基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的長輸管道無損檢測

劉 勝，駱蘇軍

（1.中國石化銷售有限公司華南分公司，廣州 510620；2.杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司，杭州 311121）

超聲導(dǎo)波技術(shù)已被證實可用于管道、鍋爐、石化設(shè)備、橋梁纜索、海洋平臺、鐵軌、飛機(jī)機(jī)翼、高速公路護(hù)樁等各種場合的無損檢測。超聲導(dǎo)波只需單點(diǎn)激勵就可以實現(xiàn)長距離、大范圍的檢測，檢測效率高，并且是對管壁截面100%檢測［1－4］。超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)在國外已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，在國內(nèi)的應(yīng)用還處于推廣階段。

長輸管道是石油石化業(yè)進(jìn)行油氣輸送的主要載體，對長輸管道進(jìn)行定期檢測是保證管線正常穩(wěn)定運(yùn)行的一項重要工作。長輸管道大多使用直焊縫、螺旋焊縫管材，并且表面有較厚防腐層。隨著國內(nèi)早期長輸管線不斷老化，開展長輸管線的全面檢測非常必要。

筆者針對長輸管線中的直焊縫、螺旋焊縫管材，進(jìn)行導(dǎo)波傳輸特性的模擬與仿真，根據(jù)仿真的導(dǎo)波傳輸特性，制定相應(yīng)的試驗方案，利用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測儀（MSGW），進(jìn)行檢測試驗以及現(xiàn)場的管線檢測應(yīng)用，證明了磁致伸縮超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)在長輸管道檢測應(yīng)用中的可行性。

1 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測原理

磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測的原理是利用導(dǎo)波探頭激勵出相應(yīng)頻率的超聲導(dǎo)波，導(dǎo)波以一定的速度在被檢測的物體中傳播，遇到幾何特征（缺陷、焊縫、法蘭、端面等）發(fā)生反射，反射的導(dǎo)波被導(dǎo)波探頭感應(yīng)到后，根據(jù)導(dǎo)波激勵和感應(yīng)的時間差，計算幾何特征距離導(dǎo)波探頭的位置實現(xiàn)幾何特征的定位。選取已知特征（通常是焊縫）的導(dǎo)波信號為參考，可以估算其它幾何特征（腐蝕、缺陷等）的大小。

磁致伸縮超聲導(dǎo)波利用扭轉(zhuǎn)磁致伸縮效應(yīng)即威德曼效應(yīng)產(chǎn)生超聲導(dǎo)波激勵源。魏德曼效應(yīng)是指磁致伸縮材料在徑向及軸向相互垂直的兩磁場作用下，在圓周方向會產(chǎn)生機(jī)械作用力，使徑向扭轉(zhuǎn)變形。這種扭轉(zhuǎn)以固體中超聲波的速度向兩端傳播，形成扭轉(zhuǎn)波。當(dāng)圓形鐵桿置于環(huán)形磁場中，對桿件施加外力使其拉、壓或扭曲，放在桿圓周方向上的線圈會有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種由于桿件扭曲或縱向力而產(chǎn)生輸出電動勢的現(xiàn)象被稱為逆威德曼效應(yīng)。利用這種磁致伸縮效應(yīng)就可以實現(xiàn)電－機(jī)械－電之間的能量轉(zhuǎn)換。圖2為磁致伸縮超聲導(dǎo)波（MSGW）換能器結(jié)構(gòu)圖。

圖1 磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器結(jié)構(gòu)

2 長輸管線導(dǎo)波傳輸特性

超聲導(dǎo)波具有多模態(tài)及頻散的特性。在不同的應(yīng)用中，需要根據(jù)實際的需求，選擇正確的導(dǎo)波模態(tài)，以及根據(jù)實際的頻散特性選擇正確的導(dǎo)波頻率，以達(dá)到比較理想的檢測效果。超聲導(dǎo)波的多模態(tài)和頻散效應(yīng)，也使得超聲導(dǎo)波的應(yīng)用比超聲體波更加復(fù)雜。

在空氣中的空心鋼管，導(dǎo)波會產(chǎn)生三種模態(tài)：縱向、扭轉(zhuǎn)和彎曲模態(tài)。縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)是軸對稱模態(tài)，彎曲模態(tài)是非軸對稱模態(tài)。

超聲導(dǎo)波除了模態(tài)多樣，還具有頻散特性。如圖2～4是外徑100mm，壁厚4mm 的鋼管仿真群速度曲線、相速度曲線和質(zhì)點(diǎn)位移分量。

從以上的導(dǎo)波模態(tài)及頻散計算中，可以看到扭轉(zhuǎn)模態(tài)中的T（0，1）模態(tài)群速度和相速度都是恒定的，不受導(dǎo)波頻率影響，而除T（0，1）之外的扭轉(zhuǎn)模態(tài)群速度和相速度都隨頻率變化。如果要避開導(dǎo)波頻散效應(yīng)，選擇T（0，1）模態(tài)是比較合適的。

根據(jù)導(dǎo)波的頻散曲線，在頻率400kHz以下，扭轉(zhuǎn)模態(tài)只存在T（0，1），沒有其他的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，這樣只要在400kHz以下激勵出導(dǎo)波，會明顯降低多種模態(tài)間的相互影響。

圖4 鋼管仿真質(zhì)點(diǎn)位移分量曲線

3 超聲導(dǎo)波檢測應(yīng)用

利用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測儀對直徑530mm、壁厚8mm 的直焊縫管進(jìn)行檢測。將磁致伸縮探頭布置在管子一端，在直焊縫管體上分別刻a、b、c、d、e、f、g共7個人工缺陷，缺陷的大小及位置如表1所示。控制超聲導(dǎo)波的頻率為128kHz，得到的檢測波形如圖5所示。從圖中可以清楚的看到7個不同大小刻傷的回波信號。

利用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測儀還進(jìn)行了大量的現(xiàn)場管線檢測，圖6是某站場的帶彎頭管線檢測信號。管線直徑為710mm，壁厚為8 mm，表面帶10mm左右厚的瀝青防腐層。首先將布置探頭位置的瀝青防腐層打磨掉，然后布置探頭，在3 m 左右的位置發(fā)現(xiàn)一個異常信號。

圖5 直焊縫管人工缺陷檢測波形

表1 直焊縫管人工缺陷參數(shù)

圖6 直徑為710mm、壁厚為8mm 帶彎頭管線檢測信號

為了排除此原油管線存在的安全隱患，將部分埋地管段進(jìn)行開挖，管體表面都覆有瀝青防腐層。在局部區(qū)域?qū)r青層剝離，安裝好超聲導(dǎo)波探頭，在5m 左右位置發(fā)現(xiàn)異常信號，進(jìn)一步確認(rèn)后，發(fā)現(xiàn)如圖7所示的管壁表面腐蝕區(qū)域。

圖7 輸油管線表面腐蝕宏觀形貌

經(jīng)過多種應(yīng)用場合的檢測應(yīng)用，結(jié)果表明超聲導(dǎo)波檢測方法可以在大管徑、長管線、埋地管線等多種管網(wǎng)中得到較好的應(yīng)用效果。利用超聲導(dǎo)波單點(diǎn)激勵大范圍檢測的特點(diǎn)，可以提高長輸管線的抽檢區(qū)域，提高故障點(diǎn)的排查效率。

4 結(jié)論

磁致伸縮超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)可以單點(diǎn)激勵，實現(xiàn)長距離檢測。利用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測儀，針對試驗室樣管與現(xiàn)場管道進(jìn)行了導(dǎo)波數(shù)據(jù)實測，可以達(dá)到截面變化量1%以上的檢測靈敏度，為長輸管道的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了較有力的技術(shù)保障，提高長輸管道的定期檢測效率。

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