超聲導波檢測在壓力管道檢驗中的應用與實踐

譚暢

摘 要：超聲導波技術作為新型的無損檢測技術，因為其具有檢測距離長、速度快、成本低并且可以檢測到一般常規檢測器無法檢測的地方，例如有套管或者埋地管道等特殊管道。此文章先介紹管道超聲導波檢測技術的一些基礎理論知識，提出這一檢測技術的應用關鍵，對此，為以后人們能廣泛應用管道超聲導波技術提出合理化的建議。

關鍵詞：超聲導波技術；壓力管道；應用；實踐

中圖分類號：TV698.1+5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0154-02

1 概述

管道作為五大運輸工具之一，其在運輸氣體、液體等方面具有得天獨厚的優勢。在全世界管道運輸干線總計已經達到240多萬km，1995年末我國管道運輸干線總計已經達到27839km，主要應用于城市供水系統中。雖然管道帶來很多便利，但由于經過長時間的沖刷和侵蝕導致管道壁變薄，時常發生泄漏事件，不單單造成巨大的經濟損失，而且還造成環境污染影響生態平衡。據調查，世界各國自來水泄漏損失率達到25%左右。近年來管道造成的人身傷害更加引起了廣大人民群眾的關注。比如：1994年老撾一條氣體管道泄漏造成爆炸，致使50人死亡；2005年美國華盛頓的一條天然氣管道泄漏，產生靜電發生了火災，造成2人死亡100人受傷。近幾年還有其他國家，例如日本、韓國、加拿大等國家都發生過管道泄漏事件。據不完全統計，截止2010年，我國僅在油管運輸上已經發生了389件事故。天然氣管道也曾發生過多次事故，后果極其嚴重，給人們的人身、生活、財產帶來威脅。而更嚴重的是管道泄漏會造成環境污染，加劇了原始生態環境的惡化，威脅了人們賴以生存的環境[1]。

雖然一般常規無損檢測器（超聲檢測爬機等）在管道檢測中有著很多優點，比如技術成熟、便于操作，只要對操作人員進行簡單的培訓，就可以很快運用專業設備進行操作。但常規無損檢測技術都存在一個致命弱點：檢測過程都是逐點掃描式，所以常規無損檢測技術不能有效地應用于工業管道長達上千公里的檢測中去。而超聲導波檢測技術和模態聲發射技術可以有效解決這一問題。

2 超聲導波技術

2.1 基本原理

導波原理好像平板中的板波。它發出的超聲波頻率比板波更低，它橫穿整個管壁，并可以繼續沿管壁傳播上百米。當在傳播過程中碰到缺陷、結構變化的地方，脈沖波會發生反射并沿管壁傳播到傳感器而被接收。這一特殊的工作原理決定了管道超聲波可以應用于工業企業中大范圍、遠距離的檢測中去，實現全覆蓋管道壁[2]。

2.2 導波檢測技術的應用范圍、優缺點

應用于：管道、管狀設備等。

檢測管道類型：無縫管、縱焊管等。

優點：（1）一般常規超聲波檢測只能檢測到管壁一個點的腐蝕情況，而管道導波檢測技術可以利用一個檢測點，從兩個方向檢測到幾米甚至上百米管道腐蝕情況。（2）可以檢測到常規檢測技術無法檢測到的地方，如埋地管道等特殊管道。（3）檢測速度快、效率高、全方位覆蓋，無漏檢。（4）可敏感地感應到橫截面檢測面的金屬損失，檢測深度也達到管道橫截面的4%。

缺點：（1）超聲導波不能對缺陷準確定性，定量也是不準確的，對可疑地方只能再根據其他檢測方法進行進一步檢測。（2）超聲導波檢測技術很難將單個點狀缺陷和軸向條狀缺陷

檢測出來。（3）焊接處的管道因為結構發生變化影響整個檢測的長度和準確度。

3 超聲導波檢測方法

經過這么多年的發展，超聲導波檢測技術在壓力管道中進行檢測的技術得到了國內外很多研究機構的關注與研究。因為在實際生產作業中非常需要利用先進的檢測技術對壓力管道檢測管道情況，所以超聲導波技術逐漸浮出水面，成為管道檢測的一大技術。從上世紀八十年代開始，電磁學技術應用在了檢測管道裂紋方向，后來有些學者利用實驗證實了超聲導波技術是可以對管道進行檢測的，雖然不同的學者利用的不同的方法，分別利用了L（0，1）模式和L（0，2）模式兩種方法都進行了驗證，但是這些僅限于實驗室情況，都還未在現場進行應用，這是今后需要著重研究的熱點方向。根據導播模式的個數不一樣，超聲導波技術可以分成單一模式和多模式、模態聲發射等檢測方式，下面將對這三種方式進行概述。

3.1 單一模式導波檢測

一般來說，激勵源產生的波是處于其所在頻域范圍內所有的模式，是很復雜的，幾乎是沒辦法直接利用這種信號直接進行分析的。但是如果利用一些特定的激勵形式把復雜的信號轉化成具有單一模式的信號，這樣將大大減少工作強度。當前在國外研究領域，超聲導波檢測經常使用的單一模式導波是L（0，2）的模式。采用L（0，2）模式的導波的優點在于：（1）在某個固定的頻率帶寬內，這種模式下的信號基本都是非頻散的，意思就是導波的群速度和相速度都不會隨著頻率的變化而發生巨大變化，所以這樣當導波進行傳播時是相對穩定的，幾乎不發生變形；（2）這種模式下的導波的傳播速度是最快

的，這樣會使其他雜亂的、不需要利用的信號處在后面；（3）這種方法對內表面和外表面的靈敏度都很高，因此這種模式的導波不但可以檢測內外表面的損傷，還可以沿徑向方向進行檢測。

超聲導波在管道中傳送時，當其遇到缺陷斷裂、端面、縫隙和拐彎處等都會產生反射，因此，在管道中傳送具有軸對稱性質的L（0，2）模式導波時，如果遇到缺陷時，因為缺陷一般是非對稱的，所以在回波里面不但有傳回的L（0，2）模式的信號，還有其他模式的信號。特別是當管道中在近乎對稱的焊縫里有非對稱形式的裂紋時，L（0，2）模式的回波中會很容易發現這個焊縫的回波，從而準確發現裂縫[3]。如果損傷和焊縫不重合的時候，這種導波也會發現損傷的；如果兩者重合的話，此模式的回波中是不能很明顯的顯示出損傷的信號變化，但是在反射回的回波的F（1，3）模式的導波信號會對這種情況表現出非常敏感的變化。所以如果要對管道進行全方位的檢測，采用更好階次的導波將產生更好的結果。endprint

3.2 多模式導波檢測

因為一種模式的導波只能檢測出一種缺陷類型，但是實際工程中的缺陷卻是多種復雜原因結合在一起的，因此利用多模式導波檢測可以同時對多種缺陷進行檢測。另外，可以根據激勵信號的空間相位和幅度的特殊性對一些結構中的缺陷進行檢測。比如可以利用低頻窄帶脈沖信號的特殊性檢測管道，這樣的方法很適合應用在徑向和軸向不均勻特點的管道缺陷。

3.3 模態聲發射技術

聲發射技術是近五十年才發展起來的，但是因為其有很大的優勢所以發展很迅速。這種技術是利用其在發生作用的時候可以快速釋放能量對管帶物體進行檢測的，它的優勢在于能夠形成動態檢測，而且覆蓋面廣。

4 超聲導波檢測的應用

從現在來看，管道鋪設方法有架空和埋地兩種。因為使用時間較長，管道的腐蝕也比較嚴重。針對于腐蝕情況的檢測，如果繼續運用一般常規檢測技術還需要利用手腳架、拆除管道外壁的保溫層、大面積，長距離的挖溝等長時間，大工作量的前期輔助工作，無疑是增加了檢測技術的檢測成本。而經過大的變動之后能否正常進行檢測，檢測是否準確這些也是應該考慮的地方。檢測后的管道能否正常運作也會直接影響到正常的生產工作。

而現實生活中有很多架空管道和橫穿河流、道路的管道，進行檢測時很難接觸到管道，如果繼續使用一般常規檢測技術則需要增加許多輔助設備，輔助工作量大，檢測成本較高。但是，利用超聲導波檢測技術則利用其超聲波的優點，利用管道平臺或直接選取一個比較接近地面等比較方便的地方，設置一個檢測點，就可以順利檢測到自檢測點開始到幾百米甚至上千米的地方，不僅方便、省力、省事、節約成本，還降低了檢測的困難度。

5 結束語

目前，長距離的超聲波技術是方便有效快速的掃描技術，可以處理在檢測中局部因為厚度等方面的原因，不能準確進行檢測提出更合理化的檢測意見，提出較為合理的檢測方法。目的是根據掃描給出的結論，針對不同管道采用不同的檢測方法，對檢測區進行有效、快速的檢測。這樣，不僅可以避免在整個管道檢測中因逐點檢測技術帶來的高成本、低效率等缺點，還可以不斷提高準確率，減少人工成本。

目前，超聲導波檢測技術在我國還處于起步階段，應用范圍不廣。很多學者也只是從理論及實驗的角度進行研究，要讓該技術得到大范圍的應用，還應從以下幾個方面進行研究：

（1）提高實驗技術。在實驗中，學者們應注重多采用單一模態導波的應用、不斷提升激勵裝置的設計水平。（2）信號分析技術。對不完整的信號，不單利用現已有的譜分析、逆譜分析等信號分析手段的基礎上，還應采用先進的信號分析方法，比如小波變換技術等新型技術。

參考文獻：

[1]焦敬品，吳斌，王秀彥.管道超聲導波檢測技術研究進展[J].實驗力學，2002，17（1）：1-9.

[2]李衍，強天鵬.管道長距離超聲導波檢測新技術的特性和應用[J].無損探傷，2002（4）：2-5.

[3]董紹華，費凡.超聲導波技術及應用[J].中國國際油氣管道，2005：15-19.

[4]林朋飛.超聲導波管道缺陷檢測專利分析[J].科技創新與應用，2015（21）：63.endprint