超聲導波技術在特種設備檢測中的應用

黃志巍

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南 長沙 410117）

超聲導波技術在特種設備檢測中的應用

黃志巍

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南 長沙 410117）

近年來隨著科學技術的不斷進步，超聲導波檢測技術已廣泛地應用于各種具有波導結構的構件，例如已經成功融入到管道、板材等承壓特種設備無損檢測領域當中，有效控制了設備的檢測成本，同時還提升了設備檢測的工作效率，也提升了設備檢測的準確性。以當前特種設備檢測過程中超聲導波技術的發展情況為基礎，結合近年來工作開展的實際情況，對如何提升超聲導波技術的使用質量加以闡述。

特種設備；設備檢測；超聲導波；應用

特種設備是經濟建設過程中十分重要的一個部分。特種設備檢測質量在很大程度上會影響到特種設備的使用質量以及特種設備相關產業鏈條的發展。將超聲成像系統應用到特種設備檢測過程中，有效地探測出了壓力管道以及壓力容器、常壓石油儲罐底板等特種設備在運行過程中出現的損傷，極大地提升了檢測效率以及準確性。下文將分別從不同的角度，結合某油田的情況，對超聲導波技術的應用方法加以闡述。

1 超聲導波與B掃描檢測問題

由激勵模塊、接收模塊這兩個模塊來構成檢測系統，實現小型超聲導波檢測。激勵模塊的主要組成部分包含了單片機、功率放大器等，結合電陶瓷換能器陣列將各個部件進行串聯。在接收模塊方面，主要使用壓電陶瓷換能器陣列，利用數據采集卡以及 Lab程序等進行串聯，提升系統結構穩定性。單片機的主要作用是生產專用導波激勵信號數字編碼，之后使用專業的模數轉換器對編碼進行處理，并生成與之相對應的模擬信號，再利用功率放大器來帶動壓電陶瓷轉換。

因為激勵用壓電陶瓷轉換器可以受到變電信號的影響，并通過逆壓電效應的方式來生成機械波，在管道中，該機械波可以以導波的形式進行長距離傳播，實現管道的快速檢測傳播，若在傳播的過程中，發現管道存在缺陷，導波傳播至缺陷處會發生反射現象，所反射回來的機械波會被壓電陶瓷換能器接收，之后通過壓電效應所產生的各種電信號來進行數據轉換，綜合了LabVIEW 數據采集卡的內容，對各種采集到的內容進行全面數據轉換，最后再對數據內容進行處理。一般情況下，會先對回波信號位置進行分析，之后通過一些比較專業的理論計算依據，來計算導波速度，明確其所在管道的長度，以及管道是否存在缺陷。

因為是單片機和數模轉換器構成組成了信號發生器，所以工作人員可以利用專業化的超聲導波激勵信號來處理這些問題。導波頻散特性比較顯著，所以在對管道導波情況進行檢測的過程中，工作人員可以使用一些窄帶的激勵信號來處理相關問題。以不同管道檢測被調制單音頻信號形式，選定不同信號頻率，將信號的頻率控制在 70～ 250kHz范圍區間內效果最好。

如果石化行業管道長時間不間斷的工作，其內部必然會出現腐蝕等問題，影響管道的正常使用。如果工作人員沒有發現管道已經腐蝕，會使其持續腐蝕一段時間，最終發生腐蝕失效的問題。所以必須要定期對管道運行情況進行檢測，如果大部分管道的外壁位置依然有絕熱層或者是有防腐層，要拆除掉這些層之后，再進行腐蝕檢查。這種檢查方式在我國已經使用了許多年，但是檢查工作效率低、檢查需要投入的經費比較多，所以近年來逐漸被淘汰。

超聲導波檢測工作的基本原理，就是利用探頭陣列來發出超聲能脈沖，這種脈沖始終充斥在圓周方向以及管道壁的位置，并向四周位置傳播，最終由相同的探頭陣列來驗收返回的信號。如果經過檢查發現，管道的管壁位置厚度發生了任何形式的變化，則在管道內壁以及管道外壁這兩個位置，都會產生反射信號，這些信號會被探頭陣列捕獲。

所以從該角度來看，管道內外壁因為受到腐蝕而產生金屬缺陷，都可以利用該方法進行檢測。按照不同缺陷產生所附加的波形，對信號進行轉換，可以有效識別金屬磨損和管子的外形特點，對不同問題點加以區分。

超聲導波檢測技術，主要利用低頻扭曲模態導波和縱向模套導波對管道內部情況進行檢查。扭曲模態導波可以邊朝著管子圓周方向振動，一邊向著管道的軸向位置傳播波形，這種傳播模式效果比較好，聲能并不會受到管道內各種液體的影響，傳播質量理想。工作人員在對導波進行檢測的過程中，可以讓液體不斷的在管道中流動。

工作人員在管道的某個位置放好事先準備好的探頭，之后再讓導波沿著管道軸的方向進行傳播。這一傳播距離可以達到數十米，并且反射回來的余波還可以顯示出管道內部腐蝕以及其余各種特征，所以工作人員可以利用管壁當中鉛管子的軸向來傳播導波信號，最終實現長距離的快速無損檢測。

2 實例驗證

以克拉瑪依油田中的一條管道檢測情況為例，這條管道在克拉瑪依油田中已經服役了很多年，但是在近年來的例行檢查中發現，管道在運行的過程中存在腐蝕性穿孔問題，所以著手對這一管道進行檢測。在檢測的過程中，將檢測目標集中在管道腐蝕方面，并利用超聲導波對其進行檢查，結合B掃描給出具體的結果。

在檢測之前，先使用導波來對整條管道進行一次快速檢測。將探頭沿著管道壁的位置，順時針進行掃描，在掃描一周之后，對檢測方向 20m左右范圍內的管壁腐蝕情況進行全面觀察，并記錄下觀察的結果。通過導波圖的方式，對這些內容進行分析，之后確定下腐蝕區域具體的位置，再對相關細節進行后續檢驗。之后對腐蝕區環向位置進行B掃描，并對最終的掃描結果進行分析。克拉瑪依油田的該管道區域壁厚程度最小值為 5.8mm，最大值為 168.2mm。

因為在對管道進行檢測之前，并沒有先對管道的表面進行打磨，導致最終測量出的管道表面漆體厚度約為0.5mm，所以在對管壁厚度進行計算時，要減去 0.5mm，才能保證測量結果的準確性。利用B掃描的方式，對腐蝕區域線性兩維剖面圖進行觀察發現，該腐蝕區域的特點比較明顯，呈現出擴散性的特點，而且軸向的腐蝕長度要明顯超過環向的腐蝕寬度，滿足管內液體流向要求。

3 結語

本文從三個方向闡述特種設備檢測過程中超聲導波檢測技術的應用方式，首先闡述了超聲導波與B掃描檢測問題，之后對如何提升特種設備檢測質量進行闡述。

[1]本刊編輯部 . 開拓創新謀事業發展 鏗鏘前行譜特檢新章——廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院側記 [J]. 中國特種設備安全，2016，(09):72-74.

[2]中國特種設備檢測研究院 負責特種設備安全與節能領域具有較強實力的檢測研究工作 [J]. 標準生活，2014，(06):56-57.

[3]李衍 . 承壓設備 NDE新通道——ASME對超聲 TOFD技術的應用規定 第二部分 :焊縫 TOFD檢測的基本要求 [J]. 中國特種設備安全，2010，(05):38-41.

TH878.2

A

1671-0711（2017）07（下）-0101-02