超聲導波技術在場站管道檢測中的應用

譚達真

（廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西 南寧530029）

0 引言

西氣東輸，是我國距離最長、口徑最大的輸氣管道，西起塔里木盆地的輪南，東至長三角、珠三角地區。西氣東輸工程的成功實施，加快了我國能源產業的發展，使我國的能源結構和產業結構得到很大的優化，不僅有效緩解了東部能源的緊缺狀況，同時促進了中部、西部地區經濟共同發展，極大地改善了管道沿線地區人民生活質量，有效治理了大氣污染。同時，西氣東輸也是我國投資最多、輸氣量最大、沿線環境條件最復雜的天然氣管道。由于地域跨度大，環境條件復雜，輸氣管道的使用和維護困難重重。而干線、支線上的場站，是輸氣沿線上的重要支點，起著調節和分輸的作用，因此，做好場站內管道和設備的維護，對西氣東輸的安全運營有著十分重要的意義。

場站管道作為輸氣管道，壓力很高，依照我國法律法規，需要進行定期檢驗，以保障管道的安全運行。然而，場站工藝管道作為管道輸送系統的重要組成部分，卻一直缺乏有效檢測手段。由于條件限制，場站管道檢測中對精準檢測、無損檢測的要求越來越高。傳統的四大常規無損檢測方法，檢測成本高、速度慢，抽檢的覆蓋率低，難以全面科學準確地對管道完好性進行全面的評價。

為了高效地檢測場站工藝管網，采用超聲導波技術，對場站內工藝管道進行檢測，對檢測系統性能、干擾因素、缺陷定位、缺陷信號響應、實際檢測距離和缺陷檢出率等關鍵指標進行了研究。

目前，實現導波檢測主要有以下兩種方式：一是多晶片探頭卡環式檢測系統（基于壓電效應），生產廠家為英國導波公司（GUL）和英國焊接研究所（TWI）；另一種是MsS超聲導波檢測系統，基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應和其逆效應，生產廠家為美國西南研究院（SwRI）。英國的壓電晶片技術和美國的磁致伸縮技術，它們的主要區別是導波的激發方式與探頭結構以及探頭耦合方式不一樣，其他方面如傳播機理、其與缺陷的相互作用以及衰減特性都是一樣的。

本文主要探討MsS超聲導波技術在場站管道檢測中的應用研究。針對西氣東輸場站復雜的檢測環境，常規無損檢測方法檢測成本高、效率低下的問題，采用導波檢測技術，對管道進行全面的檢測和評價。

1MsM超聲導波檢測技術原理和設備介紹

1.1 磁致伸縮效應

磁致伸縮效應（英文縮寫MsM），指鐵磁性材料受外加磁場的作用，其尺寸、形狀發生改變的現象；傳感器中的磁疇在外加磁場的作用下按照一定方向運動，并產生彈性機械波，耦合到管道上并沿著管道傳播。磁致伸縮逆效應（磁彈性效應）指鐵磁性材料在受到（長度方向）軸向外力時，其內部磁場狀態發生變化的現象；超聲導波是指受構件邊界條件（幾何尺寸、受力狀態等）約束的、能夠較長距離傳播的某些特定頻率范圍的超聲波。

1.2 MsM超聲導波檢測技術

MsM超聲導波檢測技術，就是基于鐵磁性材料中的磁致伸縮效應產生導波信號和利用磁致伸縮逆效應來實現對工件的檢測。

1.3 MsS超聲導波檢測設備

MsS超聲導波技術系統的傳感器是由薄片狀的鐵鈷帶（強磁性材料）、交流線圈組成。MsS超聲導波的產生：將薄片狀的鐵鈷帶（相當于直流偏磁場）磁化，然后通過環氧樹脂膠或機械干耦合的方式緊貼于管道外表面，再將交流線圈置于鐵鈷帶上，鐵鈷帶上的直流偏磁場與交流線圈形成的交流磁場相互作用（磁致伸縮效應），直接在鐵鈷帶上（強鐵磁性材料）產生機械彈性波，并通過膠層或直接耦合到管道上，并沿著管道雙向傳播。MsS超聲導波的檢測：當MsS超聲導波沿著管道傳播并遇到缺陷或法蘭、三通、焊縫等障礙時，就會有一部分波反射回來并返回到MsS傳感器上，轉換成電信號被導波主機接收。

美國西南研究院MsS超聲導波檢測系統通過薄的磁性鐵鈷條帶粘貼在工件上進行超聲導波的激發，可以用于鐵磁性金屬材料、非鐵磁性金屬材料和非金屬材料的檢測，如：鈦、不銹鋼、鋁、銅等和玻璃、PVC材料、木材、水泥等的檢測。該系統檢測精度高，根據最新試驗結果，最高靈敏度可達到管道橫截面積損失量的1%，可靠檢測靈敏度為管道橫截面積損失量的5%，用作監測時靈敏度可以達到管道橫截面積損失量的0.6%。一次檢測范圍大，對于帶油漆層的地上直管段，可以單方向檢測150 m處管道橫截面積損失量的2%～3%。溫度適用性強，最高溫度可達938℃，可以在高溫狀態下對管道進行在線檢測和長期監測。可以適用不同的管道直徑，從40 mm～2 000 mm（可以適應無限大直徑的管道）。檢測頻率在很大程度上決定了檢測盲區的大小，頻率增大，盲區減小，如頻率為2 kHz時為350 mm，64 kHz時為175 mm，128 kHz時為85 mm。探頭與管道之間的耦合方式有兩種，為機械干耦合或環氧樹脂膠粘接。管道的外表面狀態完好，或者打磨后表面狀態完好時，可采用機械干耦合方式。不方便打磨的地方或是管道表面狀況差，可采用環氧樹脂膠作耦合劑粘接。

2 實驗研究和現場檢測應用

2.1 實驗研究

如圖1，選取一根長度3 m，外徑為114 mm，壁厚6 mm的管道作試驗。為模擬現場實際情況，此管已放置一段時間，管的表面和兩端都有明顯的自然腐蝕。在管子外表面制作4處人工模擬缺陷如下：鉆取深4.2 mm、直徑10 mm的孔，模擬腐蝕坑缺陷，相當于2%的管道橫截面積金屬損失量，如圖2所示；鉆取深3 mm、直徑4 mm的微型小孔，模擬針孔腐蝕缺陷，相當于1%的管道橫截面積金屬損失量，如圖3所示；制作25 mm寬、深度為1.5 mm的橫向切槽，相當于1%管道橫截面積金屬損失量，如圖4所示；制作32 mm寬、深度2.5 mm的橫向切槽，管道橫截面積金屬損失量為2.5%，如圖5所示。圖6為超聲導波檢測波形圖，可以看出，四處缺陷均有明顯的顯示。

圖1 實驗室模擬管道

圖2 直徑10 mm的模擬腐蝕凹坑

圖3 直徑4 mm點模擬腐蝕凹坑

圖41 %的橫向切槽

圖52 .5%的橫向切槽

圖6 模擬管道檢測信號波形圖

2.2 現場檢測應用

現場檢測中，以法蘭、焊縫、支管作為特征信號，以此為基準，判斷回波是否為缺陷信號。因此，采集信號前，需要先對檢測部位進行繪圖，測量特征信號部位與探頭線圈的距離，這樣有利于區分特征信號和缺陷信號。評價管壁減薄程度時，依據軸對稱與非軸對稱信號幅度之比來進行。超聲導波檢測結果不能直接檢測得到管道的壁厚量值，但對管道金屬截面的損失變化檢測靈敏度很高。

此次試驗共在場站內布置檢測點60處，經分析后發現異常信號6處，并對其中3處具備開挖驗證條件的異常信號點進行了開挖驗證。

（1）BY-6號測試點（見圖7）

圖7BY-6號測試點導波檢測波形圖

通過對超聲導波檢測數據圖譜分析，此檢測點負向-3.6 m處存在疑似腐蝕信號（Q1）。經開挖驗證，在檢測點負向-3.6 m處管道表面大面積腐蝕。

（2）BY-10測試點（見圖 8）

圖8BY-10測試點導波檢測波形圖

通過對超聲導波檢測數據圖譜分析，此檢測點正向0.9 m處存在疑似中等腐蝕信號（Q1）。經開挖驗證，檢測點正向0.93 m處發現管道下表面存在腐蝕。

（3）BY-18測試點（見圖 9）

圖9BY-18測試點導波檢測波形圖

通過對超聲導波檢測數據圖譜分析，此檢測點正向1.1 m處存在疑似腐蝕信號（Q1）。經開挖驗證，正向1.13 m處管道上表面有大面積腐蝕。

2.3 現場檢測典型信號分析

圖10為現場檢測，圖11為檢測點位置示意圖，圖12為波形圖。從圖12可以看出，負向的閥門信號W1后面的信號雜亂無章，已經無法分辨。彎頭信號WE1后面的回波信號也是有大量的干擾信號，給信號的分析和缺陷的分辨帶來很大的困難。

圖10 為現場檢測

圖11 現場檢測位置示意圖

圖12 超聲導波檢測波形圖

圖13 為現場埋地管道檢測，圖14為檢測位置示意圖，圖15為導波檢測波形圖。從圖15中可以很清晰的看出，離導波點1 m的焊縫，導波信號W1很明顯。W1后面的信號衰減很快，離導波點5 m的焊縫已經沒有信號回波。信號衰減很快，原因為埋地管道外面有瀝青或PE防護層，瀝青防護層或PE防護層很柔軟（剛性很弱），對導波的振動能吸收很大，就象減震緩沖墊一樣使得導波在瀝青防護層或PE防護層中分流傳播時衰減很大；另外，地埋管線上面還覆蓋著2～3 m厚密實的土壤。三維的土壤層幾乎無限邊界使得分流的導波能量進一步被擴散消失盡。也就是說，原來在剛度很高的具有有限邊界的鋼管中的導波被分流出了到高吸收能量的瀝青防護層或PE防護層中，防護層外的土壤中更進一步將最后的一點能量完全吸收，因而衰減巨大，實際有效檢測距離與理論有較大差距。

圖13 導波埋地管道檢測

圖14 埋地管道檢測示意圖

圖15 超聲導波檢測波形圖

3 低頻超聲導波檢測系統優缺點評價

3.1 主要優點

通過模擬試驗和現場檢測應用，可以知道低頻超聲導波技術有以下優點：

（1）對有保溫層和防腐層的管網、套管、穿越、埋地等難以接近的管道，能夠實現長距離、快速、高效的檢測；

（2）檢測成本低，除探頭安裝區域外，不需要拆除保溫層、防腐層或開挖，不需搭設腳手架，最大程度降低檢測成本；

（3）有干耦合和膠粘兩種耦合方式，操作靈活性高；

（4）能夠識別管道特征與腐蝕信號其它缺陷特征；

（5）應用范圍廣泛，可用于各種工業管網管道、高溫管線、伴熱管線、儲罐底板、換熱器管道、懸浮橋梁、游樂設施鋼索、高壓傳輸線鐵塔錨桿等。

3.2 主要缺點

（1）根據對導波的位移、能量和波包[1]的研究，信號易受現場結構的干擾，如三通、支撐、法蘭、彎頭、覆蓋層等等，都會對信號形成很強的干擾，從而影響檢測結果；

（2）導波通過彎頭后，由于壁厚發生變化，導致信號發生散射、衰減和波型轉換，極大影響檢測靈敏度和信號辨析。因此，在檢測長距離管段時，應分段進行，以避免有過多彎頭。從現場的實際檢測效果來看，超聲信號通過兩個彎頭后，后面的信號幾乎難以分辨；

（3）信號通過閥門后，會產生散射和波形轉換，閥門后的信號無法判讀；

（4）無法確定缺陷的周向位置，同一周向上的不同缺陷信號會產生疊加，使判讀困難；

（5）軸向有一定長度，環向很窄的缺陷，檢出率低；

（6）瀝青層或PE防護層可致波導信號有較大的衰減，使實際可檢范圍大大減小；

（7）缺陷無法直接定量，只能給出相對嚴重程度，也無法確定其埋深或形狀，需采用其他檢測手段進行精確檢測；

（8）檢測結果較易受到人為因素影響。

從上可以看出，導波技術能快速檢測識別出場站管道和設備的缺陷區域，為實現對場站的精準檢測和科學的完整性評價打下堅實基礎，從而給場站維護檢修提供技術和決策支持。

4 結束語

通過理論分析、結合現場檢測應用，可以得到，在檢測速度、檢測成本和適用范圍等方面，導波技術比以往的無損檢測技術具有很大的優勢，可以很好的適應場站復雜的檢測環境，特別適用于場站長距離工藝管網、地下管網和野外長輸管道的檢驗檢測。同時，作為一種新興的檢測方法，導波技術也有其固有局限性，在檢測過程中我們需盡量避免。目前，導波技術的應用尚屬起步階段，在理論的完善、現場檢測經驗、應用范圍和應用深度等方面，都需要繼續深入研究。