冷凍水管道腐蝕缺陷超聲導波檢測

馬 柯，張勝軍，曹建群

（廣州市特種承壓設備檢測研究院，廣州510663）

中央空調冷凍水管道由于保溫不良或環境濕度過大等原因，會產生凝露現象，導致外壁發生腐蝕［1］。冷凍水管道通常安裝于管井或樓層天花內，管道表面包覆保溫層，缺陷難以發現。常規檢測手段如超聲波測厚、渦流檢測等，只能采用逐點檢測的方式進行，不能完全揭示整條管道上的腐蝕缺陷［2］。

超聲導波檢測技術近年來在無損檢測領域，尤其在管道無損檢測領域得到了廣泛的應用［3］。通過在管道局部安裝導波信號發射裝置和接收裝置，激勵導波信號并使其沿管道傳播，在遇到缺陷時產生回波信號，以此實現對整條管道上缺陷的檢測，范圍甚至可以達到100m以上，檢測靈敏度高，缺陷定位準確，能夠有效檢出管道存在的孔洞、損傷、腐蝕等缺陷，特別適合包覆保溫層，采用高空架空、埋地、管井、管溝鋪設，常規方法難以檢測的管道［4］。

圖1 常規無損檢測與超聲導波檢測原理對比

本工作通過在冷凍水管道局部位置激勵脈沖導波，采集回波信號并進行標定，拆除保溫層對缺陷進行驗證，實現了對管道腐蝕缺陷的有效檢測。并計算了管道缺陷位置的周向減薄率，對照回波圖像，對影響回波信號的因素進行了深入的討論。

1 試驗

1.1 試驗設備

目前通用的導波檢測技術分為兩種［5］：一種為磁致伸縮（MsS）技術；另一種為壓電晶片技術。相對壓電晶片技術而言，在本工作中采用MsS導波檢測，具備以下優勢：（1）待測冷凍水管道外徑僅為89mm，管道曲率較大，壓電晶片探頭與管道接觸面很小，布置探頭數量有限，直接影響了探頭信號向管道的傳遞、強度與對稱性，而MsS探頭不受管道尺寸的限制，鐵鈷條長度可根據現場管道周長制作，信號傳遞效果好；（2）冷凍水管道安裝于管井內，且與其他管道并行鋪設，壓電晶片技術因探頭自身幾何尺寸限制，無足夠空間安裝，而MsS線圈則不受空間位置的影響。

本工作采用美國西南研究院MsSR 3030R超聲導波檢測系統，由檢測主機設備、信號激勵線圈（同時也是接收線圈）、磁致伸縮鐵鈷合金條、數據傳輸線、適配器、數據采集和分析軟件組成，見圖2。

圖2 MsSR 3030R超聲導波檢測系統

1.2 信號激勵裝置安裝

選定線圈安裝位置，拆除管道保溫層，采用角磨機去除管道表面腐蝕層，并盡量將尺寸較小的腐蝕凹坑磨平。待管道露出金屬光澤，截取合適長度的鐵鈷條并磁化，用耦合膠粘貼于待測管道上，并用橡膠帶固定8～10min，待耦合膠干透后，用卡具將線圈緊固于鐵鈷條之上。若管道外表光滑，無腐蝕及凹坑等缺陷，可直接用雙面膠粘接鐵鈷條，無需使用耦合膠。鐵鈷條長度應比管道周長短3～5mm，以便形成完整的閉合磁路，并激勵周向對稱的信號。

試驗選取外徑89mm，編號為P1與P2的兩條冷凍水進水管道進行檢測試驗。兩條管道均豎直安裝在管井內，在上下穿越樓層處與大小頭焊接而改變尺寸，P1管上有一連接支管，距測試線圈下方約0.4m。兩段管道的結構與測試現場圖片見圖3，圖4。

圖4 P2管結構示意圖與測試現場

1.3 試驗參數選擇

導波檢測中，通常要根據選用的導波模態，在頻散曲線圖中選擇試驗頻率，以避開波包的頻散區域［6］。MsS導波系統一般采用T（0，1）扭轉模態進行管道檢測，因為T（0，1）模態導波在所有頻率范圍內具有非頻散特性，波速不隨頻率變化，且不受管道尺寸以及管內介質流動的影響，產生附加模態傾向較小［7-8］，因此本工作選取T（0，1）模態作為檢測模態，激勵信號頻率為64kHz。

2 結果與討論

2.1 回波圖像分析

圖5為P1管導波回波圖像，對其中反射回波強度（回波與發射信號幅度的比值）超過2%的各反射信號進行標定。圖5中T位置與EP位置對應圖3（a）中的支管與管頂的大小頭。在支管下方，距線圈-1.0m處，另一個大小頭在圖中并未發現回波信號的存在，這主要是因為-0.4m處的支管尺寸較大，對導波信號產生的阻擋與分流，并且導致波包分解和發散［9-10］，只有少部分原始模態的測試信號能夠到達大小頭位置，而大小頭產生的回波信號在返回過程中，再一次受到支管的阻擋，使得線圈接收到的反射信號幾乎可以忽略不計。

圖5 P1管回波圖像

P1管中測試起點正方向，回波波形呈幅度高低不均的草狀回波形態，這與管道產生腐蝕缺陷的波形吻合［11］，D1位置無其他管道結構特征，為疑似缺陷信號。

圖6為P2管導波回波圖像，圖中兩處EP位置分別對應管道兩端的兩個大小頭。D1，D2，D3為三處疑似缺陷信號。沿檢測正方向，信號強度在整體上呈現逐漸下降的趨勢，各缺陷信號之間，分布著強度值低于2%的草狀回波。

圖6 P2管回波圖像

測試的負方向，大小頭EP左側，回波表現為一系列強度在5%附近的反射信號，在整個長度方向上較為均勻，此區間范圍內的支管、支架等結構都未能在回波圖像上反映出來，這是因為導波信號在穿過大小頭時，管道結構尺寸在整個管道周向發生突變，導致導波模態分解和波形發生轉變，各模態信號傳播速度不同，系統不能鑒別真實的缺陷回波信號，使得跨過大小頭的區域，成為導波檢測的盲區。

2.2 缺陷驗證與分析

拆除管道保溫層，對P1與P2管的疑似缺陷位置進行驗證。如圖7（a），P1管狀況較好，表面僅有輕微銹蝕現象，對應回波信號圖7中的D1位置，在管道上發現一處腐蝕凹坑，寬5mm，深度約為2mm。P2管表面則發生了較為嚴重的腐蝕，圖7（b）中虛線圈注位置為3處明顯的腐蝕減薄區域，分別對應圖6中的D1，D2，D3三處位置。記錄各腐蝕缺陷位置與回波強度，測量P2管三處腐蝕減薄區域周向最大長度與剩余厚度（周向多點測量取平均值），估算管道周向腐蝕減薄率，結果見表1。

圖7 缺陷驗證

表1 P2管反射信號分析

由表中數據可知，在導波的有效檢測范圍內，管道上的腐蝕缺陷在回波圖像上都得到了反映，缺陷回波位置準確對應了真實缺陷距探頭的距離。采用T（0，1）模態的導波檢測，回波強度的大小與管道周向腐蝕減薄率密切相關［12］，而表1中缺陷的回波強度與腐蝕減薄率卻無這種對應關系，D1與D3兩處缺陷具有相近的腐蝕減薄率，但D3對應的回波強度僅為D1的一半，這主要是P2上附著較厚的腐蝕層，導波信號在管道表面腐蝕產物的吸收作用下，產生明顯的衰減，以致回波強度大大降低。

2.3 試驗結果討論

導波檢測過程中，線圈通過接收缺陷反射信號，對缺陷進行定位。支管連接、大小頭、等管道結構都將對導波的傳播產生影響，導波波包在受到阻擋的同時，還會發生模態的轉變與分解，使得此后的區域成為導波檢測盲區，回波圖像不能真實反映管道的缺陷狀況。管道腐蝕缺陷在導波回波圖像上表現為錐狀或齒狀的草波形態，管道上附著的腐蝕層對導波信號有較強的吸收作用，腐蝕情況越嚴重的管道，檢測有效距離越短。

檢測前了解待檢管道的結構，有助于快速識別缺陷信號；超聲導波一般只能對管道腐蝕缺陷進行定位與簡單的定量，不能進行定性分析，檢測過程中應采用其他常規無損檢測手段，如渦流、超聲等對缺陷進行驗證。

3 結論

（1）超聲導波無損檢測方法，能夠實現在不拆除保溫層的條件下，對整條管道腐蝕缺陷進行快速檢測，缺陷定位準確。

（2）導波信號在穿越支管、大小頭等管道結構突變處，波包會發生模態轉變與分解，使得此后的區域成為導波檢測盲區，回波圖像不能真實反映管道的缺陷狀況。腐蝕缺陷信號在導波回波圖像上呈現錐狀或齒狀的草波形態，隨著測試距離的增加，導波信號在腐蝕層的吸收作用下迅速衰減，導波回波信號強度降低。

（3）采用超聲導波檢測方法對疑似缺陷進行定位，并結合其他無損檢測手段，如超聲、渦流等進行復檢與驗證，是實現管道腐蝕缺陷檢驗與評價最佳的方式。

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