采用超聲導波管道診斷儀對夾套管道的檢測試驗與研究

李杰，劉立國

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院鎮江分院；2.鎮江潤晶高純化工科技股份有限公司，江蘇 鎮江 212000）

20世紀以來，石油化工、化學纖維、制藥、精細化工等行業發展迅猛，在我國社會經濟高速發展中貢獻了重要的力量。在這些工藝生產過程中，管道起著輸送介質的作用，但是由于有的管道輸送距離比較長，由于環境熱量的傳導管道中介介質溫度會出現趨于常溫的情況，導致介質凝結、汽化、升壓的狀況。套管介質為導熱油、熱水、蒸汽、冷凍鹽水或聯苯熱載體的夾套管道在常規保溫材料達不到保溫、保冷的效果下發揮了工藝效能，并且得到了廣泛應用。壓力管道相關技術規范和標準規定，夾套管道的內管道對接焊縫需要進行100%的內部缺陷檢測和耐壓試壓后才能安裝夾套管。這樣的要求避免了制造過程中的可檢測缺陷的產生。但是實際的管道運行過程中由于介質的特性、使用條件等因素夾套管道的內管道仍會有腐蝕、開裂等缺陷的產生。由于夾套管道的結構原因在定期檢驗的過程中常規的無損檢測方法很難檢測出新生缺陷。通過研究超聲導波檢測的試驗數據，建立數據模式，運用于在役夾套管道的內管檢測中，可以檢測出一些缺陷，多模態超聲導波管道診斷儀檢測的高效性，對裝置中數量多的夾套管線的安全有著重要的安全效益和經濟效益，與此同時在壓力容器等其他特種設備的缺陷檢測中也能提供新方案、新思路。

1 超聲導波檢測技術的原理和發展

1.1 原理

（1）通過布置超聲導波發射探頭在被測設備一處激勵出超聲導波，導波在檢測體上傳播的距離長達數百米，在接收端的傳感器所接收到的信號中包含了導波路徑的多種信息，其中就包括檢測體內的缺陷信息。超聲導波檢測實際上是一條信號線，而不是一個信號點，因此其檢測范圍覆蓋廣泛，相對于常規超聲檢測逐點掃描的缺點，導波檢測的效率很高。（2）對于夾套管道的內管道，在檢測過程中常規超聲檢測無法實施直接接觸式檢測，而超聲導波可以避開夾套管道從而對內管道進行檢測，在其他復雜的工況下也可以實施檢測。（3）鑒于超聲導波相對于常規超聲的激勵頻率低、衰減小，對于被檢測件的表面狀況要求也比較低，所以在實際檢測中現場輔助檢測工作量減少、成本降低。（4）在工件檢測過程中超聲導波在工件的整個截面傳播，所以導波對工件內外表面的缺陷、內部的缺陷都有一定的檢測率。綜上利用上述特性通過在金屬管道內注入一脈沖信號利用發射脈沖與缺陷反射脈沖的時間差與缺陷距離成正比的原理確定缺陷位置。通過分析反脈沖的極性、幅值和其他信號對缺陷進行精確定位。導波檢測管道內缺陷基本原理如圖1所示。

圖1 利用超聲導波檢測管道缺陷基本原理

通過上述原理分析，正是超聲導波無損檢測具備這些優點，才使得其成為夾套內管道缺陷檢測可以實現。

1.2 管道超聲導波檢測技術的發展

導波檢測技術的研究方向主要是基于不同的波導介質下不同彈性波的傳播特性及相關理論的研究，主要包括以下4種介質研究過程。

無線介質→金屬平板→金屬柱體→金屬管材

而這些介質中的導波傳播研究主要集中在通過相應的計算來進行理論推導，然后進一步求解。Rayleigh-Lamb波超越方程是研究導波在各種介質傳播過程的理論基礎，方程由J.Rayleigh和H.Lamb率先推導出來的。在理論研究基礎上Joseph L.Rose和Xiaoliang Zhao在管道彎頭導波檢測試驗采用“彎曲模態調節技術”成功的進行了試驗。目前，美國的Joseph L.Rose和Xiaoliang Zhao已經在進行管道彎頭處缺陷檢測的研究。

目前為止國外文獻對超聲導波檢測金屬管道的報道比較少見，在美國僅有霍尼韋爾公司等幾家知名公司對電磁超聲導波進行研究，并且取得了階段性的成果，但還有待進一步的深入研究。

國內對于超聲導波檢測的技術研究始于上世紀末，雖然起步比較晚，但是發展比較迅速，目前不僅實在特種設備檢測領域，在其他領域超聲導波也有廣泛研究和運用。2005～2006年，何存富、劉增華、王秀彥等針對超聲導波在彎管缺陷檢測中的應用進行了試驗研究，并對國內該方面的科研發展貢獻了相當的力量。他們設置試驗，利用壓電陶瓷片激勵特定頻率的縱向模態L(0,2)對900彎管中的缺陷進行檢測，通過對不同情況下采集到的回波進行分析，從回波幅值的變化進行單一缺陷定位。同時，還就彎管中的多個缺陷利用同樣的方法進行檢測研究。采用有限元軟件ANSYS，對裂紋和孔形的管道缺陷檢測進行了數值模擬，并對裂紋缺陷檢測進行了試驗研究。試驗很成功，軟件仿真計算結果和試驗實際檢測結果基本吻合，從而證明了超聲導波技術可以實現對彎管中不同部位和不同缺陷進行檢測。

2 試驗模型的建立

通常我們把在有界波導中傳播的超聲波稱為超聲導波，其傳播示意圖如圖2所示。

圖2 超聲導波傳播的示意圖

根據夾套管道的特點，管道中會產生好幾種模式的導波，這些導波的傳播特性是不一樣的，在管道超聲導波檢測中，保持導波的包絡線形狀尤為重要，對于長距離管道的檢測，要保證得接收到導波的散頻特性是最小模式，對于不同管材內徑、厚度，選擇合理的檢測頻率等參數。選擇合適的導波模式將會是提高檢測的可靠性、缺陷的檢出率的關鍵所在。并且還應當考慮夾套管道的夾套對導波檢測的影響。

管道超聲導波檢測設備主要是包括：（1）信號發生激勵裝置；（2）信號傳感裝置；（3）信號接收采集裝置；（4）信號處理及缺陷識別裝置。典型超聲導波檢測系統圖如圖3所示。

圖3 管道超聲導波檢測系統

缺陷加工方法：試驗中需要人工設置缺陷，缺陷主要有裂紋、孔洞、腐蝕。其設置方法和依據如表1所示。

表1 缺陷設置方法和依據

本試驗系統主要由碳鋼鋼管（直徑為89mm，壁厚為4.5mm,長度為3m以及直徑為108mm，壁厚為4.5mm，長度為3m的2種20#碳鋼鋼管），布置超聲導波傳感器、接收器等設備，導波發生器與管道是干耦合，即將10mm厚的銅皮組成的電感應線圈用膠水固定，管壁表面進行清潔打磨處理便于導波的激勵和接收。

3 管道腐蝕、裂紋、孔洞缺陷檢測與分析

根據導波傳播的物理特性，導波在傳播過程中遇到兩種不同介質（腐蝕、裂紋、孔洞）即聲阻抗不同，就會引起導波的透射、反射，從而產生缺陷反射回波，通過接收傳感器接收回波信號，并對所接收的信號進行處理分析，從中得到被檢波導中存在缺陷位置和缺陷尺寸等信息。孔洞：在管道中制作直徑為5mm孔洞，在試驗過程中的孔洞的回波高度比較明顯，基本可以確認導波對孔洞有比較高的檢出效率，此文不做詳盡分析。

4 在役夾套管道導波檢測過程中數據處理

對于在役的夾套管道，在超聲導波檢測過程中需要合理布置導波探頭，布置在管道彎頭附近處無夾套的直管位置比較合理，對內管道的缺陷進行檢測并定位，由于夾套管道的外管道會多導波的傳播有一定的影響，需對模態波頻域、變換域、時域特征進行處理和提取。得到的內管道傳播的導波波形基本能夠反映夾套管道內管道的特征信息，對腐蝕、裂紋、孔洞有一定的檢出率。

（1）焊縫。對于無缺陷的焊縫，回波在圓周方向上是對稱波形，非對稱波形的高度較低，顯示波形較為規則；當出現比較明顯的非對稱波形，一般認為焊縫處存在焊接缺陷，可能是未熔合、未焊透、凹坑等體積型或面積性缺陷。焊縫中的裂紋缺陷波形態特點是波形寬度較窄，波高較尖銳，比較難發現，需要進一步檢測分析。

（2）彎頭。彎頭屬于結構的不連續，導波在彎頭傳播過程中傳播路徑會有一定程度的改變，在彎頭處的聲場會在圓周方向產生改變，導波能量有一定程度的衰減，導波模態有一定程度的轉換。整體波形呈兩個接近的突變波形，前一個波形高度較后一個波形高度略高。

（3）法蘭。法蘭對導波的傳播有較大的影響，因為法蘭會反射經過的導波，而且導波會產生波形轉換，在回波顯示中法蘭處的高度會很高，對實際的檢測有較大的影響，在夾套管道的檢測過程中需要盡量避免法蘭。

（4）支撐。管道的支撐件對管道起支撐作用，分為焊接支撐件和非焊接支撐件，導波遇到該結構特征時，會有非對稱模態的波產生，支撐部位容易出現腐蝕缺陷，非對稱模態導波幅值升高。在夾套管道的檢測中可以根據可見特征進行兩者之間的區別。

5 存在的問題、建議及其他需要說明的問題

目前的相關試驗只是完成了導波管道診斷設備對夾套管道的初步研究，理論上基本滿足了現有夾套管道內管道的檢測要求，但是由于缺陷管道試驗樣本不足，還不能夠有足夠的數據量驗證數據模型的符合性，特別是夾套管道的特殊結構，因此在缺陷檢測過程中對缺陷的大小、方向、位置和深淺等問題還有很多的不確定性，需要更多的試驗數據和現場檢測經驗進行驗證。現在傳感探頭的試驗環境溫度為15℃左右進行的，還需對于傳感器其在惡劣環境下（低溫或高溫環境）的工作性能進行檢測。對缺陷的判別需要大量的全面的試驗數據作為支撐，此次試驗次數比較少、缺陷種類也不夠全面、數據比較單一，仍需要大量的試驗數據來補充和驗證，從而能夠增加實際現場檢測的結果準確度。檢測距離現階段只能達到15m，尚需改進以期達到長距離檢測。缺陷識別（信號處理）精確度不高，還需改進；總之，導波作為一種新方法應用在鋼管的無損檢測中，有良好的方向性，能夠完全覆蓋鋼管體，能夠有效檢測鋼管內部的缺陷大小和形狀，并且可以長距離檢測，而多模態超聲導波管道診斷儀檢測的高效性，對我國面積大、數量多的管線的安全有著重要的安全效益、經濟效益，同時對其他設備如壓力容器的狀態判定和預測也具有借鑒作用和工程意義。