超聲導波在工業管道完整性監測中的應用研究

摘 要：工業管道在使用過程中，容易產生腐蝕、疲勞破壞等缺陷，常規手段無法大面積進行測試，通過理論和現場測試證明，超聲導波技術能夠滿足對在役新增管道缺陷的檢出和辨識，實現管道的在線監測，在不停機的情況下減少大面積拆除、恢復保溫，節約成本。

關鍵詞：超聲導波；工業管道；完整性；監測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.017

管道作為化工企業常見的特種設備，承載著物料的傳輸。由于管道工作條件惡劣，容易產生腐蝕、疲勞破壞等缺陷，嚴重時會引發泄露。因此，對管道完整性進行監測和診斷成為化工企業壓力管道巡檢員日常維護的重要組成部分。然而常規測厚方法對埋地或帶保溫架空管道完整性測定非常困難，超聲導波在少開挖、局部拆保溫的情況下對管道環節面壁厚腐蝕量檢測具有技術優勢，近年來逐漸應用于管道監測中。

1 超聲導波檢測原理

1.1 模態的選擇

導波在管道中傳播時，遇到缺陷會發生散射、反射等現象，可以通過研究導波的傳播特性來評價管道結構的完整性。導波傳播具有頻散性和多模態性，其可用頻散曲線來表示，如圖1所示。空心圓管中的超聲導波有三種模態，分別為縱向模態L（0，m），扭轉模態T（0，m）及彎曲模態F（n，m），其中n=1，2，3……，m=1，2，2……，分別表示周向階次和導波模數。

相速度曲線，縱坐標（km/s），橫坐標頻率（kHz）。

從頻散曲線可知，T（0，1）、L（0，1）在一定的頻率下表現出非頻散特性，是目前常用于工業檢測的兩個模態。

1.2 換能器的選擇

針對不同的模態，傳感器的選擇不同。L（0，1）模態導波為縱向對稱模態，選用長度伸縮型壓電陶瓷。當在壓電陶瓷上下兩極加電壓時，壓電陶瓷在長度方向上伸縮，其伸縮振動的頻率與上下兩極所加電壓頻率相等，為使經過此壓電陶瓷片激勵出的振動信號在管道中只出現軸對稱導波模態，可在被測管道外壁沿周向均布一系列相同規格的壓電陶瓷片。

T（0，1）扭轉波主要利用了磁致伸縮效應，當鐵磁體磁化時伴有晶格的自發變形，即沿磁化方向伸長或縮短。由于磁致伸縮效應的存在，當鐵磁材料被外界磁場磁化時會產生一定大小的應變。如果將鐵磁性材料置于交變的磁場中，材料內質點將產生與交變的磁場同頻率的磁致伸縮形變。當這種伸縮振動以波的形式在試件中沿介質邊界傳播時，就形成了磁致伸縮導波。通過施加直流偏置磁場Hs，可增強鐵磁性材料的磁致伸縮形變，提高磁致伸縮導波的能量。因此，選擇合理的偏置磁場Hs和交變磁場HD的大小，有利于提高檢測距離。

1.3 檢測原理

將導波換能器安裝在被監測管道上，檢測系統激勵換能器在管道中產生導波，導波在管壁沿軸向方向傳播。當遇到缺陷時，部分能量將發生反射，形成反射回波。反射回波經接收換能器轉化為電信號，由可控增益接收采集電路接收、處理后在上位機進行顯示。對接收信號進行分析，能夠對管壁中的缺陷進行識別與定位，如圖2所示。

2 管道監測實例與分析

對在用管道布置探頭，采用128kHz采樣頻率進行監測，結果如下：

在經過一段時間的監測后，在距起始點1.62m處發現一35%橫截面損失缺陷。

3 結論

試驗完成了對1條管道的在線監測，發現了一處新增腐蝕缺陷。試驗證明超聲導波技術能夠滿足對在役新增管道缺陷的檢出和辨識，實現管道的在線監測，在不停機的情況下減少大面積拆除、恢復保溫，節約成本。

作者簡介：曹志峰（1981-），男，山東陽谷人，碩士研究生，工程師，主任，研究方向：特種設備檢驗檢測。