夾套內管腐蝕的超聲相控陣聲場仿真與缺陷響應研究

沈成業 金 偉 高 星 錢盛杰 李斌彬

（寧波市特種設備檢驗研究院）

石化行業中，經常采用伴熱的方式給工藝管道加熱或保溫，使管內介質保持在合適的溫度范圍，以免受到外部低溫環境的影響，夾套管就是常用的伴熱形式之一。 夾套管是一種具有雙層套管結構的特殊類型管道［1］，是在小直徑內管的基礎上套上同心的大直徑套管組合而成的。 內管用于輸送工藝介質，外管內流動著起加熱或保溫作用的熱載體［2］。

夾套管的內管檢測是壓力管道無損檢測領域的一大難點，而內管的質量是保證整條管線安全運行的重要組成部分。 夾套管主要的安全隱患是腐蝕減薄和焊接接頭缺陷。 國內很多化工企業發生過夾套管泄漏事故，對人民的生命和財產安全造成了極大的威脅。 張曉筱等對天然氣凈化廠硫磺回收單元液硫池廢氣夾套管線多次腐蝕泄漏進行了失效原因分析，發現廢氣夾套管線失效的兩大原因： 一是施工工藝和質量把控不嚴；二是由于管道中的工藝介質引起的腐蝕。 并提出了相應的改進措施，以期延長夾套管線的使用壽命［3］。

對于夾套外管的檢測，可以利用常規無損檢測技術進行。 夾套內管埋藏在夾套內部，無法觸碰，常規無損檢測技術難以實施檢測。 而夾套管的失效往往是從夾套內管起源的，因此很有必要開展對內管檢測技術的研究。 目前，有學者利用常規超聲檢測技術對夾套內管進行測厚，但該技術為A超顯示，圖像不直觀，且存在多層介質的界面波干擾問題，需要經驗豐富的操作人員來進行檢測。 利用相控陣超聲檢測技術來實現對夾套內管的超聲成像研究在國內外還未有報道。 相控陣檢測夾套內管雖然也存在多層介質回波的干擾，但可以形成A、B、C、D、S等多種掃描圖像，成像直觀且克服了常規超聲在多層介質中的衰減問題，大幅提高了檢測靈敏度。

1 檢測方法

為了檢測夾套內管的腐蝕情況，利用相控陣延時聚焦法則將超聲波匯聚于夾套內管的內側。超聲波通過夾套管的外層和內層時傳播介質為鋼，通過中間層時傳播介質為導熱油。檢則時超聲波由鋼進入油，再由油進入鋼中，并在夾套內管中聚焦。 因此，超聲波在傳播過程中經歷了兩次油-鋼界面，聲能衰減嚴重。相控陣能將聲能集中在需要檢測的區域， 大幅增加了檢測的靈敏度和信噪比，使之能有效檢測出夾套內管的腐蝕情況。

如圖1所示，為夾套管內的3層介質波束聚焦模型。

圖1 夾套管內的3層介質波束聚焦模型

以相控陣的中心陣元為0號陣元， 設中心陣元的左、右兩側分別有N個陣元，左側陣元命名為1、2、…、N號陣元，右側陣元命名為－1、－2、…、－N號陣元。以左側陣元中任意一個奇數陣元m為例，推導其聚焦延時計算公式。 設陣元間距為d，第m號陣元與0號陣元的距離為Sm，則Sm=md。 超聲波由鋼進入到油會發生折射作用，設第m號陣元鋼-油界面的入射角為αm，折射角為βm。 接著，超聲波由油進入鋼中又會發生折射作用，其折射率和第1層鋼-油界面一樣， 因此此時油-鋼界面的入射角為βm，折射角為αm。 設c1和c2分別為鋼和油中的聲速，根據折射定律可得：

設d1、d2、d3分別為夾套外管、油層和夾套內管的厚度，根據聲波傳播的橫向距離可得：

由于文中聲束的不偏轉聚焦，故位于參考點兩邊的相控陣列陣元信號的延時量相等，即：τ1=τ-1，τ2=τ-2，…，τm=τ-m。 因此，僅需要計算左邊陣元的信號延時量。

記激發陣元個數為2N， 第m號陣元接收信號為ym（t），則超聲相控陣波束形成輸出為：

2 聲場仿真

在理論分析3層介質波束聚焦模型的基礎上，筆者利用CIVA軟件對夾套管聲場進行建模仿真研究，3層介質 （鋼-油-鋼） 厚度分別為8、18、6mm。

2.1 激發陣元個數對聚焦性能的影響

選取頻率為5.0MHz、陣元寬度為0.9mm、間距為1.0mm、長度為10mm、偏轉角為0°的相控陣參數，焦點落在內管的外側。 設激發陣元個數為n，分別對n為4、8、16、32個激發陣元的聲場聚焦性能進行仿真（圖2）。 由聲場仿真圖可得，當n為4、8時，聲場的聚焦效果較差，聲波無法形成有效的匯聚；當n為16、32時，聲場的聚焦效果較好。

圖2 激發陣元個數n對聚焦性能的影響

圖3為不同激發陣元個數的相對聲壓幅值比對，其中紅線、黑線、藍線、綠線分別對應的是激發陣元個數n為4、8、16、32的相對聲壓幅值。 幅值越高則代表超聲在該介質中的聲能越大，越有利于檢測出缺陷。 從圖4可以看出，激發陣元個數越高，聲場的匯聚效果越好。 但過多的激發陣元個數會增加系統的復雜性，因此在保證一定聚焦效果的同時沒有必要無限增大激發陣元個數，從圖3中可以看出，n=16在第3層介質中具有良好聚焦效果且其相對聲壓幅值只比n=32的低了3.9dB。但n=4、n=8的情況下，聲場在第3層介質中已經失去聚焦性能。 特別是n=4的情況下，聲場在第2層介質中已經開始發散，最終造成在聚焦點附近出現較低的相對聲壓幅值。 所以，綜合考慮之后選取n=16的激發陣元個數作為檢測該工件的工藝參數。

圖3 不同激發陣元數的相對聲壓幅值比對

2.2 陣元尺寸對聚焦性能的影響

為了抑制旁瓣， 應使陣元寬度a盡量接近陣元間距d［4］。 CIVA建模設置參數時，初步選取頻率5.0MHz、陣元間隙0.1mm、偏轉角0°、陣元個數為16，焦點落在內管外側，對陣元寬度a為0.3、0.6、0.9、1.2mm的4組數據進行仿真， 仿真結果如圖4所示。

圖4 陣元寬度a對聚焦性能的影響

由圖4聲場仿真圖可得， 當陣元寬度a為0.3mm和0.6mm時， 聲場在內管的聚焦性能較差，當陣元寬度a=1.2mm時，出現了柵瓣效應，主聲束兩側出現了兩個較明顯的柵瓣。 故陣元尺寸選取a=0.9mm較為理想。

2.3 檢測頻率對聚焦性能的影響

在超聲相控陣參數設計時，超聲波頻率的選取至關重要。 頻率對超聲檢測的影響有多個方面。 頻率越高，相控陣探頭的焦點越小，聚焦能力和分辨力越高，但容易產生旁瓣和柵瓣［5］。筆者針對陣元寬度為0.9mm、 間距為1.0mm、 長度為10mm、陣元個數為16、偏轉角為0°的相控陣參數，焦點落在內管的外側， 分別選取頻率f為2.5、5.0、10.0MHz進行仿真，結果如圖5所示。

由圖5聲場仿真圖可得，當f=2.5MHz時，聲場的聚焦能力和分辨力較低，當f=10.0MHz時，出現了柵瓣效應。 故頻率選取f=5.0MHz作為檢測該工件的工藝參數。

2.4 探頭參數確定

根據上述理論分析和聲場仿真，最終確定相控陣探頭的設計參數， 采用一維線性相控陣探頭，聲束聚焦模式為單點聚焦，其體參數如下：

陣元數 64個

頻率 5.0MHz

陣元寬度a 0.9mm

陣元間距d 1.0mm

圖5 頻率f對聚焦性能的影響

帶寬 60%

圖6為設計參數下的相控陣聲場圖和聲壓幅值曲線。 從圖6a可以看出，聲場在夾套內管處形成了良好的匯聚， 保證了檢測的靈敏度和信噪比。 從圖6b可以看出，聲場在夾套外管中不斷匯聚，到鋼-油界面處能量迅速衰減，接著又在油層中不斷匯聚，到油-鋼界面處又經歷一次衰減，最終在夾套內管中不斷匯聚到達聚焦點。

圖6 設計參數下的相控陣聲場圖和聲壓幅值曲線

3 缺陷響應

對設計得到的相控陣參數進行缺陷響應研究。 缺陷響應可以模擬聲波與工件中缺陷的作用，通過工藝參數的設置，獲得最佳檢測效果。 筆者設計了外徑為250mm、內徑為200mm、外管壁厚為8mm、內管壁厚為6mm的夾套管試塊，并在夾套和內管中充滿導熱油。 其中，內管下表面加工成2、4、6mm高度的階梯形試樣。 圖7為缺陷響應模型和聲場延時聚焦法則。 圖8a為6mm階梯高度所對應的A掃（左）和B掃（右）圖像，圖8b為4mm階梯高度所對應的A掃（左）和B掃（右）圖像，圖8c為 2mm階梯高度所對應的A掃（左）和B掃（右）圖像。

圖7 缺陷響應模型和聲場延時聚焦法則

圖8 不同階梯高度所對應的A掃（左）和B掃（右）圖像

最后， 利用CIVA軟件進行true B scan成像，得到如圖9所示的夾套管B掃圖像，該圖中的各個界面波和夾套內壁回波圖像清晰完整，較好地解決了夾套內管的腐蝕檢測問題。

圖9 夾套管B掃圖像

4 結論

4.1 分析了夾套管內的3層介質波束聚焦模型，通過計算推導出相控陣的延時聚焦公式。

4.2 利用CIVA軟件仿真可以實現對相控陣探頭的參數設計和檢測工藝制定。 通過合理設置相控陣工藝參數，可以實現對夾套內管的腐蝕檢測。

4.3 根據CIVA聲場仿真可以分析超聲波在夾套管3層介質中的傳播情況， 通過對夾套內管處超聲波聚焦能力的分析，得到了一組較為理想的夾套管腐蝕檢測的相控陣探頭參數。

4.4 通過缺陷響應研究發現，相控陣超聲檢測技術可以對階梯高度分別為2、4、6mm的試塊進行檢測，根據不同的底波深度可以確定夾套內管的腐蝕情況，成功實現了夾套內管的腐蝕檢測。