基于超聲導(dǎo)波的氟化工高溫管道壁厚檢測技術(shù)

李 巖 羅 茜 劉睿浩 云 澤 張冀翔

（中國石油大學(xué)（北京）a.機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院；b.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

氟化工泛指所有含氟元素的產(chǎn)品及其衍生品，可分為有機(jī)氟化工和無機(jī)氟化工兩類，其品類繁多，廣泛應(yīng)用于國防軍工、建筑、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療及新能源等行業(yè)，被稱為“黃金產(chǎn)業(yè)”。 氫氟酸作為氟化工行業(yè)最重要的中間體，高溫會(huì)促使HF電離并提高介質(zhì)與金屬間的反應(yīng)速率，進(jìn)而加劇其對(duì)金屬管道的腐蝕。 管道發(fā)生腐蝕以后，會(huì)表現(xiàn)出管壁變薄、出現(xiàn)蝕損斑等情況，存在一定的安全隱患。 因此，通過科學(xué)有效的方式對(duì)管道壁厚進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕部位以便采取相應(yīng)措施預(yù)防安全事故的發(fā)生極為重要。

目前， 檢測管道內(nèi)腐蝕的方法主要有漏磁檢測、渦流檢測、超聲波和射線檢測技術(shù)［1～3］。漏磁檢測方法適用于中小型管道的快速檢測，成本較低［2］，但是檢測靈敏度低；渦流檢測方法屬于無損檢測技術(shù)，通過檢測交變磁場中的渦流變化進(jìn)而完成腐蝕部位的定位分析［4］；超聲波檢測方法適用于壁厚較厚、口徑大的管道的檢測，能夠高效完成缺陷定位，但無法確定缺陷性質(zhì)［5］；射線檢測方法能夠?qū)艿乐械娜毕莶课贿M(jìn)行有效檢測且靈敏度高，但是其檢測成本較高。

在一些惡劣條件下， 如檢測高溫管道壁厚時(shí)，傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)面臨很大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在直接接觸會(huì)導(dǎo)致傳感器失效，其原因在于傳感器的耦合特性和耐受性［6］。 基于超聲導(dǎo)波的檢測技術(shù)是一種比較新的超聲檢測方法，可以應(yīng)用于極端工況下的材料評(píng)估和表征［7］。因此，基于超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)開發(fā)出一套非侵入式的壁厚檢測裝備，并利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件對(duì)波導(dǎo)桿和試件內(nèi)超聲波場進(jìn)行了模擬分析，為氟化工裝置中高溫管道壁厚在線檢測提供了理論指導(dǎo)。

1 波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

波導(dǎo)桿是用來引導(dǎo)波傳播的結(jié)構(gòu)， 通常由銅、鋁及不銹鋼等材質(zhì)制成。 它也能作為溫度緩沖結(jié)構(gòu)，率先提出采用波導(dǎo)桿作為高溫試件的溫度緩沖結(jié)構(gòu)并申請(qǐng)了專利的是美國學(xué)者CROSS N O［8］，他采用不完全焊接的方式將一根圓柱形波導(dǎo)桿焊接在工件表面。 隨后，很多學(xué)者也采用了與被測管道相同材質(zhì)的圓柱形波導(dǎo)桿開展了相關(guān)試驗(yàn)研究［3,9］。 但是，使用這種長圓柱形波導(dǎo)桿的一個(gè)關(guān)鍵問題是，在超聲波傳播過程中發(fā)生在桿側(cè)表面的反射波和模態(tài)轉(zhuǎn)換波會(huì)引起拖尾信號(hào)的產(chǎn)生。 FOUDZI F M和IHARA I［10］曾基于有限差分法的三維數(shù)值模擬軟件Wave 3000， 探究具有不同多邊形截面的波導(dǎo)桿的超聲波脈沖回波行為。 IZMAILOVA E V等開發(fā)了一種通過聲學(xué)方法檢測管道腐蝕失效的技術(shù)，根據(jù)回波信號(hào)判斷管壁減薄等缺陷及其幾何尺寸［11］。

采用波導(dǎo)桿作為溫度緩沖結(jié)構(gòu)使被檢工作表面的高溫降至超聲探頭正常工作的溫度范圍，不僅與波導(dǎo)桿的長度有關(guān)， 還與其材料屬性、幾何形狀等因素有關(guān)，因此合理設(shè)計(jì)波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)是非侵入式壁厚檢測技術(shù)的關(guān)鍵之一。

筆者采用COMSOL Multiphysics軟件分別對(duì)銅、 鋁和不銹鋼3種材質(zhì)的不同截面形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化， 最后給出適用于500 ℃高溫工況下的波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 該溫度緩沖過程包含熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種傳熱方式。 在COMSOL中選擇輻射和固體傳熱模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，仿真模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示。 圓柱形波導(dǎo)桿和矩形波導(dǎo)桿的截面面積和長度均相同。 在被檢工件下表面施加500 ℃高溫?zé)嵩矗?以模擬管道內(nèi)的高溫介質(zhì)，環(huán)境溫度設(shè)為25 ℃，添加對(duì)流換熱及表面對(duì)表面輻射邊界條件。

圓柱形和矩形波導(dǎo)桿的溫度緩沖曲線如圖2a所示， 可見矩形波導(dǎo)桿的溫度緩沖效果更好；316L不銹鋼、鋁和銅質(zhì)矩形波導(dǎo)桿的溫度緩沖曲線如圖2b所示， 相對(duì)而言，316L不銹鋼是制作波導(dǎo)桿的最佳材質(zhì)， 且300 mm即可滿足降溫需求；采取控制變量法研究了矩形波導(dǎo)桿截面不同寬度w和厚度d對(duì)溫度緩沖效果的影響（圖2c、d），可以發(fā)現(xiàn)，矩形波導(dǎo)桿的厚度是影響其降溫效果的重要尺寸，寬度影響不大。 對(duì)于波導(dǎo)桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)在滿足降溫長度的前提下，盡可能選用大寬厚比的316L不銹鋼矩形形狀波導(dǎo)桿。 考慮到加工難易程度， 設(shè)計(jì)一個(gè)長寬厚分別為300 mm×18 mm×1 mm的矩形波導(dǎo)桿可滿足500 ℃高溫測量需求。

圖2 影響波導(dǎo)桿降溫效果的主要因素

2 非侵入式管道壁厚檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 原理

圖3為本研究所用基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的管道壁厚檢測示意圖，利用超聲脈沖反射原理對(duì)被測管道進(jìn)行壁厚測量。 超聲探頭發(fā)射的脈沖信號(hào)經(jīng)波導(dǎo)桿傳播到工件表面，發(fā)生反射和透射。 透射波進(jìn)入被檢工件并在下表面發(fā)生反射，反射信號(hào)沿波導(dǎo)返回并由超聲探頭接收。 在聲速已知的情況下，通過測量相鄰兩底面反射信號(hào)間的時(shí)間間隔便可計(jì)算出壁厚。

圖3 管道壁厚檢測示意圖

本研究采用的超聲導(dǎo)波為水平剪切波（SH波），其振動(dòng)方向與波傳播的方向垂直，其頻率大小需要滿足頻寬積大于準(zhǔn)SH0模態(tài)下的非頻散臨界頻寬積（不銹鋼的頻寬積為15 MHz·mm），頻厚積小于SH1模態(tài)下的截止頻厚積（不銹鋼的頻厚積為1.6 MHz·mm）［12］，如下：

式中 d——波導(dǎo)桿的厚度；

f——激勵(lì)信號(hào)頻率；

w——波導(dǎo)桿的寬度。

模擬過程中采用頻率為1 MHz的高斯脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，其函數(shù)表達(dá)式為：

2.2 超聲導(dǎo)波傳播特性

衡量超聲波作用效果的一個(gè)重要參數(shù)是聲場中的聲壓分布， 因此采用COMSOL軟件對(duì)超聲導(dǎo)波在波導(dǎo)桿和待測工件中的傳播過程進(jìn)行瞬態(tài)求解，根據(jù)聲壓分布進(jìn)而研究超聲導(dǎo)波的傳播特性與機(jī)理。 圖4為不同時(shí)刻下的聲壓分布云圖，根據(jù)聲壓分布情況可以看出超聲導(dǎo)波在待測工件上表面發(fā)生了反射和透射現(xiàn)象。 反射信號(hào)沿波導(dǎo)桿返回并由超聲探頭接收，透射進(jìn)入待測工件的超聲導(dǎo)波在工件內(nèi)部的有限邊界發(fā)生反射，并伴有模態(tài)轉(zhuǎn)換，反射信號(hào)同樣經(jīng)波導(dǎo)桿返回并由超聲探頭接收。

圖4 不同時(shí)刻的聲壓分布

圖5為超聲換能器表面的平均聲壓曲線，除初始信號(hào)，波峰較高的信號(hào)是發(fā)生在待測工件上表面的反射信號(hào)；波峰較低的是發(fā)生在下表面的反射信號(hào)，分別記為一次波、二次波、三次波。 觀察聲壓曲線可以發(fā)現(xiàn)，接收到的脈沖回波信號(hào)彼此分離純度較高，波形穩(wěn)定，并且清晰可辨。 由于矩形波導(dǎo)桿的厚度遠(yuǎn)小于水平剪切波的波長，當(dāng)這種水平剪切波入射時(shí)理論上可以將其視為一種反平面剪切線源，其在待測工件內(nèi)部只會(huì)激勵(lì)出水平剪切波，并沿各方向均勻擴(kuò)散。 因此，水平剪切波可以作為一種用于壁厚檢測的理想的激勵(lì)源模式。

圖5 換能器表面平均聲壓曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6所示為搭建的非侵入式超聲波壁厚檢測裝備，該裝備由信號(hào)發(fā)生器、超聲探頭、耦合劑、固定夾具、波導(dǎo)桿、待測工件、示波器和計(jì)算機(jī)組成。 與Tektronix-AFG信號(hào)發(fā)生器連接的奧林巴斯V154-RB橫波探頭通過夾具固定在波導(dǎo)桿的一端作為激勵(lì)端，另一個(gè)橫波探頭連接波導(dǎo)桿作為接收端， 接收到的脈沖回波信號(hào)通過Tekteonix-TBS1102B-EDU示波器顯示。 試驗(yàn)時(shí)，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)五周期正弦脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)接到奧林巴斯橫波探頭作用于波導(dǎo)桿，并沿波導(dǎo)桿傳播到待測工件表面，在待測工件中激勵(lì)出水平剪切波，并在厚度方向上發(fā)生多次反射，反射回波由示波器進(jìn)行采集和顯示。

圖6 非侵入式超聲波壁厚檢測裝備

為準(zhǔn)確計(jì)算待測工件厚度值，首先應(yīng)確定回波信號(hào)中波峰的具體位置。 將示波器采集到的回波信號(hào)導(dǎo)入至MATLAB進(jìn)行Hilbert變換，圖7是經(jīng)過Hilbert變換后得到的10 mm待測工件的回波信號(hào)包絡(luò)曲線，波峰波谷位置清晰可辨。

圖7 回波信號(hào)包絡(luò)曲線

對(duì)兩個(gè)相鄰波峰鄰域內(nèi)的包絡(luò)曲線求極值點(diǎn)，分別記為tA和tB，根據(jù)下式即可計(jì)算得到待測試件厚度δ：

式中 c——超聲波波速。

試驗(yàn)所用波導(dǎo)桿和待測工件材質(zhì)均為316L不銹鋼，已知常溫狀態(tài)下（25 ℃），超聲波在該材質(zhì)中的剪切波速為3 154.4 m/s， 因而得到試件測量厚度值為10.09 mm，相對(duì)誤差為0.9%。 利用該設(shè)備對(duì)不同溫度下的試件進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖8所示。 從圖中可以看出，隨著溫度上升，測量厚度幾乎線性增長， 導(dǎo)致測量誤差越來越大，試件溫度高于250 ℃時(shí)， 誤差已經(jīng)達(dá)到5%以上。這是由于溫度升高，超聲波速會(huì)發(fā)生變化，而當(dāng)前是按照固定波速計(jì)算，因此會(huì)導(dǎo)致測量誤差增大。 因此針對(duì)更高溫度工件檢測時(shí)，必須要考慮溫度的影響，后續(xù)研究需要對(duì)測量數(shù)據(jù)計(jì)算進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，從而得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖8 不同溫度下的試件測量厚度

3 結(jié)束語

基于超聲導(dǎo)波無損檢測理念，設(shè)計(jì)了一種非侵入式的管道壁厚檢測裝備， 其結(jié)構(gòu)簡單輕便，可通過夾具進(jìn)行壓力耦合固定，實(shí)現(xiàn)壁厚定點(diǎn)檢測。 采用有限元仿真軟件對(duì)波導(dǎo)桿進(jìn)行熱仿真分析， 設(shè)計(jì)了一種大寬厚比的矩形波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)溫度緩沖， 又能夠有效地傳遞非頻散水平剪切波。 聲場模擬結(jié)果也說明， 使用該矩形波導(dǎo)對(duì)待測工件進(jìn)行厚度測量， 超聲換能器接收到的各次反射回波信號(hào)清晰可辨， 利用相鄰回波信號(hào)之間的時(shí)間差可計(jì)算得到厚度值。 試驗(yàn)測量了室溫下10 mm厚的316L不銹鋼板， 接收到的脈沖回波信號(hào)波峰波谷清晰可見， 信號(hào)彼此分離， 并且回波信號(hào)經(jīng)處理后較為準(zhǔn)確地計(jì)算出了工件厚度。 利用該設(shè)備對(duì)不同溫度下試件厚度進(jìn)行測量， 發(fā)現(xiàn)測量誤差隨溫度幾乎線性增加， 因此高溫工件檢測時(shí)需要進(jìn)行溫度修正， 從而得到更精準(zhǔn)的結(jié)果。 筆者基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并利用SH超聲導(dǎo)波的厚度測量方法， 將常規(guī)超聲換能器與高溫管道分離開來， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫管道壁厚的間接測量，若結(jié)合無線傳輸技術(shù)將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高溫管道腐蝕狀況的長期在線監(jiān)測。