埋地保溫管道超聲導波無損檢測技術影響因素研究

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.012

摘" " 要：超聲導波測試技術具有單端收發和長距離、大范圍傳播的特點，可以廣泛用于埋地保溫管道的腐蝕檢測。利用MATLAB數值分析方法和導波無損檢測實驗手段，分別研究了埋地保溫管道環境溫度、埋置深度等因素對超聲導波測試技術的影響。測試結果表明：埋地保溫管道環境溫度變化會影響超聲導波信號的波速和幅值，埋置深度對超聲導波信號傳播產生衰減，進而影響導波信號傳播距離。深入探討了埋地保溫管道超聲導波測試技術的影響因素，可為相關領域的研究和實際應用提供重要參考和指導。

關鍵詞：埋地保溫管道；超聲導波；影響因素

Abstract：Featured with single-end receiving and transmitting， long-distance and large-scale propagation， ultrasonic guided wave testing technology can be widely used for corrosion detection of buried insulation pipelines. MATLAB numerical analysis method and guided wave non-destructive testing experiment were applied to study the influence of temperature and burial depth on ultrasonic guided wave testing technology. The test results show that temperature changes can affect the wave speed and amplitude of ultrasonic guided wave signals， while burial depth attenuates the propagation of ultrasonic guided wave signals， thereby affecting their propagation distance. The influencing factors of ultrasonic guided wave testing technology for buried pipelines were further discussed to provide important reference and guidance for research and practical applications in related fields.

Keywords：buried insulation pipelines; ultrasonic guided waves; influencing factors

埋地管道的安全性和可靠性對于現代城市基礎設施至關重要。傳統的常規無損檢測技術[1-5]，諸如電渦流檢測、超聲波檢測、漏磁檢測、射線檢測、滲透檢測等，往往屬于局部點對點式的檢測方法。這些檢測方法所用儀器不僅費用昂貴、體積龐大，而且檢測效率低。常規無損檢測技術中，超聲和射線檢測方法主要用于檢測被檢物的內部缺陷；磁粉檢測與電渦流檢測方法主要用于檢測被檢物的表面和近表面缺陷；滲透方法僅適用于探測被檢物表面開口性缺陷，無法檢測被檢物內部的缺陷，如裂紋、焊縫等。上述局部點對點式的傳統檢測方法難以適用于長距離埋地管道的檢測。在特定工業環境中，如高溫、高壓或腐蝕性環境下，傳統的管道缺陷檢測技術往往面臨著嚴峻的應用挑戰。超聲導波無損檢測技術因其單端激勵、傳播距離遠等特點，廣泛應用于埋地、帶有包覆層和高架等不易直接接觸構件的無損檢測中。在現有研究中，超聲導波檢測技術已被廣泛應用于管道結構的健康監測和缺陷診斷。然而，針對影響埋地管道超聲導波測試結果準確性和穩定性的管道環境溫度（以下簡稱溫度）和埋置深度（以下簡稱埋深）因素，現有研究仍存在一定局限性。因此，本文針對超聲導波傳播過程中受到溫度和埋深變化的影響展開深入研究，并提出相應的改進和解決方案。

本文將從多個角度展開研究，以全面分析溫度和埋深因素對超聲導波傳播和測試結果的影響。通過數值仿真和系統實驗，揭示各因素的作用機理，并為優化測試方法和提高測試準確性提供理論和實踐支持。研究成果不僅有助于深入理解超聲導波在埋地管道中的傳播特性，還將為超聲導波無損檢測技術用于埋地保溫管道的工程實踐提供重要指導。

1" " 試驗方法

1.1" " 溫度對超聲導波傳播特性的影響

利用MATLAB分析軟件（版本為2022b），設置不同溫度（從-40 ℃變化到80 ℃）下管道材料的密度、楊氏模量和泊松比等物理參數，通過數值分析得到溫度對管道中超聲導波縱波波速和橫波波速的影響。

1.2" " 埋深對超聲導波傳播特性的影響

利用超聲導波無損檢測設備，導波激勵接收檢測參數設置如下：導波頻率取128 kHz，功率設為25%，導波波速為3 206 m/s，增益設置為15 dB，平均次數為50次，檢測模態為T（0，1）扭轉模態，所取激勵信號為兩個周期漢寧窗調制的正弦激勵信號，被測對象為5根直徑14 cm、長2 m的埋地鋼質管道，埋深分別為0 cm（見圖1）、40 cm（見圖2）、80 cm、120 cm和150 cm。檢測時，導波換能器安裝在被測埋地管道一端，通過線纜連接導波儀器，手動操作設備檢測導波信號。

2" " 測試結果

2.1" " 溫度對管道中超聲導波傳播特性的影響

溫度對埋地保溫管道中超聲導波傳播特性的影響是一個復雜而重要的研究領域。溫度的變化會直接影響管道材料的物理屬性和幾何尺寸，從而對超聲導波的傳播特性產生影響。溫度對超聲導波聲場傳播的時移產生影響，由于溫度變化引起管道物理屬性（包括密度、楊氏模量和泊松比）的變化，導致超聲導波的傳播速度發生改變。本文以超聲導波中縱波波速VL和橫波波速VT為例進行說明，二者由彈性模量、密度和泊松比共同決定，分別表示為：

式中：E為彈性模量，ρ為密度，υ為泊松比。

在MATLAB軟件中編寫程序，得到超聲導波傳播速度與溫度變化關系曲線（如圖3所示），波速變化斜率分別為-0.33和-0.25，溫度每變化1 ℃，橫波和縱波的波速相應變化0.33 m/s和0.25 m/s，溫度從-40 ℃變化到80 ℃，橫波和縱波波速分別減少了約40 m/s和30 m/s。

如圖3所示，溫度會影響埋地管道中超聲導波的傳播速度，這是因為溫度變化會導致管道材料的彈性模量、密度等發生變化，進而影響聲速。溫度升高會導致材料密度減小，而彈性模量也可能發生變化。這種變化會影響超聲導波在管道中的傳播時間和路徑。結合實際檢測經驗[6]，溫度變化還會導致發生以下3種現象。

1）衰減特性的變化。溫度變化會影響材料的內部結構，導致材料的吸收和散射特性發生變化。這將對超聲導波在管道中的衰減產生影響，從而影響超聲信號的強度和信噪比。

2）溫度梯度引起波發生折射和散射。在溫度梯度存在的情況下，超聲導波會發生折射和散射，從而影響超聲導波的傳播路徑和接收到的信號強度分布。這對于管道中的缺陷檢測和定位具有重要影響。

3）材料熱膨脹引起的應力變化。溫度變化會引起管道材料的熱膨脹和收縮，導致管道內部的應力變化。這些應力變化會影響超聲導波的傳播路徑和管道結構的穩定性，從而影響超聲導波的傳播特性。

綜上，研究溫度對管道中超聲導波傳播特性的影響，有助于理解超聲導波在實際工程應用中的表現，為埋地保溫管道結構的健康監測和故障診斷提供更準確的技術支持；并為設計更有效的埋地管道超聲導波檢測方案提供重要參考，特別是在溫度變化較大的工況下的管道監測和評估。

2.2" " 埋深對管道中超聲導波傳播特性的影響

為了研究不同埋深對超聲導波無損檢測技術的影響，對實驗埋地管道進行檢測，結果如圖4所示。將實驗用5根直徑14 cm、長2 m的鋼管埋地，埋地之前測得管道頂端距離換能器長度為20 cm，即埋地管道的根端距離導波換能器1.8 m。利用嵌入式超聲導波無損檢測系統將線纜與前段換能器連接起來，本文選用無頻散的T （0，1）模態導波作為激勵信號，檢測參數設置如下：導波頻率設為128 kHz，功率設為25%，導波波速為3 206 m/s，增益設置為15 dB，平均次數為50次，從而較好去除隨機噪聲，提高檢測信號的信噪比，所取激勵信號為兩個周期漢寧窗調制的正弦激勵信號。

利用嵌入式超聲導波無損檢測設備和上述導波檢測參數，測得埋地后超聲導波端面回波幅值大小、埋地管道的檢測長度及其與實際長度的相對誤差，如表1所示。由圖4可見，隨著埋深的不斷增大，超聲導波端面回波信號幅值逐步遞減；其中，未進行埋地（埋深0 cm）的管道端面回波幅值最大。結果表明，埋深對管道中超聲導波傳播衰減影響較大，這是因為超聲導波在管道的傳播過程中，部分超聲導波的聲能由管道擴散進入埋地介質，從而導致超聲導波聲能的泄漏，進而帶來最終導波檢測信號能量的損失。如圖4和表1所示，針對5根管道，超聲導波檢測設備檢測所得到的距離超聲導波換能器的長度分別為1.81、1.79、1.78、1.81、1.81 m，其與真實值的相對誤差分別為0.56%、0.56%、1.22%、0.56%和0.56%，可以看出：不同的管道埋深不僅對超聲導波聲能造成泄漏，降低端面回波信號幅值和所得檢測信號的信噪比；同時，由于超聲導波在管道和埋地介質中的散射和模態轉化，導致超聲導波波速的變化，最終影響埋地管道無損檢測結果的精度和可靠性。

3" " 結論

1）通過研究埋地保溫管道環境溫度對超聲導波傳播特性的影響，揭示了不同溫度條件下超聲導波在管道材料中的傳播行為。這有助于理解溫度變化對超聲導波傳播速度、傳播衰減和信噪比等參數的影響，為在不同季節或環境條件下的管道監測提供更準確的技術支持。

2）通過研究埋地保溫管道不同埋深對超聲導波傳播特性的影響，有助于了解埋深對超聲導波傳播的衰減、散射以及傳播路徑的影響[7]。通過這些研究，可以更好地理解超聲導波技術在管道檢測中的適用性，并為實際工程應用提供更具針對性的技術支持，特別是針對埋深較深或復雜環境條件下的管道。

3）本文對各影響因素的研究為未來的超聲導波管道結構健康監測和故障診斷提供重要的理論和實踐基礎，并為未來的創新和發展提供支持和保障。

4）考慮到超聲導波在管道中的傳播特性[8]，即傳播介質和埋地介質的吸收與衰減（在空氣中、黏性土中、沙粒土中、混凝土中、巖石層中等）、速度受傳播介質的厚度和導波頻率等的影響、微弱信號、噪聲干擾大等，在實際的檢測中，當發現檢測條件不理想時，檢測結果很難判斷出管道的埋深和缺陷；因此，未來工作中，應針對導波信號的特點進行導波信號處理算法研究，包括超聲導波濾波、導波信號特征提取、埋地管道損傷缺陷識別等。

參考文獻

[1]" 孫立瑛，李一博.超聲導波技術在管道缺陷檢測及評價中的應用[J].天津城市建設學院學報，2011，17（3）：216-220.

[2]" 孫振華，劉麗，陳凱，等.超聲導波在勝利油田埋地管道腐蝕監測中的現場應用與分析[J]. 內江科技，2019，40（1）：20-22.

[3]" 孫雷.超聲導波技術在管道腐蝕測量中的應用探討[J].全面腐蝕控制，2022，36（8）：95-97.

[4]" 劉丁楠，李富才，蘇文勝.充液管道超聲導波傳播特性及損傷定位的研究[J].噪聲與振動控制，2023，43（4）：135-141.

[5]" 劉勝，駱蘇軍.基于超聲導波技術的長輸管道無損檢測研究[J].無損檢測，2015，37（6）：：40-42.

[6]" 李忠虎，李昊霖，李剛，等.超聲導波管道缺陷檢測中的溫度補償方法研究[J]. 內蒙古科技大學學報，2021，40（3）：251-255.

[7]" 王潤. 基于超聲波技術的在線腐蝕監測系統應用研究[D]. 青島：中國石油大學（華東），2020.

[8]" 張勝軍，暴永銘，張貴華.MsS超聲導波技術在高溫管道在線檢測中的應用[J].無損檢測，2012，34（8）：73-75.

作者簡介：張盈盈（1978—），女，湖北隨州人，高級工程師，2005年畢業于華中科技大學應用化學專業，碩士，主要從事石油化工設備腐蝕與防護技術開發及服務工作。Email：zhangyingy@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-09-06；修回日期：2024-10-10