壓力管道焊接缺陷在線檢測

馬俊 孫瞳(新疆昌吉州特種設備檢驗檢測所， 新疆 昌吉 831100)

壓力管道的安全運行對保護人們的生命和財產安全具有重要的意義，尤其是在運送危險品時，例如天然氣等，運送的物質具有易燃性、易爆性，所以需要對壓力管道進行實時在線監測，保證壓力管道的安全運行。管道的焊接缺陷是壓力管道中常見的缺陷之一，往往在焊接的缺陷處也容易造成腐蝕，本文通過采用超聲波檢測技術，來對壓力管道的焊接缺陷進行檢測。

1 壓力管道常見的焊接缺陷

管道中的爆破泄漏事故常常與焊縫缺陷具有直接的關系，焊縫是管道系統中較為薄弱的環節，同時焊接缺陷還可能對管道的結構強度和耐腐蝕性造成不利的影響。管道的焊接缺陷主要有氣孔、裂紋、夾渣、焊瘤和未焊透等。氣孔主要是由于在焊接時熔池中含有過飽和氫、氮氣等氣體沒有來得及排除，在焊縫中形成了氣孔；焊接裂紋可以分為焊接熱裂紋和冷裂紋，焊接裂紋中冷裂紋的影響較大；焊縫夾渣不僅可以導致微小裂紋的產生，還可能對焊縫金屬的耐疲勞特性產生影響，同時夾渣還可能在造成焊縫金相組織的變化；焊瘤和未焊透也是常見的焊接缺陷，并且不同的焊接缺陷之間是相互影響的，一種焊接缺陷可能會伴隨著其他的焊接缺陷的產生。

2 超聲波檢測方法概述

超聲波是頻率大于20KHz的一種彈性機械波，它能夠在介質中連續傳播。超聲波能夠在介質中以多種形式進行傳播，主要的傳播形式有橫波、縱波、表面波和板波。超聲波主要的物理量有三個，分別是聲壓、聲強度和超聲波的阻抗。超聲波的波動特性主要有交互特性，經過疊加的超聲波，其固有的聲學特性和傳播特性不會改變；干涉特性，不同的超聲波匯聚到形同的質點后，會產生干涉作用，不同位置的超聲波振動會發生變化；散射和衍射特性，當超聲波在傳播的過程中遇到障礙物會發生散射和衍射。

超聲波用在檢測方面的原理為通過回波信息來將檢測工件的表面情況表現出來，回波信號的幅度能夠表示不同的被檢測物的表面情況，超聲波技術應用在無損檢測中主要有脈沖反射法和透射法兩種方法。

脈沖反射法是根據超聲波的一次回波和二次回波在時間軸上的不同位置來確定被檢測工件的表面質量。高頻的負脈沖激勵超聲波換能器產生超聲波，超聲波經過管道的焊接缺陷或腐蝕缺陷反射回來，換能器介紹到不同路徑的回波信號，通過將該信號轉變為電信號進行采集，對信號進行分析處理就可以得到檢測結果，脈沖檢測的原理圖如圖1所示。

脈沖透射法檢測的原理是當有連續的或者是間斷的超聲脈沖波檢測到壓力管道的管壁時，焊接缺陷或者腐蝕缺陷能夠通過超聲回波的形式被傳感器接受并反映出來。

圖1 脈沖檢測的原理圖

圖2 脈沖透射發原理圖

相對于脈沖檢測法，脈沖透射法的不同之處在于待測管道的兩端需要分別布置超聲波換能器。其原理圖見圖2。

3 基于超聲波的壓力管道焊接缺陷檢測

本文設計的基于超聲波的壓力管道檢測裝置能夠在管道中行走，通過超聲波探頭對管道內部的缺陷進行檢測，通過數據分析得出缺陷的形狀和位置。超聲波檢測裝置主要由檢測部分、回波信號采集裝置、存儲設備、驅動電源等部分組成，每個艙室之間通過采用萬向鉸連接，從而使得檢測裝置在壓力管道中更容易通過，檢測裝置的動力來源于管道內的高速的氣體。同時，由于壓力管道內部往往運送易燃易爆的氣體，所以在進行檢測裝置的設計時，需要對檢測裝置本體的密封性以及在管道內部的運行進行充分的安全分析，選擇合適的密封方式。其檢測設計示意圖見圖3。

圖3 超聲波檢測裝置示意圖

超聲波檢測系統通過數據采集得到超聲波回波信號，受到壓力管道內部結構的影響，采集的信號中往往會含有部分噪聲，噪聲的產生會對管道缺陷的檢測帶來不利影響。為了使得檢測的結果更加具有可靠性，需要對采集的信號進行降噪處理，通過采用有效的信號分離算法，將有用的超聲波回波信號分離出來，從而得到壓力管道的缺陷信息。常采用的信號的去噪算法主要有基于小波分析的超聲波回波信號去噪算法，信號的去噪算法如圖4所示。

圖4 超聲波信號的去噪算法流程

4 結語

本文主要對壓力管道的焊接缺陷的類型以及造成焊接缺陷的主要原因進行了簡要分析，闡述了超聲波檢測技術原理，探究了基于超聲波檢測技術的壓力管道焊接缺陷的設計，并且提出了基于小波分析的超聲波回波信號處理方法及流程，為壓力管道焊接缺陷的檢測提供了一定的理論基礎。

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[2]中國機械工程學會無損檢測分會.超聲波檢測[M].北京：機械工業出版社，2005：56-60，71-72.