聲眼檢測技術在管道檢測中的應用

沈繼東 張延兵

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226011）

聲眼檢測技術在管道檢測中的應用

沈繼東 張延兵

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226011）

聲眼是一項用于探測管道內部凹陷及材料特性的非穿插式檢測技術，通過向管內發射脈沖信號并分析由內徑缺陷引發的反射波進行檢測。本文將從其工作原理、檢測靈敏度、技術特點等方面進行綜合分析。

聲眼 管道 檢測

在壓力管道的定期檢驗中，常用的無損檢測手段主要有超聲、射線、磁粉、滲透等方法，由于有成熟的國家標準，因此得到了廣泛的應用。但是在一些特殊領域的管道，這些檢測方法就存在一定的使用局限性。例如換熱器換熱管束、鍋爐水冷壁管、省煤器管、冷凝管等，由于這些管道往往密集排布、數量龐大、缺少必要的檢測作業空間，且有時還存在很多的U型轉彎，傳統的無損檢測方法其檢測效率往往大大折扣，這就需要引入一些新的檢測技術。

聲眼是近幾年新興起的一項無損檢測技術，其通過在管道端部加裝一個脈沖激發傳感器，同時實現兩種脈沖信號的激發和回收：聲脈沖（APR）和超聲脈沖（UPR），信號分別在管道內部的空氣和管道母材中傳播，達到同時檢測管道內部堵塞及管道本體缺陷的目的，此種檢測方法相較于其他無損檢測技術，在端部敞開式管道的缺陷排查中具有廣泛的應用前景。

1 工作原理

1.1 聲脈沖（APR）原理

通過脈沖信號激發裝置產生的聲脈沖信號會沿管道內部的空氣進行傳播，如果遇到管道橫截面的不連續，如堵塞或異物附著，就會產生反射波和透射波，然后脈沖信號接收器進行接收和測量，從而完成缺陷的定位與測量。

檢測過程中，對于管道截面的不連續，其特征往往決定了脈沖反射波的振幅和形式：橫截面減少會產生正弦回波（如堵塞）；橫截面增加（如腐蝕）會產生余弦回波；穿孔會產生一個更復雜的圖形，其形狀受穿孔大小及流出管外的聲脈沖信號能量大小的影響。在實際檢測中，管道內部的不連續的即使同時存在，也不會影響其附近波的波形的繼續傳播，一般情況下由于脈沖信號在傳播途中會產生衰減，脈沖信號接收器接收到的回波往往經過二次放大。圖1列出了幾種典型缺陷的聲脈沖反射信號原理圖。

圖1 管道不連續引發脈沖反射波

在不連續處，原始脈沖的部分聲能被反射回來，部分繼續沿管子傳播，接下來的不連續將再次引起反射。因此，正確分析管的內部情況就需要對傳聲器接收到的回波進行合理的闡釋。由于聲眼是利用回波返回的時間計算管道截面不連續的準確位置，再結合具體的反射信號圖形分析管道內部不連續缺陷的性質，再加上實際操作中，反射脈沖的形狀還會受換能器性能的限制，因此實際檢測得到的反射波圖形會比圖1的原理圖復雜。

1.2 超聲脈沖（UPR）原理

通過脈沖信號激發裝置產生一束超聲脈沖信號，充斥整個管道圓周方向和整個管壁厚度，向遠處傳播，信號傳輸過程中遇到缺陷時，缺陷在徑向截面上有一定的面積，會在缺陷處返回一定比例的反射波，因此可由同一探頭陣列檢出返回信號來發現和判斷缺陷的大小。管壁厚度中的任何變化，無論內壁或外壁，都會產生反射信號，被探頭陣列接收到，因此可以檢出管子內外壁由腐蝕或侵蝕引起的金屬缺損（缺陷），根據缺陷產生的附加波型轉換信號，可以把金屬缺損與管子外形特征（如焊縫輪廓等）識別開來。

圖2 APR與UPR傳播示意圖

超聲脈沖信號從本質上講其機理為超聲導波，只是它的脈沖信號產生是由管道內壁的信號激發裝置產生（一般為壓電傳感器），這與傳統的超聲導波從外部產生導波激勵信號有所不同，這是由其針對的檢測對象實際特點決定的。另一方面，由于其檢測的管道距離相對較短，對檢測精度要求更高，這就是使得超聲脈沖的檢測頻率更高，一般采用高頻導波信號（50～500kHz），且往往根據檢測對象的不同選擇不同的頻率范圍，實現寬頻帶掃描檢測。超聲脈沖信號主要有三種波型模式：縱向模式（L模式）、扭轉模式（T模式）和彎曲模式（F模式），其對管道的各種缺陷特征有著不同的檢測靈敏度，因此在實際檢測中一般采用多模式（多探頭模塊）檢測，即同時進行例如縱向波和扭轉波操作，可以收集到被檢測管道更全面的信息而不致發生漏檢。

2 聲脈沖（APR）和超聲脈沖（UPR）對缺陷的靈敏度

2.1 壁損

對APR來說，壁損表現為橫截面的局部增加，然而采用UPR，則表現為管壁自身的截面減少。因此，利用APR技術，內徑壁損將表現為負脈沖伴隨正脈沖（見圖1），而UPR的極性則正好相反［1］。更重要的是，UPR的反射振幅相對更大，這主要是因為管壁的橫截面（UPR波的傳播介質）遠小于管子包圍的空氣橫截面（APR波的傳播介質）。例如，一個典型的壁損，直徑1″壁厚2mm的管子，存在一個直徑5mm、點蝕50%的壁損缺陷（見圖3）：點蝕最寬處，造成管壁截面降低6.5%（UPR檢測），而引起的管內空氣橫截面增加僅為1.2%（APR檢測）。因此，雖然兩種技術基本檢測方法相似，但峰值極性相反，UPR比APR對壁損的靈敏度更高。此外，UPR可檢測外徑缺陷，但UPR本身無法對內外徑缺陷進行區分，如果同時參考APR和UPR的檢測結果，就可以區分。

2.2 堵塞

堵塞會引起橫截面的減少，APR的信號特征為正脈沖連負脈沖，并且，幾乎不受堵塞物材質的影響（氧化皮、碎片、污泥或淤積的水）。這是因為所有這些物質的電阻抗特性都比空氣的大的多。然而，在UPR中，堵塞程度依賴于堵塞物與管壁的緊密度以及與管壁電阻抗特性的相對大小。一般來說，緊密依附在管壁的堵塞將引起管壁橫截面的增加，表現為負脈沖連正脈沖。因此UPR在檢測堵塞的程度方面可靠性不高，但APR在堵塞的檢測上非常精確。

2.3 穿孔

對UPR來說，穿孔與極端壁損從機理上很相似，因此UPR相對APR有更高的檢測靈敏度。但由于穿孔和極端深度點蝕在厚度方面差別極小，檢測時即使對深度的一個微小的偏差都會將穿孔誤判為深度點蝕。從上述壁損缺陷的分析上可以看出，APR在對穿孔和壁損信號的反映上是有本質上的區別（見圖1），因此在脈沖反射檢測儀中，APR則常被用來進行點蝕和穿孔的性質區分。

2.4 裂紋

細小裂紋引起的是管壁的不連續，因此只能被UPR檢測出，產生的回波受裂紋方向的影響。舉一個極端的例子，如圓周性裂紋將引起徑向管壁截面的大幅減小，軸向裂紋將引起軸向管壁截面的小幅減小。UPR可同時檢測這兩種缺陷，主要利用反射脈沖信號的峰高、內峰距離、傳播時間等技術參數實現對該類型的缺陷的判斷。

3 檢測案例

選擇2臺已經停用（管束有多根管道穿孔泄漏）的換熱器對其管束進行脈沖反射法檢測，通過對已知缺陷的復驗，檢驗該技術的可靠性，型號DX5000A-R，管子內徑34″，材質碳鋼管，壁厚0.083″，1.2m長。分別選用兩種脈沖信號進行檢測，檢測現場見圖3，檢測結果見圖4。

圖3 檢測現場

圖4 檢測結果（1號換熱器和2號換熱器）

圖5 附著物堵塞缺陷

圖6 腐蝕缺陷

目前國內最常用的換熱器設備檢測方式為：停產清洗、充水、打壓，通過觀察液體是否泄漏進而衡量換熱器管束是否有泄漏發生。這種方式有兩個弊端：首先停產打壓需要很多的工序，也耗費大量的成本；其次是它只對管束漏不漏進行檢測，即使管束還有微量剩余壁厚，還未出現泄漏，這種檢測方法就無法有效發現，就有可能導致檢測完成后在很短的時間內，又出現了泄漏。因此企業迫切需要一種新的檢測技術可以實現換熱器管束缺陷的定量檢測。

圖7 穿孔缺陷

現有的無損檢測技術能夠應用在換熱器管束檢測上的主要有內窺鏡和渦流檢測兩種。其中內窺鏡由于是肉眼觀看，缺陷無法定量，且受內窺鏡探測距離的影響，因此效果并不理想。渦流檢測技術同樣由于受限于探測距離，因為換熱器管束有五六米或者十幾米都是很正常的，而渦流檢測同樣需要將傳感器塞入管束里，因此檢測距離一般不超過2～3m且管道不能有彎頭［2-4］，這些因素都限制了其在換熱器設備上的檢測范圍。

從上面的分析可以看出，聲眼檢測是超聲脈沖加聲脈沖疊加的檢測技術，在管道端部插入一個脈沖激發和接收（為同一裝置）裝置，即可一次性完成整根管道缺陷的定位、定性和定量，探測距離可以有幾十米，且基本不受彎頭影響，其檢測效率和檢測適用性較其他檢測手段有著顯著的技術優勢。

在對這2臺換熱器的檢測中，實現了已知穿孔缺陷100%的檢出率，而且對管束內部的其他腐蝕和堵塞缺陷也進行了有效的排查，通過這些檢測數據，結合設備的使用周期即可為該換熱器的使用壽命預測提供科學的數據支撐。

4 結論

從工作原理上分析，聲眼檢測是整合了聲波檢測和導波檢測兩種成熟的檢測技術。其技術應該是可靠的，這一點在大量的工程檢驗中已經得到了驗證，但其還有一定的使用局限性，其適應的檢測范圍相對于傳統的無損檢測方法還相對狹小，主要包含兩個方面：

1）由于此種技術的脈沖信號是由貼合在管道內壁的傳感器陣列激發產生，因此在檢測過程中，被檢管道必須是開口的管道，這就限制了在常規工業管道上的應用［5］。

2）其作為一種新型檢測方法，在國內還沒有相應的國家標準予以支持，因此也制約了其在常規設備檢驗中的推廣。

但聲眼檢測作為一種專用的管道檢測方法，還是有其非常顯著的技術優勢，尤其在換熱器換熱管束、鍋爐水冷壁管、省煤器管、冷凝管等管道的檢驗中有著非常廣泛的應用前景。

［1］ Amir N，Shimony U，Rosenhouse G.A Discrete Model for Tubular Acoustic Systems with Varying Cross Section--The Direct and Inverse Problems.Part 1：Theroy［M］. Acustica 81，1995：450-462

［2］ Amir N，Shimony U，Rosenhouse G.A Discrete Model for Tubular Acoustic Systems with Varying Cross Section--The Direct and Inverse Problems. Part 2：Experiments［M］.Acustica 81，1995：453-474.

［3］ Chilekwa V，Sharp D B and Hill T J W. Leak Detection in Musical Wind Instruments Using Acoustic Pulse Reflectometry［A］. Proceedings of the Stockholm Music Acoustic Conference［C］. Stockholm， 2003.

［4］ Amir N，Shimony U，Rosenhouse G.Losses in Tubular Acoustic Systems--Theory and Experiment in the Samples Time and Frequency Domains［J］.Acoustica 182，1996：1-8.

［5］ 倪進飛，劉紅文，童亮，等.聲脈沖管道檢漏在電站檢測中的應用［J］.江西電力，2004，28（1）：43-44+48.

對于上述封頭示例，其名義厚度的輸入值為δnh=8.5+0.3=8.8mm，軟件計算得到的封頭有效厚度才是6.5mm。這樣才能反映出封頭有效厚度的真實值，設計計算才能滿足安全要求。

5 結論

為保證壓力容器的運行安全，壓力容器封頭的最大允許工作壓力、開孔補強與臥式容器封頭應力計算，應采用設計所需的最小成形厚度減去腐蝕裕量作為封頭的有效厚度。

壓力容器成品封頭實測的最小厚度不得小于設計所需的最小成形厚度。

參考文獻

［1］ GB 150—2011 鋼制壓力容器［S］.

［2］ GB/T 25198—2010 壓力容器封頭［S］.

The Application of Acoustic Eye Technology in Pipeline Testing

Shen Jidong Zhang Yanbing
（Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province Nantong 226011）

As a kind of non-insert testing technology， the Acoustic Eye testing method has been always used in pipeline internal detection testing and material properties testing. This article focuses on analysis of the defect pulse refection signal working principle， sensitivity， technical characteristics， etc.

Acoustic Eye Pipeline Testing

X933.4

B

1673-257X（2016）10-0037-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.009

沈繼東（1964 ～），男，本科，副院長，高級工程師，從事承壓類特種設備檢驗及相關技術研究工作。

2016-05-06）