壓力管道超聲導波檢測技術研究

劉志剛，于帥，周煒，付建衛

（1.中石化勝利海上石油工程技術檢驗有限公司，山東 東營 257000；2.冀東油田南堡油田作業區，河北 唐山 063000）

壓力管道是油氣、熱力輸送系統中重要的設備，其中，壓力管道在管道壓力中的運行狀態、使用質量會受到水壓、水蝕等危害影響，造成水管滲水，甚至發生水管爆炸等危險，嚴重的影響了城市熱力供給安全。因此，需要定期對壓力管道進行檢測，來提高城市熱力管道的熱力輸送安全。

1 壓力管道易產生的問題

壓力管道易產生的問題主要有腐蝕、裂紋，從而導致管道爆管等事故發生。腐蝕對于管道的影響最為嚴重，能夠導致壓力管道出現泄露和破裂。當水蒸氣、熱水通過存在質量問題的管道時，會導致管道尤其是彎頭發生振動。長時間的振動，會使得管道彎頭連接處發生松動，產生水泄漏問題。在管道使用中，由于高溫作業環境，一些管道內壁的壁厚出現了故障點，當管道內部壓強加大的時候，會對管道內壁產生壓力，導致管道變形、破裂。

2 壓力管道檢驗技術特點

為確保壓力管道的安全和高效運行，做好壓力管道的運行維護與檢驗工作至關重要。由于對壓力管道的運行維護與檢驗問題的標準與法規還不完善，在不少檢驗人員的思維當中，壓力管道檢驗技術與方法完全等同于壓力容器和鍋爐檢驗技術，其實不然，原因是壓力管道有以下5種特點：第一，壓力管道選用較為復雜，原因是其應用材料的種類較多，并且壓力管道現場安裝的工作量也較大。第二，由于壓力管道的種類和數量均較多，導致其安裝、制造、設計以及應用管理環節也較多。第三，壓力管道安裝跨越空間大，長細比大，具有復雜的邊界條件。第四，壓力管道及其配套元件的生產廠家規模一般較小，導致產品的質量難以保證，從而也加大了管道事故的發生率。第五，在實際生產過程中，熱力管道多采用管溝敷設，燃氣管道和長輸管道一般采用埋地敷設。基于上述特點，一些工業企業的檢驗人員進行壓力管道檢測時仿照鍋爐壓力容器的檢測手段，這樣的檢測方法不僅會加重管道使用單位的經濟負擔，同時也易加大檢測人員自身的工作量。

3 超聲導波檢測技術研究

（1）一般導波檢測方法。利用一般導波檢測方法觀察無損管道模型，即在管道端面周向均勻加載激勵信號于端面48個節點上，在離端面最近的一圈節點上讀取監測節點的位移信號，數值模擬獲得的位移信號相關數據結果。同樣的激勵作用下，壓力一定時，隨環境溫度的升高，管道模型端面反射回波的幅值減小；在恒定溫度下，端面反射回波的幅值隨壓力的增大近似線性增大。這說明，利用導波對管道進行無損檢測時，環境溫度和壓力的改變對檢測信號的主要影響體現在回波信號波包的幅值的改變。其次，在含不同缺陷的各管道模型上，通過計算缺陷回波反射率，即缺陷反射回波波包幅值與激勵波包幅值的比值，觀察缺陷反射回波波包幅值的變化。就一般導波檢測方法而言，裂紋型缺陷管道模型1，對于有損管道，采用一般導波檢測法，當環境溫度恒定時，隨管道內壓值增大，缺陷回波反射率近似線性減小；當承壓管道的內壓值穩定時，隨周圍環境溫度的升高，缺陷回波反射率也呈近似線性減小的趨勢。這表明在環境溫度和內壓的變化下，裂紋型缺陷和孔型缺陷針對溫度變化和內壓值的改變呈現出相同的變化趨勢。

（2）基于時間反轉的導波檢測方法。時間反轉是指接收傳感器陣列接收聲源發射的時域信號，將這些信號進行時間反轉后，再由相應的接收傳感器重新激勵出去，它是聲互易性原理的應用之一，可以實現能量在空間、時間上的聚焦，從而獲得聲源位置并實現聲源信號的重構。基于時間反轉的導波檢測方法，將缺陷看作一個新的被動導波源，利用沿管道圓周均勻分布的時間反轉傳感器，將接收到的被動波源的信息經時間反轉后在接收位置重新激勵，就可以實現能量在缺陷位置的聚焦，提高小缺陷造成的微小回波幅值的變化，便于進一步判斷環境溫度變化對承壓管道結構健康檢測的影響。

4 壓力管道超聲導波檢測技術應用

（1）彎管檢測。導波在彎頭部位容易發生頻散和模態轉換，并且導波能量將主要集中在彎頭的背彎部位。因此導波檢測彎頭時，容易發現處于彎頭背彎部位的缺陷，而可能漏檢內彎的缺陷。在彎頭生產時，彎頭背彎處壁厚將小于內彎壁厚，且背彎處受到管道中介質沖刷的影響，更容易產生缺陷。因此采用超聲導波檢測彎頭部位缺陷是可行的，但其難點在于信號分析。目前許多從事導波檢測的科研人員主要針對的是直管道的缺陷檢測展開的研究，然而管道系統里的直管道絕大部分是90°彎曲管道連接起來的，研究導波在彎曲管道中的傳播在近年來變成一個熱門的話題。何存富等學者已經對導波在彎曲處的傳播特性進行了研究，并對彎管中缺陷的進行了檢測，證明L（0，2）模態具有檢測彎曲管道外側區域的能力。也有學者通過改變90度彎頭的曲率半徑進行試驗，分析了L（0，2）模態在不同的曲率半徑下，穿過90度彎頭的能力（即透射系數）。

（2）直管檢測。超聲波檢測中，聲波分為體波和導波兩種。體波是當聲波在無限大或半無限大介質中傳播的聲波，分為縱波和橫波等，體波的傳播速度取決于傳播介質的特性，與頻率無關。導波是聲波受到界面的影響，聲波會在界面來回反射，此時聲波將出現頻散現象，即波速與頻率相關，從而導波的特性常通過頻散曲線來表示，具有群速度和相速度，如圖1所示。

圖1 鋁板中相速度曲線（左）和群速度曲線（右）

研究者們首先對導波的群速度、相速度以及導波傳播過程中的反射、折射等現象進行了探索，并用實驗進行了論證。然后研究者們逐步對導波在波導中傳播的頻散特性進行了研究，然后分析總結了導波傳播中出現的模態轉換現象，并給出了合理的解釋。在20世紀早期，人們開始研究超聲導波在有界的不同形狀的介質中傳播的相關特性，并重點研究了導波在平板中的傳播特性，進而通過獲得的相關結論對導波在圓柱空心管中的傳播進行了預測和分析。對超聲導波在無限長圓柱管中的傳播特性進行了研究。

（3）管道內部缺陷。超聲波檢測儀能夠測試管道內部缺陷，這種檢驗技術可以實現整條管道的壁厚檢測，特別是無縫鋼管。由于無縫鋼管的構造并不復雜，在制作時，采用的都是自動化水浸法進行超聲波檢測，但對已經應用在生產中的鋼管，需要采用橫波檢驗法來進行檢驗。先要對鋼管的表面進行聲束檢驗，在移動探頭時，需要以管道的走勢為依據。也可以選擇高性能工業內窺鏡等輔助工具，來實現精確化檢測。最近某無縫鋼管生產廠家為客戶生產的一批無縫鋼管，自己通過超聲波檢測并未發現缺陷，結果客戶在驗收的時候，發現缺陷，導致客戶拒收。該無縫鋼管廠家將超聲波檢測的“合格”產品運用高性能工業內窺鏡檢測，會發現微小“光斑”，現場將無縫鋼管鋸開后，這些微小“光斑”是無縫鋼管凹陷的缺陷。因此，可以看出，使用高性能工業內窺鏡，能夠提高無縫鋼管缺陷檢測率。

5 結語

目前，研究表明縱向模態導波對管道周向缺陷比較敏感，而扭轉模態導波對管道縱向缺陷比較敏感，因此主要采用縱向模態L（0，2）進行了管道周向缺陷檢測，采用T（0，1）進行縱向缺陷的檢測。從頻散曲線中可以看出，扭轉T（0，1）模態不頻散，模態成為單一，有利于分析和處理檢測結果。但扭轉模態相比縱向模態，傳播距離較近，且難以檢測周向缺陷。現階段磁致伸縮主要用于激勵T（0，1）模態的導波，如MsSR系列儀器，還沒有商業化儀器設備用于激勵縱向模態導波。因此在檢測過程中，磁致伸縮導波檢測時往往對周向缺陷存在漏檢。縱向模態相比扭轉模態傳播距離長，但難以得到單一縱向模態L（0，2），因此縱向導波檢測時信號分析相對較為困難。但是也可以利用縱向模態傳播速度快的特點，重點分析到達時間短的回波，能消除部位模態轉換的干擾。