超聲導(dǎo)波技術(shù)在管道腐蝕測(cè)量中的應(yīng)用探討

孫 雷

（大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)集輸管線腐蝕檢測(cè)中應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)種類較多，其中超聲波技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，不僅可以有效的測(cè)量定點(diǎn)管壁厚度，也可以測(cè)量管線焊縫中是否存在缺陷。但伴隨超聲波檢測(cè)技術(shù)的逐步推廣使用，該技術(shù)的存在的弊端也逐步凸顯[1]。首先，許多安裝保溫措施以及小管徑的管道超聲波檢測(cè)技術(shù)精度降低，難以對(duì)特殊位置的薄弱點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測(cè)。目前我國(guó)石油集輸網(wǎng)絡(luò)日漸復(fù)雜化，管線縱橫交錯(cuò)，超聲波在復(fù)雜管線布局的管線檢測(cè)中效果也不夠理想。原油集輸管線內(nèi)輸送介質(zhì)多為高溫、高壓、有毒、易燃易爆的危險(xiǎn)化工介質(zhì)，如果不能及時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管線腐蝕嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行處理，一旦發(fā)生管線泄漏，將造成不可估量的嚴(yán)重?fù)p失[2]。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)是基于超聲波技術(shù)的衍生技術(shù)，不僅可以快速的對(duì)管體進(jìn)行掃查確定管線缺陷的具體位置，也可以精確的區(qū)分管線內(nèi)部缺陷以及管線的外部缺陷，有著較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)引入超聲導(dǎo)波技術(shù)較晚，在技術(shù)水平以及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)方面與西方先進(jìn)國(guó)家有著較大的差距，其中在聲波數(shù)據(jù)分析方面差距最為明顯，分析結(jié)果精度較差，與實(shí)際情況存在一定偏差。本文介紹了磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)原理，分析了超聲導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)，并采用磁致伸縮超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)地面油氣管道的腐蝕檢測(cè)，結(jié)果表明，該技術(shù)能夠快速查找到腐蝕缺陷的相對(duì)位置，且能夠檢測(cè)特殊管段，如圍墻或套管內(nèi)的管段，能夠快速發(fā)現(xiàn)管道缺陷，但是缺陷定位距離有誤差，缺陷的形狀和在圓周的位置不能精確提供[3]。

1 超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)原理

超聲導(dǎo)報(bào)檢測(cè)所使用的波體是一種機(jī)械彈性波，該波段可以沿著結(jié)構(gòu)部件的有限邊界形狀不斷傳播，并被部件的物理形狀邊界限制以及導(dǎo)向，與傳統(tǒng)超聲波相比波體傳播具有明顯的導(dǎo)向性，因此也被稱為超聲導(dǎo)波。受管線鑄造材料的物理性質(zhì)決定，管線中所有波體的傳播只有聲波是恒定不變的，不會(huì)伴隨導(dǎo)波的頻率而發(fā)生改變，機(jī)械扭力波也只在固體中傳播，因此管線內(nèi)的流體介質(zhì)不會(huì)對(duì)扭力波的傳播帶來(lái)影響，只要正確的選擇和設(shè)置導(dǎo)波的模式以及頻率，就可以實(shí)現(xiàn)精確的控制波的傳播軌跡，完成長(zhǎng)距離管線以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)管線的無(wú)死角檢測(cè)。

目前我國(guó)使用的超聲導(dǎo)波技術(shù)是從英國(guó)引入并逐步改良的，產(chǎn)生超聲波的激勵(lì)目前有兩種。其一是基于磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的超聲波，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下改變磁體材料外部磁場(chǎng)參數(shù)，在外部磁場(chǎng)的不斷變化作用下，磁體材料的物理形狀以及體積均發(fā)生了細(xì)小的變化，從而產(chǎn)生彈性機(jī)械波耦合到管線上，沿著管線傳播。目前磁致導(dǎo)波技術(shù)最為成熟的國(guó)家是美國(guó)；其二，壓電晶體超聲導(dǎo)波產(chǎn)生方式；該方法是利用壓電晶體的壓電特性以及電壓效應(yīng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。首先通過(guò)使用相應(yīng)的設(shè)備，在壓電晶體上施加交變電壓，在交變電壓的作用下，壓電晶體厚度不斷交替變化產(chǎn)生了規(guī)律的震動(dòng)，晶體依托媒質(zhì)產(chǎn)生了超聲波，該技術(shù)最早由英國(guó)提出，在國(guó)外應(yīng)用范圍最廣[4]。

2 超聲波導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

我國(guó)于2009年從英國(guó)引入該技術(shù)，結(jié)合我國(guó)國(guó)內(nèi)石化企業(yè)的實(shí)際需求進(jìn)行了必要的完善與改良，目前主要針對(duì)于架空管線，無(wú)法使用其他方法進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量的管線、腐蝕嚴(yán)重的管線、存在穿路、圍墻、存在完整保溫層的管線進(jìn)行測(cè)量。

在使用超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行管線腐蝕檢測(cè)時(shí)，該測(cè)量技術(shù)無(wú)法直接對(duì)管壁厚度進(jìn)行顯示和測(cè)量。超聲導(dǎo)波測(cè)量是一種超快速的全面檢測(cè)技術(shù)，因此其檢測(cè)結(jié)果是對(duì)管線存在缺陷的大致判斷，以便迅速的掌握管線的大體情況。如果需要對(duì)存在缺陷類型、大小、位置進(jìn)行精準(zhǔn)詳細(xì)的判斷，則需要結(jié)合其他測(cè)量手段進(jìn)行逐一確定。在一般情況下，利用超聲導(dǎo)波技術(shù)可以迅速完成對(duì)管線的缺陷位置范圍鎖定，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)存在管壁厚度降低的管線區(qū)段使用其他檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)量，可以高效率的完成管線腐蝕缺陷測(cè)量和定位。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)長(zhǎng)度是影響檢測(cè)效率及經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素，若檢測(cè)長(zhǎng)度過(guò)短，則起不到實(shí)際的效果，應(yīng)用價(jià)值降低，應(yīng)用的前景受限。據(jù)美國(guó)SwRI所做的公開(kāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于帶油漆層的地上直管段，單方向檢測(cè)150m處管道橫截面積損失量的2～3%，并且穿越了19條焊縫。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)的管道長(zhǎng)度與管道所處的狀況有直接影響。管線的腐蝕程度以及管線中使用的緩蝕劑以及保溫涂層材料和安裝方式都會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)帶來(lái)影響，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)逐步的衰減。一般情況下，如果管線使用了以瀝青為代表的粘性防腐層，檢測(cè)信號(hào)在通過(guò)此類管線時(shí)都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的信號(hào)衰減現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測(cè)距離的減少；其次，采用埋地敷設(shè)方式的管線，如果埋地深度較高也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)距離的減少。超聲導(dǎo)波的檢測(cè)精度是決定其技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的重要因素之一，目前需要確保檢測(cè)量密度為管線橫截面積的損失量2%才可以滿足使用需求。

與其他檢測(cè)技術(shù)相比，超聲導(dǎo)波技術(shù)在檢測(cè)管線的材質(zhì)方面有著更好的兼容性，不僅可以用于鐵磁性金屬材料的檢測(cè)，在非鐵磁性金屬材料管線的檢測(cè)中也有著很好的應(yīng)用表現(xiàn)，如近年來(lái)數(shù)量逐步增加的復(fù)合管線、PE管線、鈦合金管線等等。

3 管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)應(yīng)用

基于課題的研究需求以及研究目的，選擇某地面輸油管線作為研究案例，該管道線已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行12年，主要輸送介質(zhì)為汽油。管線內(nèi)部存在一定的腐蝕現(xiàn)象，整體腐蝕情況不嚴(yán)重，管線外部有防腐涂層，沒(méi)有安裝保溫層。使用美國(guó)產(chǎn)的磁致伸縮超聲導(dǎo)波設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

試驗(yàn)用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)是從美國(guó)西南研究院整體引入的。主要結(jié)構(gòu)有主機(jī)設(shè)備、線圈、鐵鈷帶、數(shù)據(jù)線以及配套的數(shù)據(jù)處理涉筆組成。操作流程如下。首先將目標(biāo)測(cè)量管線位置的防腐層進(jìn)行去除，并進(jìn)行清理和打磨，安裝專用的耦合器設(shè)備；其次將鐵鈷帶纏繞上去，再將線圈對(duì)應(yīng)鐵鈷帶纏繞，并用適配器連接線圈， 適配器通過(guò)數(shù)據(jù)線與主機(jī)連接，主機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線與電腦軟件連接。最后根據(jù)管線的實(shí)際情況、測(cè)量環(huán)境、測(cè)量需求確定最終的檢測(cè)頻率設(shè)置，然后啟動(dòng)主機(jī)設(shè)備對(duì)管線進(jìn)行管道信息的測(cè)量和采集，采集后使用系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行收錄、分析，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算方法確定缺陷的位置以及缺陷大小。

檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)管線存在一定的腐蝕現(xiàn)象，但是整體腐蝕程度較低，檢測(cè)信號(hào)在管線中的傳遞情況良好，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的信號(hào)衰減或者檢測(cè)距離減弱的情況，管體特征明顯，焊縫位置突出。在探頭信號(hào)的發(fā)射反向3.91m處存在第一個(gè)缺陷，缺陷為管壁截面面積的2.1%。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域位于墻體內(nèi)，經(jīng)協(xié)調(diào)，扒開(kāi)墻體后，發(fā)現(xiàn)該管段沒(méi)有套管，管體直接接觸墻壁，管體的防腐層脫落，管壁上有一片大大小小的麻坑，腐蝕深度較小。

圖1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)表