大慶地區(qū)管道腐蝕的超聲波內(nèi)檢測的研究

張欣艷，左春英，趙達

（黑龍江八一農(nóng)墾大學文理學院，大慶 163319）

管道運輸是輸送石油、天然氣和水最經(jīng)濟、最安全有效的方式之一，[1]管道因腐蝕破壞而造成的穿孔泄漏事故時有發(fā)生，隨之引起的的腐蝕污染不僅會帶來巨大的經(jīng)濟損失，還會嚴重地污染環(huán)境并破壞生態(tài)。因此，必須對管道定期進行內(nèi)檢測。管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)主要是針對管壁的變化情況進行測量和分析，得出被腐蝕管道的相關(guān)數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)外檢測技術(shù)中取得了良好效果的主要包括：漏磁檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、渦流檢測技術(shù)、射線檢測技術(shù)、基于光學原理的無損檢測技術(shù)。超聲波檢測技術(shù)具有造價低、可隨時隨地進行等優(yōu)點，越來越多地得到重視。

1 大慶地區(qū)水域特點

大慶地區(qū)屬于典型的鹽堿地質(zhì)，同時具有豐富的石油資源。典型的注水式的石油開采方式使得輸水管道遍布整個轄區(qū)。根據(jù)王衛(wèi)東對選定大慶地區(qū)10個納污水體的水體環(huán)境水生生物調(diào)查結(jié)果顯示，區(qū)域內(nèi)的水體均受到油污污染，污染程度有差異[2]。張錦民等對大慶地區(qū)水中元素的探測表明，水中含有鐵和鋁的成分[3]。地區(qū)輸水管道腐蝕情況進行探測及分析，必將對當?shù)毓艿腊踩O(jiān)測工作帶來巨大的便利。

2 超聲波檢測理論依據(jù)

能將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲振動能量的方式都可以用來發(fā)生超聲波。例如壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、電磁聲效應(yīng)和機械效應(yīng)等。目前普遍使用的是利用壓電效應(yīng)來產(chǎn)生和接收超聲波。圖1為脈沖反射式探腐蝕原理圖。由脈沖發(fā)生器發(fā)出的電脈沖直接加到探頭上，轉(zhuǎn)換成聲脈沖進入試樣。這個電脈沖同時又輸入到示波器，在熒光屏上出現(xiàn)一個發(fā)射脈沖。當超聲波與試樣背面或缺陷相遇時，會產(chǎn)生反射，聲波返回探頭又產(chǎn)生一個交變電信號輸入到示波器形成熒光屏上的第二個脈沖。這個過程每秒鐘要重復幾百次，在熒光屏上看到的是一系列連續(xù)波形圖。根據(jù)試樣厚度、聲速等對示波器掃描速度適當調(diào)節(jié)后，就能用熒光屏上的測距標度立即讀出發(fā)射脈沖至回波脈沖的距離，也就是反射面至探頭的距離。已知探頭在介質(zhì)中的聲速，通過測量聲波傳播的時間，則可測量出腐蝕厚度。其中，L、L0分別為鋼管腐蝕厚度、原厚度，C是介質(zhì)中聲速。

圖1 脈沖反射式探傷儀原理圖Fig.1 Schematic diagram of detector of pulse reflection

3 實驗

3.1 實驗裝置及材料

超聲波試驗儀（JDUT-2型超聲波實驗儀）、示波器、游標卡尺、耦合劑、待測腐蝕鋼管樣品等。

3.2 測試零點選擇

實驗中，調(diào)節(jié)發(fā)射頻率及掃描TIME/DIV，使始波脈沖處于最佳狀態(tài)，如圖2。

3.3 直探頭脈沖反射法探測腐蝕

絕對探測法是通過直接測量反射回波時間，根據(jù)聲速計算出缺陷的深度，如圖3。利用試塊底面的二次回波測量直探頭的延遲時間；計算出腐蝕的深度。

圖2 射頻、檢波脈沖波型Fig.2 Pulse waveform of radio frequency and detection

圖3 直探頭探測腐蝕深度示意圖Fig.3 Graph of corrosion depth detected by normal probe

4 實驗結(jié)果

4.1 耦合劑選擇實驗

運用超聲波測腐蝕時，接觸面為平面時測量效果最佳，當對管道進行測量要求管道曲率不能過小，即在其它條件不變的情況下，管道曲率越大效果越佳，而在曲率不變的條件下，恰當?shù)鸟詈蟿﹦t對測量起到至關(guān)重要的作用，圖 4（a）（b）（c）是分別以水、機油、甘油為耦合劑時測定的效果圖。明顯看出，以甘油為耦合劑時脈沖反射回波的相對強度是最大的。

4.2 超聲波對輸水管道內(nèi)腐蝕檢測結(jié)果

考慮到不同區(qū)域的水域成分的不同必然對管道腐蝕有不同的效果，選取大慶市薩爾圖、龍鳳、讓胡路及紅崗四個區(qū)域的管道進行測試，圖5為薩爾圖區(qū)管道測試的脈沖回波曲線。

管道壁厚4.50 mm，管道內(nèi)聲波傳播速度59 ms-1。根據(jù)公式C=導出鋼管腐蝕厚度，結(jié)果表明，大慶市地區(qū)輸水管道腐蝕程度隨地域不同而不同，腐蝕程度由小到大排列依次為讓胡路、龍鳳、薩爾圖、紅崗，服役五年腐蝕厚度依次為0.35、0.37、0.43、0.44 mm。腐蝕程度隨管道服役時間呈現(xiàn)非線性遞增趨勢。

圖4 超聲波對測腐蝕對不同耦合劑的反應(yīng)Fig.4 Diagram of ultrasonic response of corrosion measurement of different coupling agents

圖5 薩爾圖區(qū)管道腐蝕超聲波檢測脈沖回波Fig.5 Pipeline corrosion diagram of pulse echo in Saertu district using ultrasonic detection

表1 大慶市各地區(qū)管道服役五年腐蝕徑向脈沖回波時間表Table 1 Time schedule of corrosion radial pulse-echo of pipeline in service for five years from various regions of Daqing City

表2 薩爾圖區(qū)管道腐蝕隨服役年限變化的徑向回波脈沖時間表Table 2 Time schedule of radial pulse-echo of the changes of pipeline corrosion with the years of service from Saertu district

鋼管腐蝕主要是因為不均勻的鋼管表面與水接觸會構(gòu)成許多微小的電池，在電池的陰極區(qū)域發(fā)生氧的還原反應(yīng)；在陽極區(qū)域，發(fā)生氧化反應(yīng)電子在鋼管本體內(nèi)部不斷從陽極轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)域，形成不斷的反應(yīng)過程。由于水中電解質(zhì)的存在以及水的流動作用使得反應(yīng)產(chǎn)物不斷遷移出反應(yīng)區(qū)，形成去極化作用，生成F（eOH）2，氧氣充足則氧化生成黃色FeOOH、Fe2O3·H2O等；氧氣不足則生成水合四氧化三鐵或黑色的Fe3O4。

水管中長期沉積下來的雜質(zhì)、泥沙、污油堆積處，容易形成充氣不均勻型“閉塞腐蝕電池”[5]。沉淀物堆積處的下方較為閉塞，氧氣長期供應(yīng)不足，成為閉塞腐蝕電池的陽極區(qū)域；沉淀物外部供氧充分而成為成為陰極區(qū)域。一旦的濃差組成的腐蝕電池形成，就會導致閉塞區(qū)內(nèi)氯離子濃度升高等一系列自催化過程，這樣就會使得沉淀物下的腐蝕速度一直保持大于外表面腐蝕的速度。

5 結(jié)論

大慶地區(qū)鹽堿地質(zhì)和石油污染導致未軟化水質(zhì)污染嚴重，管道腐蝕現(xiàn)象明顯，對管道輸運安全帶來巨大隱患，研究結(jié)果表明，各地區(qū)腐蝕情況不同，油區(qū)腐蝕較為嚴重，居民用水區(qū)腐蝕相對較輕，并隨時間呈現(xiàn)非線性遞增趨勢。運用超聲波測管道腐蝕效果與管道曲率有關(guān)，曲率越小效果越好，以甘油為耦合劑的效果大于以水或機油為耦合劑的情況。分析腐蝕成因主要源于兩個方面，一是碳鋼表面的不均勻性與水接觸時形成許多微小的腐蝕電池；二是在原油和泥沙堆積的地方，容易形成充氣不均勻型“閉塞腐蝕電池”。

［1］戴波，盛沙，董基希，等.原油管道腐蝕內(nèi)檢測技術(shù)研究［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2007(3)：15-18.

［2］王衛(wèi)東，李鐘瑋，李京，等.大慶地區(qū)水體環(huán)境水生生物調(diào)查結(jié)果與評價［J］.油氣田環(huán)境保護，1997，1(7)：34-36.

［3］張錦民，姜亦慶，潘文科.大慶地區(qū)水中多元素分析—ICP部分.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)［J］.1991，10(2)：11-15.

［4］鄒中堅，張連生，朱相榮.黃島原油碼頭管道腐蝕的原因分析［J］.海洋科學，1990，3(3)：44-47.

［5］陳自強，薛永愛，程廣興.軟化水輸水管道腐蝕原因的探討［J］.化學清洗，1995，11(4)：22-25.