的MsS超聲導(dǎo)波管道檢測試驗(yàn)研究 [J].壓力容器，2010,27 (1)： 12-16.

Application Limitation of Ultrasonic Guided Wave Technology in Defects Inspection of Pressure Pipeline

Tang Donghai

Ultrasonic guided wave testing technique is a new,rapid and long range detection method.The paper analyzes the factors affecting the test results.In the state of pipeline running,MsS guided wave technology can be used for long distance pipe wall defects inspection such as corrosion inspection.However,the technology can not quantify the shape,size and nature of the defects,and has many limitations.Therefore,the application of this technology should be combined with other non-destructive inspection methods for re-inspecting and validation.

Ultrasonic guided waves;Defect inspection;Pressure pipeline;Application;Limitation

TQ 055.8+1

2013-06-06）

*唐董海，女，1982年生，助理工程師。上海市，200333。