基于T（0，1）模態超聲導波的輸氣管道腐蝕檢測

鄒寧波，諶海云，劉全利，田 芳，趙松柏，杜振華

（1.西南石油大學電信院，成都 610500；2.中石油天然氣管道科學研究院，廊坊 065000）

超聲導波技術作為一種新興的無損檢測手段，具有檢測效率高、一次檢測覆蓋范圍大、速度快和可檢測整個管壁等優點，在管道的長距離快速檢測和性能評價等方面受到國內外無損檢測學者的極大關注［1］。隨著我國油氣管線投運時間的推移，各站場局域管網不可避免地進入定期安全檢測周期。利用超聲導波技術檢測管道，具有快速、可靠、經濟且無須剝離外包層的優點，能夠大大提高天然氣集輸氣站管網安全檢測的效率。

超聲導波檢測技術根據管道壁厚截面損失所產生的反射回波信號特點來判斷管道腐蝕情況，用ECL（截面損失百分比）表征管道腐蝕程度。筆者介紹了超聲導波的頻散特性和輸氣管道腐蝕檢測設備的構成，依據管道中導波的T（0，1）模態的非頻散特性對低頻段（70kHz以下）反射回波信號進行了動態頻率分析。

1 管道中導波的T模態頻散特性

超聲導波在管道中的傳播過程可以分為三種形式：沿著管道軸的垂直截面轉動的對稱扭轉模態、沿著徑向方向伸縮的對稱縱向模態和沿各個方向均有位移的非對稱彎曲模態［2］。其中，對稱的扭轉模態和縱向模態是由不同的超聲導波探頭激勵所產生的，而非對稱的彎曲模態是由探頭激發的超聲波在異質（聲阻抗不同的兩種介質）界面所發生的波型轉換［3］而產生的。這些導波模態在管道傳播過程中不同振動形式的分布均滿足管道超聲波的頻散特性（頻率－速度）曲線。如圖1所示，外徑1016mm，壁厚26mm的空心鋼管在400kHz以下的群速度頻散特性曲線圖，其材料密度為7.932g／cm3，縱波速度為5.96km／s，橫波速度為3.26km／s。

圖1 空心鋼管的群速度頻散曲線

如圖1所示的頻散曲線中，導波在同一頻率時至少存在有兩種以上的模態，這種現象稱為超聲導波的多模態現象［4］。選擇合適的信號激勵頻率使得在管道中傳播的導波模態數量盡可能少，有助于在檢測過程中接收探頭所接收的反射信號模態數量保持最少以減少非相關模態出現所帶來的干擾，有利于對導波檢測波形進行分析，提高檢測結果的可靠性。

從圖1可以看出，只有T（0，1）模態始終保持著非頻散狀態，即T（0，1）模態的群速度不隨頻率的改變而變化，始終等于橫波波速3.26km／s。在70kHz以下的低頻范圍內，僅存在T（0，1）一種扭轉模態而且該頻率范圍內存在的非對稱彎曲F模態數量也是最少的，同時，由T（0，1）模態群速度的不變性能夠區別出反射回波中的對稱T模態和非對稱F模態，從而實現導波T（0，1）模態對管道腐蝕缺陷的檢測。

另外，超聲導波模態在管道傳播過程中能量的泄漏程度與其在管道內外表面上的徑向位移分布有關，內外表面上的徑向位移越小，在傳播過程中的能量損失就越小，因此傳播距離就更遠［5］。如圖2所示為頻率在54kHz時管道內超聲導波模態沿管壁徑向位移分布圖。

圖2 超聲導波模態沿管壁徑向位移分布圖

管道外徑為1016mm，壁厚為26mm空心鋼管的管壁內外表面位置分別為482mm和508mm處。從圖2（a）中可以看出，F（1，1）模態在管壁內外表面的徑向位移均偏移歸一化零點很多，因此F（1，1）模態在管道傳播過程中能量損失較大。同時，在缺陷處的波型轉換也很有可能產生F（1，1）模態，從而無法辨別探頭最后接收到的F（1，1）模態是激勵信號還是缺陷產生的非對稱彎曲模態，所以F（1，1）模態不適合作為管道導波檢測的激勵模態。從圖2（b）可以看出，T（0，1）模態在管壁內外表面的徑向位移幾乎為0，說明在理論計算中T（0，1）模態的超聲導波在管道中傳播幾乎沒有能量損失，因此T（0，1）模態可作為低頻段（70kHz以下）導波檢測的首選模態。

2 輸氣管道腐蝕缺陷檢測

2.1 檢測設備

超聲導波管道腐蝕缺陷檢測系統主要由三部分組成：傳感器探頭環、導波檢測主機和計算機控制系統，如圖3所示。傳感器探頭采用環狀均勻分布的結構可以在一定程度上抑制探頭所激勵出的非對稱F模態［6］。傳感器探頭環分為固定式和充氣式兩種，利用探頭環內厚度切變型壓電陶瓷等材料和管壁緊密結合，在鋼管中激發出低頻超聲導波扭轉T模態信號，而一般頻率在4～75kHz范圍內的T模態導波只有T（0，1）一種模式，見圖1的頻散曲線，其傳播速度為3260m／s，激勵的聲波從固定在管道圓周方向的探頭環向兩側發射。在該頻率范圍內探頭環與被檢測管道的接觸采用干耦合方式，無需液體耦合劑［7］。傳感器探頭環與檢測主機由兩根一發一收的防干擾屏蔽電纜線相連，計算機與檢測主機是由一根通訊傳輸信號線相連。導波檢測主機主要用于產生符合導波模態頻率條件和電壓要求的激勵信號，采集和儲存探頭環接收到的反射信號數據。計算機控制系統主要通過軟件控制檢測主機產生激勵信號，提取檢測主機中接收到的管道特征的原始信號并在軟件中進行處理、顯示和分析。

圖3 超聲導波檢測系統

2.2 軟件信號處理

探頭環在低頻范圍下激勵出T（0，1）模式的同時，由于壓電陶瓷與管道壁接觸的邊界會產生波型轉化現象，也會產生部分彎曲F模態，如圖1所示，在4～75kHz的頻率范圍下產生的一階彎曲模態主要有F（1，1）模式和F（1，2）模式。因此，對檢測的原始信號的濾波和有用信號的辨別及后期非對稱信號與對稱信號的識別均采用軟件處理方式。

小波變換能根據所分析信號的頻率自動調整時間和頻率的分辨率以及小波濾波器能夠根據信號的頻率自動改變頻帶寬度，小波變換的這種局部化和多尺度分析特點決定了它能很好地適用于超聲導波檢測信號的處理和分析［8－9］，利用小波變換技術實現管道特征信號和缺陷信號的識別及對原始信號的消噪。利用小波變換的閾值法可以很好地去除導波檢測信號中的噪聲成分，但小波基的有限長度會造成信號能量的泄漏，使得在分析非線性、非平穩的導波信號時可能會產生一些沒有物理意義的虛假成分［10］，如導波檢測回波 DAC（distance amplitude curve）曲線中的鏡像成分。

在軟件中利用各個通道收集的不同信號特征，采用四線法［11］來辨別對稱信號與非對稱信號。同時，根據T模態的對稱性和F模態的非對稱性對導波探頭環中各探頭接收到回波信號的比對來分辨回波是否為對稱信號，從而判斷檢測到的管道特征的類型。

3 檢測信號的波形分析

超聲導波傳感器探頭環接收到的管道特征反射信號經軟件除噪后的波形如圖4（a）所示，由于超聲回波信號為多周期振蕩波形，連續的不同特征波形容易出現疊加現象，給管道特征信號的辨別帶來了困難，因此需要將回波原始信號轉變成易于分析的DAC曲線（距離－幅值曲線），如圖4（b）所示為圖4（a）所對應的DAC曲線。

圖4 管道特征反射回波波形

由于傳感器探頭環自身結構原因，在探頭環的每一邊都存在一小塊區域的檢測盲區，如圖4中的陰影部分，這段距離內的特征波是無法識別的。圖4（b）相對圖4（a）而言是很容易辨別管道特征信號的，每一個峰值代表管道的一種特征信號。管道在法蘭連接處使得管道材料不具有連續性，導波信號不能透過法蘭繼續傳播，因此把法蘭處信號的反射看作全反射。導波信號傳播到環焊縫時，由于破壞了管道原來的連續性也會對超聲導波信號產生反射，但反射率要低得多［12］，經試驗證實環焊縫對信號的反射率在25%左右。

超聲導波信號在管道中隨著傳播距離的增加其信號能量逐漸衰減，導波信號的頻率也對信號能量衰減產生很大的影響，頻率越高導波信號衰減越快［13］。同時，頻率越高，導波信號對缺陷的靈敏度也越高。導波的T（0，1）模態在低頻段的非頻散特性可以很好地解決信號衰減與缺陷靈敏度的矛盾，利用T（0，1）模態的低頻對管道特征進行整體檢測，然后通過改變頻率來對某一特征點進行觀察，確定是否為腐蝕缺陷點。如圖5所示，川中油氣礦某站場管道超聲導波檢測現場圖片，其在不同頻率下接收到的反射信號DAC曲線如圖6所示，圖中黑色曲線代表對稱T模態信號，灰色代表非對稱F模態信號，其中F模態信號主要是波型轉換時產生的反射信號。對比圖6（a），6（b），6（c）可以很容易看出，隨著頻率的增加管道各特征點的反射信號的幅值都減小，波形中每一個明顯的峰值點都代表一種管道特征信號。在頻率為11kHz時，雖然各峰值的能量比較高但卻不能反映各個特征點。當頻率上升至13kHz時，管道各個特征點處的信號才完全顯現出來。頻率到達18kHz時，管道中遠距離的＋F3和＋F4兩處的焊縫信號要比圖6（a）和6（b）清晰。在DAC曲線中，－F2處的灰色非對稱信號比黑色對稱信號高，是因為該處的T型三通管和支撐（如圖5所示）所產生的信號均為非對稱信號。腐蝕缺陷＋F1后面的小波峰是由彎管產生的回波信號，焊縫＋F3處比焊縫＋F2處信號幅值突然減少很多是由于管道防腐層和管道入地使得導波能量損失很大。最后對距離探頭環中心位置0.8m處＋F1的區域利用超聲波測厚檢測儀進行驗證，發現該位置段存在一塊大約截面損失為30%的腐蝕區域，最小壁厚為9mm，最大壁厚為10.1mm，如圖7所示。

圖5 超聲導波管道檢測現場

圖6 不同檢測頻率的導波DAC曲線

圖7 腐蝕區域大小

4 結論

結合導波的頻散特性，對對稱T模態和非對稱F模態進行了分析。根據T（0，1）模態在低頻段（70kHz以下）的非頻散特性，在超聲導波檢測中采用動態頻率分析方法對反射回波信號進行了分析。檢測結果表明，該方法能夠很好地找到腐蝕缺陷的位置，可以清晰地辨別各種管道特征信號。超聲導波檢測技術的局限性在于無法精確定量缺陷尺寸，與T型三通管位于同一截面的腐蝕缺陷信號容易被三通管的非對稱信號所覆蓋而不易辨別。

［1］中國石油管道公司.油氣管道檢測與修復技術［M］.北京：石油工業出版社，2010：3－20.

［2］劉鎮清.超聲無損檢測中的導波技術［J］.無損檢測，1999，21（8）：367－369.

［3］張俊哲.無損檢測技術及其應用［M］.北京：科學出版社.2010：195－197.

［4］李隆濤，何存富，吳斌.管道長距離超聲導波模態頻散現象的抑制方法研究［J］.數據采集與處理，2004，19（3）：297－301.

［5］何存富，李隆濤，吳斌.超聲導波在管道中傳播的數值模擬［J］.北京工業大學學報，2004，30（2）：129－133.

［6］何存富，劉增華，鄭玲瑜，等.管道導波檢測中傳感器數量和頻率特性研究［J］.北京工業大學學報，2004，30（4）：393－397.

［7］王禹欽，王維斌，陳長坤，等.輸氣管道超聲導波檢測技術［J］.無損檢測，2008，30（9）：617－619.

［8］董為榮，帥健，許葵.管道 T（0，1）模態導波檢測數值模擬研究［J］.無損檢測，2008，30（3）：149－152.

［9］劉增華，吳斌，王秀彥，等.扭轉模態在帶黏彈性包覆層管道中缺陷檢測的實驗研究［J］.中國機械工程，2009，20（5）：564－567.

［10］吳斌，鄧菲，何存富.超聲導波無損檢測中的信號處理研究進展［J］.北京工業大學學報，2007，33（4）：342.

［11］蔡桂喜，張雙楠，沙高峰，等.管道超聲導波長距離檢測四線法缺陷信號處理與表征［J］.無損檢測，2011，33（增1）：4－7.

［12］符浩，王維斌，周進節，等.基于相關的超聲導波檢測信號分析方法［J］.壓力容器，2011，28（7）：59－64.

［13］KWUN H，KIM S Y，CHOI M S，et al.Torsional Guided－wave Attenuation in Coal－tar－enamel－coated，Buried Piping［J］.NDT＆E International，2004，37（8）：663－665.