長距離超聲導波在線監測實驗分析

陳 誠，邸艷秋，劉殿川

（大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司，遼寧 大連 116000）

1 管道腐蝕的超聲導波檢測的研究背景

超聲導波檢測是一種近些年廣受企業設備用戶青睞的新型檢測方法，該種檢測方法利用超聲導波在傳播時受幾何邊界導向影響的性質，可以檢測出被檢件一定范圍內的材料損失。超聲導波檢測主要廣泛應用在管道的檢驗中，可以對管道橫截面的母材損失量給出分析[1]。

大型石油化工廠存在部分長期處于高溫、高壓狀態下運行且存在較強腐蝕的管道，部分儲油庫存在部分地下埋地管段等使用過程中難以通過常規手段檢測的管段。然而這些管道的腐蝕情況在3 年以上的檢修周期中難以監測，此時管道的實際安全狀況成為企業無法忽略卻難以解決的問題。本項目對管道在線監測提出了超聲導波檢測的方法，通過對管道固定位置布置鐵鈷帶及探頭，定期對其進行檢測，在理想狀態下可以一次檢測約100 m 管道，在大部分情況下一個監測點即可以滿足石油化工廠一條管道的整體腐蝕情況監測。

2020 年某原油存儲單位就在一段長約10 m 的埋地段發生了一次泄漏事故，腐蝕管段的管道形態見圖1。其腐蝕位置為彎頭對接焊縫起始的管道埋地水平段最低點位置，為一般意義上的積垢位置。在一般情況下，認為原油庫區管道屬于風險性較低的壓力管道，然而由于各產油地的原油質量差異、管道結構、介質流速等多方面原因共同造成了此次泄漏事故[2]。如果在管道使用過程中有一種合理的監測手段，對管道的腐蝕狀態進行有效的監測，則可以避免事故的發生。

圖1 腐蝕管段的管道形態

MSsR3030R 超聲導波檢測系統是基于鐵磁性材料的磁致伸縮及其逆效應的檢測方法。其通過激發多種模態的超聲導波，選取合適的波形及頻率，對管道進行檢測。由于超聲導波檢測有著對缺陷無法定性、無法精確定量和定位的特點，在實際應用中屬于一種篩查型的檢測方法，在檢測出具結果后一般仍需進行缺陷的驗證。本文進行的實驗研究是模擬在管道腐蝕加深的情況下對管道進行定期監測，通過監測信號的變化，可以直觀反映管道缺陷的腐蝕加深情況，在管道使用單位的安全管理過程中對管道的腐蝕發展情況進行評估。

2 實驗的過程

2.1 實驗的準備

實驗研究使用的鋼制管道結構見第108頁圖2；管道的各項主要參數見第108頁表1；管道各部位長度見第108頁圖3，其中所有彎頭均為90E（L）彎頭。

表1 管道的各項主要參數

圖2 實驗研究使用的鋼制管道結構

圖3 管道各部位長度示意圖

采集管道原始狀態數據后，再進行缺陷加工，缺陷加工位置見圖4；缺陷加工規格及方式見表2；各缺陷管壁截面損失百分比見第109頁表3。

表2 缺陷加工規格及方式 （mm）

表3 各缺陷管壁截面損失百分比

圖4 缺陷加工位置示意圖

2.2 實驗的主要理論基礎

通過對同一位置的腐蝕加深模擬，觀察超聲導波信號的變化，判斷超聲導波檢測對管道在線監測的有效性。在超聲導波檢測技術中，超聲導波檢測范圍R 的計算公式[3]為

式中：STX為發射信號信噪比，dB，一般取50 dB；SRX為接收信號信噪比，dB，一般取6 dB[4]；ΔA 為缺陷尺寸，即缺陷截面的截面積損失量百分比；α為衰減系數，dB/m；R 為檢測范圍，即超聲導波的有效檢測距離，m。

由式（1） 可知，超聲導波的有效檢測距離在衰減系數不變的情況下與缺陷尺寸呈指數增加的關系。同時，由于實驗所采用的管道為地上裸露鋼管，其衰減系數比較低，由一般工程經驗可知其為0.03 dB/m 左右，而本次檢測的最大距離約為10 m，因此總衰減基本可以忽略，對于實驗結果的影響在可接受范圍內。

2.3 實驗儀器設備參數設置

本次實驗均采用32 kHz，64 kHz，128 kHz 3 個頻率進行信號采集，因為較高頻率的激發信號可以在較近的裸露鋼管顯示更精確的波形圖像，故而一般采用128 kHz 進行波形分析，部分采用128 kHz與64 kHz 進行對比波形分析。所有采集均使用扭轉波，脈沖回波模式，循環次數為2，振幅為50%，增益為20 dB，采樣率為1 000 kHz，脈沖重復頻率為8 Hz，測量距離為10 m。

3 檢測結果及評價

信號特征英文代號與中文對應如下：EP 為管道端面；MsS 為信號激發點；X 為一次反射信號；Y 為多重反射信號；EW 為彎頭對接焊縫；W 為對接焊縫；D 為缺陷信號；PS 為管道支架。在信號評價時，均設置EW1 信號參考值為15%。不銹鋼管的腐蝕情況與碳鋼管不同，且通過對不銹鋼使用鐵鈷合金帶激發信號進行檢測，依然信號幅度較低，檢測結果不明顯，因而監測意義不明顯。

3.1 對螺旋焊接管的檢測結果及分析

圖5 為螺旋焊接管波形圖；第110頁表4 為螺旋焊接管數據圖；第110頁圖6 為螺旋焊接管缺陷信號理論實際對比圖。從圖5 的4 個波形圖可以看出典型的螺旋焊接管多重反射信號，并且隨著缺陷的加深，多重反射有明顯的增加趨勢，單次反射X1，距離信號加載點的距離與管道端面EP1 基本相近，顯然是管道端面的反射信號，緊臨信號加載點的支架在未加工缺陷時和第一次缺陷加工時并不能反射出明顯的信號，而隨著缺陷的加深其信號有增大的趨勢，在本次模擬情況下的彎頭為超公稱壁厚使用，可以看出在缺陷加工較大的情況下才發生一定的缺陷信號反射[5]。由圖6 可以看出，缺陷1的信號特征隨著加工缺陷的加深，呈現與實際缺陷當量不同幅度的變化；缺陷2 的信號特征會在一定程度上與多重反射重合，出現了信號增強的情況；缺陷3 由于彎頭的厚度大于公稱壁厚，在缺陷增長至一定程度后才會出現信號反射。通過本次實驗發現，對于螺旋焊接管缺陷的發現十分不易。由于螺旋焊接管一般在信號加載后會發生較規律的多重反射，多重反射會掩蓋一些較小的缺陷信號，并且隨著缺陷的加深，缺陷信號的增強，會產生更加多的反射信號，因此對于單次的腐蝕情況檢測來說，超聲導波檢測對于螺旋焊接管的單次腐蝕檢測有著較大的局限性，但是在監控條件下，隨著缺陷的加深，波形會發生十分明顯的變化，可以在很大程度上監控螺旋焊接管的缺陷變化。

圖6 螺旋焊接管缺陷信號理論實際對比圖

表4 螺旋焊接管數據圖

圖5 螺旋焊接管波形圖（續）

圖5 螺旋焊接管波形圖

3.2 對無縫大鋼管的檢測結果及分析

第111頁圖7 為無縫大鋼管波形圖；第112頁表5 為無縫大鋼管數據圖；第111頁圖8 為無縫大鋼管缺陷信號理論實際對比圖。通過對圖7 與圖5的對比，可以明顯地發現超聲導波在無縫鋼管中傳播時的波形與螺旋焊接管相比，多重反射大幅度減少。對表5 的數據進行對比，結合圖7，可發現如下3 個特征：一是在無縫大鋼管條件下，特征信號位置較穩定，EW1 最大誤差為0.02 m，EW2 最大誤差為0.03 m，W1 最大誤差為0.13 m，可以明顯看出，隨著距離的增加，距離誤差有所增大。二是在缺陷實際測量時，由于均設置為EW1 信號反射為15%，因此理論值信號與實際值信號必然會有一定誤差，同時從第二次缺陷波形、第四次缺陷波形可明顯發現，EW2 相較于EW1 有明顯的衰減，在處理數據時對第二次缺陷數據及第四次缺陷數據進行能量增幅[6]，使得EW2 相較于EW1 的衰減幅度與無缺陷加工時數據相近，通過數據可以直觀發現，對于缺陷4 能夠十分明顯地發現缺陷，雖然圖像顯示缺陷不合理曲線，但是根據缺陷和臨近特征信號與支架信號幅度的比值，可以發現第一次至第三次該缺陷與臨近支架2 的信號幅度比值分別為0.727、1.777、1.785，可以看出明顯的信號幅度增加；對于缺陷5 的變化，由于其起點為彎頭對接焊縫EW2，通過圖8 可以直觀發現其近似線性的變化；對于缺陷6，依然表現出了對彎頭的低百分比缺陷的不敏感，由于彎頭回波較為復雜，在缺陷不明顯的情況下，確實難以分辨缺陷和多重反射。三是無縫大鋼管的多重反射現象明顯少于螺旋焊接管，并且缺陷的加工變化和多重反射之間的影響明顯低于螺旋焊接管。

表5 無縫大鋼管數據圖

圖7 無縫大鋼管波形圖

圖8 無縫大鋼管缺陷信號理論實際對比圖

3.3 對無縫小鋼管的檢測結果及分析

第112頁圖9 為無縫小鋼管波形圖；第113頁表6 為無縫小鋼管數據圖；第113頁圖10 為無縫小鋼管缺陷信號理論實際對比圖。通過對圖9 和和圖7 的對比，可以發現，在管徑變小的情況下，64 kHz 的信號準確度大幅度提升，并且對缺陷的靈敏度和準確度也有著極大的提升。特征信號EW1 位置偏差最大值為0.02 m，特征信號EW2 位置偏差最大值為0.03 m，特征信號W1 位置偏差最大值為0.01 m，信號總體位置偏差極小，信號穩定。同時W1 的幾次信號幅度接近，總體衰減差距極小。缺陷7 的信號幅度變化較小，但是同時支架2 的信號幅度呈現類似于理論缺陷幅度的線性變化；缺陷8在低幅度下依然體現出難以檢測的特點，然而在理論值達到2.6%時，是可以明顯檢測出連續的缺陷波形[7]。通過對特征信號EW1 和W1 幅度的對比，可以發現在φ159 mm 的管道檢測中信號衰減極小，整體信號置信度更高。

表6 無縫小鋼管數據圖

圖9 無縫小鋼管波形圖（續）

圖9 無縫小鋼管波形圖

圖10 無縫小鋼管缺陷信號理論實際對比圖

4 結論

由于不銹鋼管道檢測時信號較低，同時因為不銹鋼相較于碳鋼具有較好的耐腐蝕性，因此在線監測的意義較小；φ325 mm×5 mm 的螺旋焊接管的檢測效果一般，監測效果較好，螺旋焊接管在檢測時的多重反射較多，在檢測埋地段、帶保溫架空段管道時，由于不清楚其特征信號位置，易將多重反射誤判為特征信號或者缺陷；通過本次缺陷加工實驗可明顯發現，如不知缺陷具體位置，從單次的檢測結果上來看，易發生誤判，但從多次缺陷加工的信號變化來判斷缺陷的變化情況，是可行的；φ325 mm×8 mm 的無縫大鋼管檢測效果良好，單次檢測的結果優良，監測效果較佳；φ159 mm×8 mm的無縫小鋼管檢測效果較好，單次檢測的結果較佳，監測效果極好。從缺陷位置來看，彎頭缺陷不論在彎頭大于公稱壁厚的情況下，還是彎頭等于公稱壁厚的情況下，缺陷檢測都不理想，同時受多重反射和彎頭內外彎面壁厚不等、內外彎面路程不同等多方面因素影響，缺陷信號判斷較難；臨近焊縫缺陷在缺陷加深至超聲導波檢測設置的門檻（2%）后才能明顯檢測出，同時受彎頭及彎頭兩側對接焊縫的多重反射影響，缺陷容易被多重反射信號掩蓋，需要較多的缺陷判斷經驗才可以有效甄別缺陷；遠離特征信號的孤立缺陷檢測效果優良，較易發現缺陷且缺陷信號幅度較為精準。

超聲導波檢測的局限性依然十分明顯，無法對缺陷精確定量，即便是對已加工缺陷的檢測，依然有著不小的誤差；檢測結果受檢測人員操作影響較大，主要是耦合和磁化在手動條件下無法精確量化，通過本次實驗可以看出，在同一位置的檢測，因為檢測人員磁化的變化出現了較大的數據變化。

綜上所述，通過本次實驗驗證了超聲導波檢測的部分局限性，同時也明確了其在在線監測時的適用性，能夠有效對實驗管道進行缺陷加深的監測。