基于相控陣超聲導波掃描成像的大曲率油氣對焊彎管缺陷檢測

羅更生，譚建平

(1.湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南長沙，410111；2.中南大學機電工程學院，湖南長沙，410083)

大曲率油氣對焊彎管是城鎮油氣管道系統中常用的一類彎管，由彎曲半徑較小的標準彎頭與直管對接焊接而成，外表面覆蓋黏彈性防腐層。彎管中的彎頭在長期輸送介質過程中易受制造缺陷、介質沖刷腐蝕和管外第三方力量沖壓等因素破壞，導致管壁減薄或開裂，從而造成危險介質泄漏或爆炸等安全事故，因此，定期對彎管部位開展檢測并及時處置安全隱患是非常必要的。超聲導波檢測技術是一種能夠實現對管道缺陷快速檢測的技術，是目前的研究熱點。目前，國內外學者在彎管缺陷的超聲導波檢測方面開展了大量研究，但主要集中在不帶防腐層的自然彎管缺陷檢測方面，如：SANDERSON等[1]采用實驗與有限元相結合的方法研究了T(0,1)模態在彎管中的模態轉換特性，分析了彎頭在彎制過程中形成的不均勻壁厚對T(0,1)模態的傳播影響；BRATH等[2]采用有限元和實驗方法研究了導波在彎管中的傳播和散射現象，發現導波在彎管中傳播時，其波陣面會在彎管表面發生自然聚焦現象；VERMA 等[3]采用有限元法研究了L(0,2)模態導波在具有不同彎曲角度、不同壁厚、不同彎曲曲率半徑彎管中的傳播特性，發現盡管在較小彎曲角度下，彎頭會影響L(0,2)模態20%的傳輸能力，但采用超聲導波檢測或監測彎管缺陷是可行的；HEINLEIN 等[4]采用有限元法研究了T(0,1)模態檢測彎頭小缺陷的能力，發現小缺陷反射信號的幅值隨著分布位置的不同而變化很大；王建龍[5]研究了32 kHz 的T(0,1)模態在帶缺陷彎管中的傳播特性，得出了缺陷反射系數與其軸向長度、徑向深度和周向寬度間的關系；趙冬梅等[6]采用有限元仿真分析L(0,2)模態彎管缺陷，發現當彎頭處裂紋缺陷的橫截面比不變時，其反射系數隨直管段腐蝕缺陷橫截面比變大而減小；耿海泉等[7]通過實驗和仿真研究了信號頻率和彎頭彎曲半徑的變化對小徑管彎頭處L(0,1)模態的模態轉換和反射系數的影響；李陽等[8]采用有限元方法分析了激勵頻率、彎曲半徑和彎管角度對T(0,1)模態透過率的影響規律；王立[9]采用有限元法研究了激勵頻率、激勵周期和彎曲角度等因素對L(0,2)模態、T(0,1)模態在架空彎管中傳播特性的影響規律；QI等[10-11]通過仿真分析和實驗測試發現超聲導波對彎頭不同部位的裂紋具有不同的檢測靈敏度，其中彎頭拱腹裂紋的檢測靈敏度最低；伍文君等[12]通過實驗研究發現L(0,1)模態通過管道彎頭時會產生模態轉換波F(1,1)模態。一些國外學者對不帶防腐層的對焊彎管缺陷的超聲導波檢測進行了研究，如NISHINO 等[13-14]通過實驗研究了T(0,1)模態檢測對焊彎管和直管缺陷的能力，發現對焊彎管缺陷的檢測靈敏度為直管的25%～20%，并且通過實驗研究了T(0,1)模態在彎管中的模態轉換現象，發現T(0,1)模態在彎頭位置會轉換成扭轉波T(1,1)模態、T(2,1)模態、T(3,1)模態和T(4,1)模態；PREDOI 等[15]采用有限元方法分析了L(0,2)模態在焊縫熱影響區帶切槽的90°彎管中的傳播特性，發現L(0,2)模態在通過彎頭前后的焊縫時分別產生一種速度不一的模態波等；SIMONETTIA 等[16]應用超聲導波成像法開展了對焊彎管彎頭缺陷的在線長期監測。目前，關于應用超聲導波檢測大曲率油氣對焊彎管缺陷的研究很少，為此，本文作者提出基于相控陣超聲導波掃描成像的檢測方法，以解決該類彎管彎頭及彎頭后直管上缺陷難以快速檢測的技術難題。

1 油氣對焊彎管的彎頭及環焊縫對超聲導波傳播的影響

應用ANSYS14.0 仿真分析油氣對焊彎管的彎頭及環焊縫對超聲導波的傳播影響。分別設計1根對焊彎管和1 根無縫直管，這2 根管道材質均為20 鋼，外徑為159.0 mm，壁厚為4.5 mm，軸向長度均為4 500.0 mm，外表面覆蓋2.0 mm 厚的聚乙烯防腐層，相關材料的聲學常數如表1所示。對焊彎管模型結構如圖1所示，其中R=318 mm，θ=90°。直管模型結構如圖2所示。管道模型選用Solid164單元類型，應用布爾運算在鋼管相應部位加工焊縫及缺陷，運用掃略方式將網格劃分成六面體單元，其中，沿壁厚方向將鋼管劃分為4個單元，防腐層劃分為2個單元。進行仿真分析時，在管道端面A加載以下超聲導波信號：L(0,2)模態，5周期，40 kHz；T(0,1)模態，5周期，30 kHz。

表1 材料聲學常數Table 1 Acoustic constants of materials

圖1 油氣對焊彎管結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of butt-welded bend with viscoelastic anticorrosive coating

圖2 直管結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of straight pipe

仿真結果分別如圖3和圖4所示。從圖3和圖4可以看出：超聲導波穿越環焊縫1、彎頭及環焊縫2后在端面B產生的首次反射波的幅值比直管端面B的首次反射波幅值低；當管道端面A處加載L(0,2)模態時，彎管和直管的端面B反射波相對幅度分別為0.206 7 和0.717 3，彎頭和環焊縫共同對超聲導波信號幅度的衰減為71.2%；當管道端面A處加載T(0,1)模態時，彎管和直管的端面B反射波相對幅值分別為0.157 2 和0.384 4，彎頭和環焊縫共同對超聲導波信號幅度的衰減為59.1%，可見彎頭和環焊縫對L(0,2)模態或T(0,1)模態產生了大量衰減，同時，L(0,2)模態、T(0,1)模態經過彎頭后，分別產生了模態轉換波F(1,3)模態和F(1,2)模態。

圖3 管道端面A處加載L(0,2)模態時管道端面B的反射波Fig.3 Reflected waves from endB when L(0,2)mode is excited at endA of two pipes

圖4 管道端面A處加載T(0,1)模態時管道端面B的反射波Fig.4 Reflected waves from endB when T(0,1)mode is excited at the endA of two pipes

2 基于相控陣超聲導波掃描成像的檢測方法

從上述研究發現，超聲導波經過大曲率油氣對焊彎管的彎頭時，在環焊縫處產生明顯的反射信號，當彎頭上缺陷距離環焊縫較近時，環焊縫反射信號包絡可能與彎頭上缺陷反射信號包絡相連，影響彎頭缺陷的識別；彎頭和環焊縫使超聲導波產生大量衰減和模態轉換，降低了超聲導波檢測彎頭后直管上缺陷的能力。此外,聚乙烯防腐層會對超聲導波產生衰減。上述問題導致超聲導波難以檢出對焊彎管的彎頭及過彎頭后直管部位的缺陷。

為此，提出相控陣超聲導波掃描成像技術，用于檢測大曲率油氣對焊彎管缺陷。該技術采用相控陣技術控制超聲導波的激勵，提高超聲導波的缺陷檢出能力；同時，應用A掃描和B掃描成像技術，提高超聲導波的缺陷識別能力。

2.1 超聲導波信號的控制

相控陣超聲導波掃描成像技術通過控制傳感器的激勵延時，使所需要的超聲導波信號幅值疊加增強，也可以使不需要的信號幅值疊加后減弱或抵消，提高所需要信號的缺陷檢測能力。對焊彎管缺陷超聲導波檢測原理如圖5所示，在壓電傳感器陣列上施加經漢寧窗調制的單音頻信號[17]，激勵出L(0,2)模態或T(0,1)模態。為實現對超聲導波信號的控制，需要解決2個關鍵問題：一是傳感器陣列設計，二是傳感器激勵延時設定。

圖5 實驗原理Fig.5 Experimental schematic diagram

2.1.1 L（0，2）模態的傳播控制

傳感器陣列設計如圖6所示，由L1，L2 和L3共3圈傳感器構成。其中，d2為L1傳感器離管道左側Z處的距離，l為L1與L2傳感器或L2與L3傳感器之間的間距，d3為L3 傳感器離管道右側Y處的距離。壓電傳感器在激勵L(0,2)模態的同時，也會激勵L(0,1)模態。在相同頻率下，L(0,1)模態的傳播速度幾乎是L(0,2)模態傳播速度的一半[18]。應用相控陣技術控制傳感器的激勵延時，使3圈傳感器激勵出來的L(0,2)模態疊加后信號幅值增強，提高檢測距離；使L(0,1)模態疊加后信號幅值抵消，避免L(0,1)模態的干擾。

L1，L2 和L3 傳感器激勵出的L(0, 2)模態和L(0,1)模態傳播到管道右側Y處的時間分別為：

圖6 L(0,2)模態傳感器陣列設計Fig.6 Sensor array design of L(0,2)mode

其中：tYL1，tYL2和tYL3分別為L1，L2 和L3 傳感器激勵的L(0,2)模態到達管道右側Y處的傳播時間；t′YL1，t′YL2和t′YL2分別為L1，L2和L3傳感器激勵的L(0,1)模態到達管道右側Y處的傳播時間；v2和v′1分別為L(0,2)模態和L(0,1)模態波速，v2= 2v′1；Td1和Td3分別為L1 和L3 傳感器的激勵延遲時間。為使L(0,2)模態在管道右側Y處加強、L(0,1)模態在管道右側Y處抵消，激勵延遲時間應滿足以下要求：

其中：T2和T′1分別為L(0,2)模態和L(0,1)模態的周期，且T2=T′1；n為奇數，且n>1。聯合式(3)和式(4)及v2= 2v′1，經計算得

式中：λ2和λ′1分別為L(0,2)模態和L(0,1)模態的波長。從式(5)可以看出：當3圈傳感器彼此間距l為λ2/2 或λ′1，L1 和L3 傳感器的激勵延時均為T2/2 或T′1/2 時，3 圈傳感器激勵的L(0,2)模態加強，L(0,1)模態被抵消。以管道左側Y處為計算基準點時，也可以得到相同的結果。

2.1.2 T（0，1）模態的傳播控制

圖7 T(0,1)模態傳感器陣列設計Fig.7 Sensor array design of T(0,1)mode

傳感器陣列設計如圖7所示，由T1 和T2 共2圈傳感器構成。其中，d4為T1 傳感器離管道左側Z處的距離；d1為T2 傳感器離管道右側Y處的距離；l0為T1 與T2 傳感器之間的間距。為了只檢出傳感器右側方向上管道的缺陷，應用相控陣技術控制傳感器的激勵延時，可使2圈傳感器激勵出來的T(0,1)模態往管道右端傳播時信號幅值疊加增強，提高缺陷檢出率；往管道左端傳播時信號幅值相互抵消，防止其經管道左端反射后往管道右端傳播，影響缺陷檢測及定位。

T1 和T2 傳感器激勵出的T(0,1)模態傳播到管道左側Z處和管道右側Y處的時間分別為

式中：v1為T(0,1)模態波速；Td為T2傳感器延遲激勵時間；tZT1和tZT2分別為T1 和T2 傳感器激勵的T(0,1)模態到達管道左側Z處的傳播時間；tYT1和tYT2分別為T1和T2傳感器激勵的T(0,1)模態到達管道右側Y處的傳播時間。為使T(0,1)模態在管道左側Z處信號幅值抵消，在管道右側Y處信號幅值加強，應滿足以下條件：

式中：T1為T(0,1)模態的周期。根據式(8)可得

式中：λ1為T(0,1)模態的波長。從式(9)可以看出：當2 圈傳感器間距l0為λ1/4，T2 傳感器的激勵延遲時間為T1/4 時，可實現T1 和T2 傳感器激勵出的T(0,1)模態往管道左側傳播時信號幅值抵消，往管道右側傳播時信號幅值增強。

在實際檢測過程中，通常以T(0,1)模態或L(0,2)模態的某個重要頻率為基準來設置傳感器間距，當頻率改變時，傳感器間距固定，以提高現場檢測效率。為此，以L(0,2)模態的60 kHz 為基準，根據式(5)進行計算并設置3 圈傳感器間距為30 mm；以T(0,1)模態的27 kHz為基準，根據式(9)進行計算并設置2圈傳感器間距為30 mm。通過控制傳感器的激勵延時，使3 圈傳感器激勵的L(0,2)模態疊加增強，L(0,1)模態疊加減弱；使2 圈傳感器激勵的T(0,1)模態往管道右端傳播時疊加增強，往管道左端傳播時疊加減弱，此時，傳感器激勵的10周期L(0,2)模態和T(0,1)模態幅值隨頻率的變化關系分別如圖8和圖9所示，圖中的灰色部分為檢測盲區。從圖8和圖9可以看出：T(0,1)模態和L(0,2)模態分別在27 kHz和60 kHz時信號最強，在其他頻率下信號相對變弱。此外，當T(0,1)模態和L(0,2)模態的周期數改變時，2 種模態幅值隨頻率的變化關系不變。

圖8 3圈傳感器激勵的10周期L(0,2)模態幅值與頻率的關系Fig.8 Relationship between amplitude and frequency of 10-cycle L(0,2)mode excited from three-circle sensor

圖9 2圈傳感器激勵的10周期T(0,1)模態幅值與頻率的關系Fig.9 Relationship between amplitude and frequency of 10-cycle T(0,1)mode excited from two-circle sensor

2.2 缺陷信號的識別

當同時采用A掃描、B掃描成像技術時，為了提高對缺陷信號的識別能力，需解決以下2個關鍵問題：一是傳感器布置，二是B 掃描圖像顏色設置。

2.2.1 傳感器布置

超聲導波傳感器布置如圖10所示。將每圈傳感器沿著管道圓周360°方向均勻布置，為簡化操作和減少數據連接，將傳感器等分成數量相同的A，B，C，D，E，F，G 和H 共8個組，分別負責管道圓周上[0°，45°)，[45°，90°)，[90°，135°)，[135°，180°)，[180°，225°)，[225°，270°)，[270°，315°)和[315°，360°]區域內缺陷的檢測。

圖10 超聲導波傳感器布置圖Fig.10 Layout of ultrasonic guided wave sensors

2.2.2 B掃描圖像顏色設置

當超聲導波遇到不同類型的管道結構不連續部位(如焊縫、管端、缺陷等)或遇到不同橫截面積比(即指缺陷橫截面積與缺陷處管壁橫截面積之比)的缺陷時，會有不同幅度的反射信號。此外，當相同橫截面積比的缺陷與傳感器距離不同時，也會產生不同幅度的反射信號。為了使管道上不同位置的相同橫截面積比缺陷具有相同的B掃描圖像顏色，在掃描成像處理時采用對數標度法來設置顏色。超聲導波在鋼管中的衰減關系滿足[19]

式中：y為距離起始波源x處的波幅；x為離起始波源的距離；y0為起始波源幅值；a為鋼管的衰減系數；e為自然常數。取式(10)的自然對數，得

從式(11)可以看出，ln(y/y0)與x的關系是1 條斜率為-a的直線。只要缺陷的幅度y及離波源距離x滿足式(11)，便可在B 掃描圖像中用同一顏色予以標識。

3 大曲率油氣對焊彎管缺陷檢測實驗

3.1 實驗設計

大曲率油氣對焊彎管采用的標準彎頭種類如表2所示，其中，45°長半徑彎頭、90°長半徑彎頭、90°短半徑彎頭是壓力管道系統中常用的管件。實驗中，應用上述3 類彎頭加工制作5 根對焊彎管，在彎頭和彎頭后直段上分別加工周向切槽缺陷，切槽寬度為5 mm，用于模擬實際的腐蝕和裂紋缺陷。彎管的結構示意圖如圖11所示。對焊彎管帶2 mm厚的聚乙烯防腐層，材質為20鋼，外徑為159.0 mm，壁厚為4.5 mmm，彎頭左側直管長度為2 500 mm，彎頭右側直管長度為1 500 mm。其他技術參數如表3所示。彎頭上切槽加工在彎頭外弧側或內弧側，其中超聲導波在彎頭外弧側的能量最強，在彎頭內弧側的能量最弱[20]。

表2 標準彎頭種類Table 2 Types of standard elbows

圖11 對焊彎管結構示意圖Fig.11 Schematic diagrams of butt-welded bends

表3 對焊彎管技術參數Table 3 Technical parameters of butt-welded bends

根據缺陷不同加工位置，將5 根彎管分為2組：第1組為1號彎管、2號彎管和3號彎管，缺陷加工在彎頭外弧側和彎頭后直段上，此外，1號彎管、2 號彎管的彎頭具有相同彎曲角度θ、不同彎曲半徑R，2 號彎管、3 號彎管的彎頭具有相同彎曲半徑R、不同彎曲角度θ；第2組為4號彎管和5 號彎管，缺陷加工在彎頭內弧側和彎頭后直段上，2 個彎管的彎頭具有相同彎曲半徑R、不同彎曲角度θ。本次實驗充分考慮了缺陷加工位置、彎頭彎曲角度θ、彎頭彎曲半徑R的變化對實驗結果的影響，保證了實驗結果的準確性。

采用相控陣超聲導波掃描成像的方法檢測5根彎管的缺陷，實驗原理如圖5所示。其中，主機采用英國PI 公司的Teletest主機，傳感器陣列設計如表4所示。實驗時，在管道左端加載以下超聲導波信號：采用L(0,2)模態時，周期數為5，頻率為50 kHz；采用T(0,1)模態時，周期數為5，頻率為40 kHz。

表4 傳感器陣列設計Table 4 The design of sensor array

3.2 實驗結果及分析

這里只對第1 組的1 號彎管和第2 組的4 號彎管的實驗結果進行分析，結果分別如圖12和圖13所示。在B掃描圖像中，不同亮度顏色圖譜對應不同幅值的A掃描波形。從圖12和圖13可以看出：

1)環焊縫1和彎頭切槽缺陷、環焊縫2和彎頭后切槽缺陷以及管端的時域脈沖反射波位置，對應著相應顏色的B掃描圖像；環焊縫及管端部位的B掃描圖像沿管道圓周360°分布，管道切槽缺陷的B掃描圖像顏色只出現在相應局部位置上。

2) 綜合分析A 掃描圖像和B 掃描圖像，可有效找出結構不連續部位在管道上的軸向位置。以圖12(a)為例，彎頭切槽距離左側管端2 500 mm，彎頭后直管上切槽距離左側管端3 750 mm。

圖12 1號彎管的測試結果Fig.12 Test results of No.1 bend

圖13 4號彎管的測試結果Fig.13 Test results of No.4 bend

3)相控陣超聲導波掃描成像技術能夠有效識別和定位大曲率對焊彎管彎頭缺陷和過彎頭后直管上的缺陷。

4 結論

1) 超聲導波經過大曲率對焊彎管的彎頭時，在環焊縫處產生明顯的反射信號，當彎頭上缺陷距離環焊縫較近時，環焊縫反射信號包絡可能與彎頭上缺陷反射信號包絡相連，影響彎頭缺陷的識別；彎頭和環焊縫使超聲導波產生大量衰減和模態轉換，降低了超聲導波檢測彎頭后直管上缺陷的能力。這些因素均將導致超聲導波難以檢出對焊彎管的彎頭及過彎頭后直管部位的缺陷。

2)提出基于相控陣超聲導波掃描成像的大曲率對焊彎管缺陷的檢測方法，闡述了該方法應用相控陣技術控制L(0,2)模態和T(0,1)模態的激勵，并提出了這2 種模態導波的缺陷檢出能力的原理，以及應用A掃描和B掃描成像技術提高這2種模態導波的缺陷識別能力的原理。

3)該檢測方法能夠有效識別和定位大曲率油氣對焊彎管的彎頭缺陷和過彎頭后直管上的缺陷。