超聲導波技術在管道腐蝕測量中的應用探討

孫 雷

（大慶油田設計院有限公司，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

現階段我國集輸管線腐蝕檢測中應用的檢測技術種類較多，其中超聲波技術應用最為廣泛，不僅可以有效的測量定點管壁厚度，也可以測量管線焊縫中是否存在缺陷。但伴隨超聲波檢測技術的逐步推廣使用，該技術的存在的弊端也逐步凸顯[1]。首先，許多安裝保溫措施以及小管徑的管道超聲波檢測技術精度降低，難以對特殊位置的薄弱點進行精準的檢測。目前我國石油集輸網絡日漸復雜化，管線縱橫交錯，超聲波在復雜管線布局的管線檢測中效果也不夠理想。原油集輸管線內輸送介質多為高溫、高壓、有毒、易燃易爆的危險化工介質，如果不能及時檢測發現管線腐蝕嚴重區域進行處理，一旦發生管線泄漏，將造成不可估量的嚴重損失[2]。

超聲導波檢測技術是基于超聲波技術的衍生技術，不僅可以快速的對管體進行掃查確定管線缺陷的具體位置，也可以精確的區分管線內部缺陷以及管線的外部缺陷，有著較大的技術優勢。我國引入超聲導波技術較晚，在技術水平以及應用經驗方面與西方先進國家有著較大的差距，其中在聲波數據分析方面差距最為明顯，分析結果精度較差，與實際情況存在一定偏差。本文介紹了磁致伸縮超聲導波檢測技術原理，分析了超聲導波技術應用的特點，并采用磁致伸縮超聲導波技術對地面油氣管道的腐蝕檢測，結果表明，該技術能夠快速查找到腐蝕缺陷的相對位置，且能夠檢測特殊管段，如圍墻或套管內的管段，能夠快速發現管道缺陷，但是缺陷定位距離有誤差，缺陷的形狀和在圓周的位置不能精確提供[3]。

1 超聲導波技術檢測原理

超聲導報檢測所使用的波體是一種機械彈性波，該波段可以沿著結構部件的有限邊界形狀不斷傳播，并被部件的物理形狀邊界限制以及導向，與傳統超聲波相比波體傳播具有明顯的導向性，因此也被稱為超聲導波。受管線鑄造材料的物理性質決定，管線中所有波體的傳播只有聲波是恒定不變的，不會伴隨導波的頻率而發生改變，機械扭力波也只在固體中傳播，因此管線內的流體介質不會對扭力波的傳播帶來影響，只要正確的選擇和設置導波的模式以及頻率，就可以實現精確的控制波的傳播軌跡，完成長距離管線以及復雜結構管線的無死角檢測。

目前我國使用的超聲導波技術是從英國引入并逐步改良的，產生超聲波的激勵目前有兩種。其一是基于磁致伸縮效應產生的超聲波，在適當的環境下改變磁體材料外部磁場參數，在外部磁場的不斷變化作用下，磁體材料的物理形狀以及體積均發生了細小的變化，從而產生彈性機械波耦合到管線上，沿著管線傳播。目前磁致導波技術最為成熟的國家是美國；其二，壓電晶體超聲導波產生方式；該方法是利用壓電晶體的壓電特性以及電壓效應進行實現。首先通過使用相應的設備，在壓電晶體上施加交變電壓，在交變電壓的作用下，壓電晶體厚度不斷交替變化產生了規律的震動，晶體依托媒質產生了超聲波，該技術最早由英國提出，在國外應用范圍最廣[4]。

2 超聲波導技術應用特點

我國于2009年從英國引入該技術，結合我國國內石化企業的實際需求進行了必要的完善與改良，目前主要針對于架空管線，無法使用其他方法進行精準測量的管線、腐蝕嚴重的管線、存在穿路、圍墻、存在完整保溫層的管線進行測量。

在使用超聲導波技術進行管線腐蝕檢測時，該測量技術無法直接對管壁厚度進行顯示和測量。超聲導波測量是一種超快速的全面檢測技術，因此其檢測結果是對管線存在缺陷的大致判斷，以便迅速的掌握管線的大體情況。如果需要對存在缺陷類型、大小、位置進行精準詳細的判斷，則需要結合其他測量手段進行逐一確定。在一般情況下，利用超聲導波技術可以迅速完成對管線的缺陷位置范圍鎖定，然后根據測量結果對存在管壁厚度降低的管線區段使用其他檢測方法進行測量，可以高效率的完成管線腐蝕缺陷測量和定位。

超聲導波檢測技術的檢測長度是影響檢測效率及經濟效益的關鍵因素，若檢測長度過短，則起不到實際的效果，應用價值降低，應用的前景受限。據美國SwRI所做的公開試驗數據，對于帶油漆層的地上直管段，單方向檢測150m處管道橫截面積損失量的2～3%，并且穿越了19條焊縫。在實際檢測過程中，檢測的管道長度與管道所處的狀況有直接影響。管線的腐蝕程度以及管線中使用的緩蝕劑以及保溫涂層材料和安裝方式都會對檢測信號帶來影響，導致檢測信號逐步的衰減。一般情況下，如果管線使用了以瀝青為代表的粘性防腐層，檢測信號在通過此類管線時都會出現嚴重的信號衰減現象，導致檢測距離的減少；其次，采用埋地敷設方式的管線，如果埋地深度較高也會導致檢測距離的減少。超聲導波的檢測精度是決定其技術應用價值的重要因素之一，目前需要確保檢測量密度為管線橫截面積的損失量2%才可以滿足使用需求。

與其他檢測技術相比，超聲導波技術在檢測管線的材質方面有著更好的兼容性，不僅可以用于鐵磁性金屬材料的檢測，在非鐵磁性金屬材料管線的檢測中也有著很好的應用表現，如近年來數量逐步增加的復合管線、PE管線、鈦合金管線等等。

3 管道超聲導波檢測應用

基于課題的研究需求以及研究目的，選擇某地面輸油管線作為研究案例，該管道線已經投產運行12年，主要輸送介質為汽油。管線內部存在一定的腐蝕現象，整體腐蝕情況不嚴重，管線外部有防腐涂層，沒有安裝保溫層。使用美國產的磁致伸縮超聲導波設備進行測量。

試驗用磁致伸縮超聲導波檢測系統是從美國西南研究院整體引入的。主要結構有主機設備、線圈、鐵鈷帶、數據線以及配套的數據處理涉筆組成。操作流程如下。首先將目標測量管線位置的防腐層進行去除，并進行清理和打磨，安裝專用的耦合器設備；其次將鐵鈷帶纏繞上去，再將線圈對應鐵鈷帶纏繞，并用適配器連接線圈， 適配器通過數據線與主機連接，主機通過數據線與電腦軟件連接。最后根據管線的實際情況、測量環境、測量需求確定最終的檢測頻率設置，然后啟動主機設備對管線進行管道信息的測量和采集，采集后使用系統自帶的數據分析軟件對原始信號進行收錄、分析，根據相關的計算方法確定缺陷的位置以及缺陷大小。

檢測結果如圖1所示，可以發現管線存在一定的腐蝕現象，但是整體腐蝕程度較低，檢測信號在管線中的傳遞情況良好，沒有出現明顯的信號衰減或者檢測距離減弱的情況，管體特征明顯，焊縫位置突出。在探頭信號的發射反向3.91m處存在第一個缺陷，缺陷為管壁截面面積的2.1%?，F場檢查發現，該區域位于墻體內，經協調，扒開墻體后，發現該管段沒有套管，管體直接接觸墻壁，管體的防腐層脫落，管壁上有一片大大小小的麻坑，腐蝕深度較小。

圖1 超聲導波檢測表