導波技術在水利工程質檢工作中的應用

吳偉鵬

(深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000)

水利工程中有大量引水管道和電站壓力管道，投資占比高。根據壓力管道的布置類型，可將其分為回填水管、埋藏水管、開敞水管3種類型。以材料種類劃分，壓力管道可分為鋼筋混凝土管、木管與鋼管3種類型。其中鋼管有著出眾的防滲性，強度較高，成為水電站壓力管主要選擇方向。因為輸水管一般設置在惡劣的環境，在地基沉降、溫度變化、腐蝕及管道老化作用下可能引起管道泄漏，浪費水資源情況，需采用無損檢測方式檢測水管質量，保障水資源的有效輸送。

1 導波技術介紹

1.1 技術原理

導波屬機械波，能夠實現平面化傳播，波導是導波傳播介質。導波傳播的過程中，傳播介質邊界是束縛傳播狀態的重要因素。如傳播介質出現形變，會通過截面作用形變傳遞給相鄰的部分，并保持特定規律向前傳播，最終變成彈性波。

傳播期間導波以折射、反射的形式同邊界交互，按照介質中的振動源與傳播方向劃分可分成橫波與縱波兩種類型。傳播時導波能夠在橫波與縱波之間不斷轉換模態[1]。

導波理論中相速度與群速度屬于核心概念，其中群速度Cp即脈沖波包絡中特性點傳播速度。相速度即Cg說的是波相為固定點沿傳播方向傳播速度。二者的計算公式為：Cp=ω/k；Cg=dω/dk。公式中的ω為圓頻率、k為波數、d為試件厚度。

1.2 檢測原理

使用沖擊錘對管道其中一段敲打時，如管道中有著均勻分布的應力，在敲擊過后管道受力變形，會有縱向導波順著管道的軸向開始傳播，群速度與相速度相同。

如管道有裂紋以及孔洞類缺陷，導波傳播期間如遇到這類缺陷部位會出現導波模態轉換、折射、散射以及反射一類的情況。從反射回波中可了解管道的結構損傷情況[2]。對反射回波進行分析，能掌握管道腐蝕和缺陷問題。根據導波缺陷反射回波幅值情況可判斷管道損傷程度。

因為管道材料有較大的波阻抗，因此，反射期間基本可以忽略導波能量損失，即管道缺陷部位的導波為反射導波。

在管道同端開展激勵與信號接收，設定缺陷反射回波與入射波時間差為Δt，信號接收器的入射波接收時間為t1，缺陷反射時間為t2，那么Δt=t2-t1。定位管道缺陷時，設信號接收端距離為l，則l=v×Δt/2。

2 導波檢測技術對模態的選擇

如果處于理想條件，則管道中只會出現單一模態導波。導波在傳導過程中遇到管道缺陷，就會出現反射，此時的回波分析十分簡單[3]。檢測某壁厚5.5mm，內徑76mm鋼管結果如圖1所示。

圖1 Φ76鋼管的群速度頻散曲線圖

可以發現，不論什么頻率，導波模態最起碼會出現2個以上。頻率增加的同時，導波的模態數量也會大幅度增加[4]。這一現象為導波多模態，導致管道檢測中導波技術使用變得很復雜。

管道檢測中合理選擇導波模態十分重要，縱向軸對稱L(0，2)模態在相當寬頻范圍內，模態一般為非頻散狀態，有著很快的傳播速度，在時域中識別比較方便，該模態有著很小的徑向位移，傳播期間波不會泄露大量的能量，能夠傳播非常圓的距離。T(0，1)模態，在0至100kHz情況下，群速度、相速度沒有頻散。如果為20kHz，則擁有最高的群速度，不會受到其他模態信號影響，因此得到了較多的關注。

直管道檢測中，上述兩種模態的導波比較常見。在傳感器設計以及激勵理想單一模態導波十分重要。選擇70kHz作為激勵頻率，頻率范圍是0至100kHz如圖1所示，從圖1知有T(0，1)模態、L(0，2)模態，L(0，1)模態以及彎曲模態。使用同特性、等間距且數量充足的傳感器用均勻對稱的方式順著管道布置能夠實現模彎曲模態導波影響低效化，出現軸對稱模式導波。使用相聚間隔L(0，1)模態導波波長的傳感器環削弱L(0，1)，并增強激發模式。以T(0，1)模態與L(0，2)模態振動傳播情況進行調整，將其變成激振激勵L(0，2)的模態以及沿切向激振激勵T(0，1)模態。此時就能獲得理想化模態T(0，1)導波或L(0，2)導波。

使用新獲得的兩個導波可針對性檢測軸向缺陷或環向缺陷，敏感性極強[5]。不過因為缺陷情況在檢測之前是未知的，所以在使用導波檢測中需要采取多模式方法。當前最成熟的手段是T(0，1)或L(0，2)模態導波結合。其他的導波檢測方式為今后需要重點研究的方向。

3 不同導波檢測模式在水利管道中的檢測應用

3.1 單模式檢測

檢測管道的時候，單模式導波檢測時比較常用的技術手段，屬無損檢測一種。檢測的時候，使用該模式能夠轉化處理原本復雜的信號。信號被統一處理后，就能得到單一信號，可順利的分析檢測數據。該技術穩定性很強，能夠靈敏且快速的完成管道內外檢測。在檢測有流動介質的管道時候，能根據介質的流動情況，檢測管道運行狀態。檢測期間，當發現管道存在表面凹坑、腐蝕以及裂紋情況，超聲脈沖波就會有反射波出現。分析反射波信號，能有效檢測管道的損傷問題，保障檢測效率，提高檢測質量，確保管道安全運行。

3.2 多模式檢測

現代工業中壓力管道有著廣泛的使用，在復雜工況與環境中使用可以保障檢測結果。當前在檢測水利管道的時候應用多模式導波檢測手段。與單模式導波檢測相比，可應對各種各樣管道缺陷檢測需求。通常來說，單模式檢測能夠順利檢測管道當中的特定缺陷。使用多種導波檢測模式能夠找到管道當中多種缺陷問題。與單模式導波檢測相比，技術要求高，工作人員需要結合具體情況展開分析，研究檢測回波特征，保障管道安全運行。

3.3 模態聲發射

模態聲發射在檢測期間可以發射檢測能量，順利完成內部正在運輸流體的管道情況檢查。與前面兩種導波檢測技術相比，模態聲發射技術因為起步時間晚，因此使用范圍相對較為狹隘。與傳統檢測方法相比，具有實時、動態特征，有著很強的實用性與應用性。該技術獲得了快速發展趨勢，為使用壓力管道技術創造更多渠道和方法，是優化創新壓力管道檢測的重要方法。

4 不同環境下的導波檢測

4.1 設置方案

水利工程有著很多種管道，如引水管道、電站壓力管道等。不同類型的管道處于不同的環境，所以檢測時需要使用不同的方案。多數情況下水利工程管道缺陷的表現都是管道截面減少，導波傳播方向管道截面減少率影響超聲導波缺陷檢測水平，一般來說，使用缺陷簡化模擬與管道防腐方式，刻傷模擬管道裂紋、腐蝕、未熔合以及未焊透等缺陷，對各種水利管道缺陷性能進行檢查。本次檢測使用的是某工程中的219和508mm管道，不同位置設置不同尺寸刻傷，模擬不同埋深與外部情況，管道工況參數與缺陷見表1。使用12至160kHz換能器對導波信號進行采集。

表1 管道工況與缺陷情況

4.2 數據采集

在采集數據的時候使用導波檢測儀，流程如圖2所示，進行檢測。

圖2 導波檢測流程圖

特定檢測距離以及導波激勵頻率情況下，測量獲得的回波信號能量均值、幅值會有一定不同，即便為相同定值，很多時候真值會略微波動，范圍和檢測管道的穩定性、結構以及檢測條件有關。為盡可能減少測量不確定性，采集數據中，每一次都用相同的采集過程，保障參數一致性，對每一個數據采集兩次。

4.3 數據情況比對

研究508mm管徑的管道中可以發現，導波回波幅值情況和缺陷埋深、大小、位置都有關系。缺陷達到特定數值且缺陷距離不斷增加中，回波的賦值開始下降。比如在3.5m位置的1.2%刻傷、0.5m埋深條件下，回波幅值衰減速度是6%至83%。在達到6.5m位置的時候，衰減值為84%，2.4%刻傷部位回波幅值在3.5m埋深條件時為30%至45%，進入6.5m達到70%至80%。這種變化在1.0埋深條件中基本相同。超聲回波衰減有著很敏感的管道截面減少率。缺陷尺寸在回波幅值中影響非常明顯。1.2%刻傷3.5m條件中，導波的回波幅值其衰減情況比2.4%情況下高很多，在達到6.5m的條件以后，增加聲程的同時，刻傷尺寸不再明顯影響回波幅值。在增加埋深的同時，回波能量削減，降低回波幅值[6-7]。從結果看來沙土埋深不會產生明顯影響。

219mm管道被埋設在黏土環境當中，在刻傷尺寸、距離一樣的情況下，回波幅值相較于沙土環境有著更強烈的反應，表明環境會對導波檢測產生非常大的影響。特別是2.4%刻傷，6.5m聲程情況，不論是1m埋深還是0.5m埋深都很難順利找出缺陷。另外埋深、缺陷尺寸與距離在回波影像中基本和沙土一樣。

F=64kHz中T(0，1)導波于219與508mm直管衰減系數不同，前者為-0.0033dB/m，后者為-0.0027dB/m，但基本沒有很大差別。將219mm管道埋入黏土，將508管道埋入沙土以后，計算篩檢系數得到的是-0.063與-0.038dB/m。該數據表明黏土衰減系數超過沙土2倍。歸一化處理實驗結果之后做F=64kHz的T(0，1)導波衰減特性繪制，如圖3所示。

圖3 F=64kHz中T(0，1)導波的衰減情況

裸管情況下導波為線行衰減，不會出現很大的衰減速率，能夠傳播非常遠的距離。埋設在地下的水利管道會出現明顯的衰減，數據為反比例函數，明顯減小了傳播距離。不論沙土還是黏土，只要將管道埋入地下就會有強烈的衰減。當然黏土環境會有更大的衰減幅度。

降低導波回波的峰值，一直到峰值達到裸管50%初始峰值的時候對長度進行檢測。黏土與沙土的埋管導波檢測長度為10與20m，從檢測結果來看，導波檢測技術在檢測水利工程管道中結果可靠，效率突出。

5 結語

水利工程項目是重要的民生基礎工程，管道是水利項目中重要的組成部分，加強管道質量管理才能確保水利項目正常運行。本文通過分析導波技術的理論和原理，按照檢測需要選擇模態，探討各種導波檢測技術應用條件，應用導波技術開展水利管道檢測。結果表明，采用導波技術檢測管道質量結果準確、檢測效率高，可以廣泛應用與水利工程管道質量檢測中。采用導波檢測時，回波幅值衰減情況和環境、管道埋深與材料、缺陷部位與檢測距離有緊密關聯。因此，使用導波技術檢測時需考慮檢測環境條件，合理設定檢測參數，才能保障管道檢測質量。