基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的長(zhǎng)輸管道無(wú)損檢測(cè)

劉 勝，駱蘇軍

（1.中國(guó)石化銷售有限公司華南分公司，廣州 510620；2.杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司，杭州 311121）

超聲導(dǎo)波技術(shù)已被證實(shí)可用于管道、鍋爐、石化設(shè)備、橋梁纜索、海洋平臺(tái)、鐵軌、飛機(jī)機(jī)翼、高速公路護(hù)樁等各種場(chǎng)合的無(wú)損檢測(cè)。超聲導(dǎo)波只需單點(diǎn)激勵(lì)就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的檢測(cè)，檢測(cè)效率高，并且是對(duì)管壁截面100%檢測(cè)［1－4］。超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于推廣階段。

長(zhǎng)輸管道是石油石化業(yè)進(jìn)行油氣輸送的主要載體，對(duì)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行定期檢測(cè)是保證管線正常穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作。長(zhǎng)輸管道大多使用直焊縫、螺旋焊縫管材，并且表面有較厚防腐層。隨著國(guó)內(nèi)早期長(zhǎng)輸管線不斷老化，開展長(zhǎng)輸管線的全面檢測(cè)非常必要。

筆者針對(duì)長(zhǎng)輸管線中的直焊縫、螺旋焊縫管材，進(jìn)行導(dǎo)波傳輸特性的模擬與仿真，根據(jù)仿真的導(dǎo)波傳輸特性，制定相應(yīng)的試驗(yàn)方案，利用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)儀（MSGW），進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)的管線檢測(cè)應(yīng)用，證明了磁致伸縮超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)輸管道檢測(cè)應(yīng)用中的可行性。

1 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理

磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)的原理是利用導(dǎo)波探頭激勵(lì)出相應(yīng)頻率的超聲導(dǎo)波，導(dǎo)波以一定的速度在被檢測(cè)的物體中傳播，遇到幾何特征（缺陷、焊縫、法蘭、端面等）發(fā)生反射，反射的導(dǎo)波被導(dǎo)波探頭感應(yīng)到后，根據(jù)導(dǎo)波激勵(lì)和感應(yīng)的時(shí)間差，計(jì)算幾何特征距離導(dǎo)波探頭的位置實(shí)現(xiàn)幾何特征的定位。選取已知特征（通常是焊縫）的導(dǎo)波信號(hào)為參考，可以估算其它幾何特征（腐蝕、缺陷等）的大小。

磁致伸縮超聲導(dǎo)波利用扭轉(zhuǎn)磁致伸縮效應(yīng)即威德曼效應(yīng)產(chǎn)生超聲導(dǎo)波激勵(lì)源。魏德曼效應(yīng)是指磁致伸縮材料在徑向及軸向相互垂直的兩磁場(chǎng)作用下，在圓周方向會(huì)產(chǎn)生機(jī)械作用力，使徑向扭轉(zhuǎn)變形。這種扭轉(zhuǎn)以固體中超聲波的速度向兩端傳播，形成扭轉(zhuǎn)波。當(dāng)圓形鐵桿置于環(huán)形磁場(chǎng)中，對(duì)桿件施加外力使其拉、壓或扭曲，放在桿圓周方向上的線圈會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種由于桿件扭曲或縱向力而產(chǎn)生輸出電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象被稱為逆威德曼效應(yīng)。利用這種磁致伸縮效應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)電－機(jī)械－電之間的能量轉(zhuǎn)換。圖2為磁致伸縮超聲導(dǎo)波（MSGW）換能器結(jié)構(gòu)圖。

圖1 磁致伸縮超聲導(dǎo)波換能器結(jié)構(gòu)

2 長(zhǎng)輸管線導(dǎo)波傳輸特性

超聲導(dǎo)波具有多模態(tài)及頻散的特性。在不同的應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際的需求，選擇正確的導(dǎo)波模態(tài)，以及根據(jù)實(shí)際的頻散特性選擇正確的導(dǎo)波頻率，以達(dá)到比較理想的檢測(cè)效果。超聲導(dǎo)波的多模態(tài)和頻散效應(yīng)，也使得超聲導(dǎo)波的應(yīng)用比超聲體波更加復(fù)雜。

在空氣中的空心鋼管，導(dǎo)波會(huì)產(chǎn)生三種模態(tài)：縱向、扭轉(zhuǎn)和彎曲模態(tài)。縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)是軸對(duì)稱模態(tài)，彎曲模態(tài)是非軸對(duì)稱模態(tài)。

超聲導(dǎo)波除了模態(tài)多樣，還具有頻散特性。如圖2～4是外徑100mm，壁厚4mm 的鋼管仿真群速度曲線、相速度曲線和質(zhì)點(diǎn)位移分量。

從以上的導(dǎo)波模態(tài)及頻散計(jì)算中，可以看到扭轉(zhuǎn)模態(tài)中的T（0，1）模態(tài)群速度和相速度都是恒定的，不受導(dǎo)波頻率影響，而除T（0，1）之外的扭轉(zhuǎn)模態(tài)群速度和相速度都隨頻率變化。如果要避開導(dǎo)波頻散效應(yīng)，選擇T（0，1）模態(tài)是比較合適的。

根據(jù)導(dǎo)波的頻散曲線，在頻率400kHz以下，扭轉(zhuǎn)模態(tài)只存在T（0，1），沒(méi)有其他的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，這樣只要在400kHz以下激勵(lì)出導(dǎo)波，會(huì)明顯降低多種模態(tài)間的相互影響。

圖4 鋼管仿真質(zhì)點(diǎn)位移分量曲線

3 超聲導(dǎo)波檢測(cè)應(yīng)用

利用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)儀對(duì)直徑530mm、壁厚8mm 的直焊縫管進(jìn)行檢測(cè)。將磁致伸縮探頭布置在管子一端，在直焊縫管體上分別刻a、b、c、d、e、f、g共7個(gè)人工缺陷，缺陷的大小及位置如表1所示。控制超聲導(dǎo)波的頻率為128kHz，得到的檢測(cè)波形如圖5所示。從圖中可以清楚的看到7個(gè)不同大小刻傷的回波信號(hào)。

利用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)儀還進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)管線檢測(cè)，圖6是某站場(chǎng)的帶彎頭管線檢測(cè)信號(hào)。管線直徑為710mm，壁厚為8 mm，表面帶10mm左右厚的瀝青防腐層。首先將布置探頭位置的瀝青防腐層打磨掉，然后布置探頭，在3 m 左右的位置發(fā)現(xiàn)一個(gè)異常信號(hào)。

圖5 直焊縫管人工缺陷檢測(cè)波形

表1 直焊縫管人工缺陷參數(shù)

圖6 直徑為710mm、壁厚為8mm 帶彎頭管線檢測(cè)信號(hào)

為了排除此原油管線存在的安全隱患，將部分埋地管段進(jìn)行開挖，管體表面都覆有瀝青防腐層。在局部區(qū)域?qū)r青層剝離，安裝好超聲導(dǎo)波探頭，在5m 左右位置發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)，進(jìn)一步確認(rèn)后，發(fā)現(xiàn)如圖7所示的管壁表面腐蝕區(qū)域。

圖7 輸油管線表面腐蝕宏觀形貌

經(jīng)過(guò)多種應(yīng)用場(chǎng)合的檢測(cè)應(yīng)用，結(jié)果表明超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法可以在大管徑、長(zhǎng)管線、埋地管線等多種管網(wǎng)中得到較好的應(yīng)用效果。利用超聲導(dǎo)波單點(diǎn)激勵(lì)大范圍檢測(cè)的特點(diǎn)，可以提高長(zhǎng)輸管線的抽檢區(qū)域，提高故障點(diǎn)的排查效率。

4 結(jié)論

磁致伸縮超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以單點(diǎn)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)。利用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)儀，針對(duì)試驗(yàn)室樣管與現(xiàn)場(chǎng)管道進(jìn)行了導(dǎo)波數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，可以達(dá)到截面變化量1%以上的檢測(cè)靈敏度，為長(zhǎng)輸管道的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了較有力的技術(shù)保障，提高長(zhǎng)輸管道的定期檢測(cè)效率。

［1］WILCOX P D，LOWE M J S，CAWLEY P.Mode and transducer selection for long range lamb wave inspection［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2001，12（8）：553－565.

［2］楊士明，劉增華，何存富，等.扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波檢測(cè)管道軸向缺陷的應(yīng)用研究［R］.［s.l.］第九屆全國(guó)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)，2004：85－90.

［3］ROSE J L.A baseline and vision of ultrasonic guided wave inspection potential［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，2002，124（3）：273－282.

［4］周正干，馮海偉.超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展I［J］.無(wú)損檢測(cè)，2006，28（2）：57－63.

［5］彭在美.2012年我國(guó)鋼管消費(fèi)預(yù)測(cè)及熱點(diǎn)話題［J］.鋼管，2012，41（3）：6－9.

［6］J L 羅斯.固體中的超聲波［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［7］H KWUN，S Y KIM，MS CHOIB，et al.Torsional guided－wave attenuation in coal－tar－enamel－coated，buried piping［J］.NDT＆E International，2004，37：663－665.

［8］王悅民，康宜華，武新軍.磁致伸縮效應(yīng)及其在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33（1）：75－77.

［9］A C COBB，H KWUN，L CASERES，et al.Torsional guided wave attenuation in piping from coating，temperature，and large－area corrosion［J］.NDT ＆ E International，2012，47：163－170.

［10］何存富，于海群，吳斌.管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)專用探頭的研究［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2003，18（4）：500－505.

［11］吳斌，鄧菲，何存富.超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)中的信號(hào)處理研究進(jìn)展［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（4）：342－348.