冷凍水管道腐蝕缺陷超聲導(dǎo)波檢測

馬 柯，張勝軍，曹建群

（廣州市特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州510663）

中央空調(diào)冷凍水管道由于保溫不良或環(huán)境濕度過大等原因，會產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，導(dǎo)致外壁發(fā)生腐蝕［1］。冷凍水管道通常安裝于管井或樓層天花內(nèi)，管道表面包覆保溫層，缺陷難以發(fā)現(xiàn)。常規(guī)檢測手段如超聲波測厚、渦流檢測等，只能采用逐點(diǎn)檢測的方式進(jìn)行，不能完全揭示整條管道上的腐蝕缺陷［2］。

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)近年來在無損檢測領(lǐng)域，尤其在管道無損檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3］。通過在管道局部安裝導(dǎo)波信號發(fā)射裝置和接收裝置，激勵(lì)導(dǎo)波信號并使其沿管道傳播，在遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生回波信號，以此實(shí)現(xiàn)對整條管道上缺陷的檢測，范圍甚至可以達(dá)到100m以上，檢測靈敏度高，缺陷定位準(zhǔn)確，能夠有效檢出管道存在的孔洞、損傷、腐蝕等缺陷，特別適合包覆保溫層，采用高空架空、埋地、管井、管溝鋪設(shè)，常規(guī)方法難以檢測的管道［4］。

圖1 常規(guī)無損檢測與超聲導(dǎo)波檢測原理對比

本工作通過在冷凍水管道局部位置激勵(lì)脈沖導(dǎo)波，采集回波信號并進(jìn)行標(biāo)定，拆除保溫層對缺陷進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對管道腐蝕缺陷的有效檢測。并計(jì)算了管道缺陷位置的周向減薄率，對照回波圖像，對影響回波信號的因素進(jìn)行了深入的討論。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

目前通用的導(dǎo)波檢測技術(shù)分為兩種［5］：一種為磁致伸縮（MsS）技術(shù)；另一種為壓電晶片技術(shù)。相對壓電晶片技術(shù)而言，在本工作中采用MsS導(dǎo)波檢測，具備以下優(yōu)勢：（1）待測冷凍水管道外徑僅為89mm，管道曲率較大，壓電晶片探頭與管道接觸面很小，布置探頭數(shù)量有限，直接影響了探頭信號向管道的傳遞、強(qiáng)度與對稱性，而MsS探頭不受管道尺寸的限制，鐵鈷條長度可根據(jù)現(xiàn)場管道周長制作，信號傳遞效果好；（2）冷凍水管道安裝于管井內(nèi)，且與其他管道并行鋪設(shè)，壓電晶片技術(shù)因探頭自身幾何尺寸限制，無足夠空間安裝，而MsS線圈則不受空間位置的影響。

本工作采用美國西南研究院MsSR 3030R超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)，由檢測主機(jī)設(shè)備、信號激勵(lì)線圈（同時(shí)也是接收線圈）、磁致伸縮鐵鈷合金條、數(shù)據(jù)傳輸線、適配器、數(shù)據(jù)采集和分析軟件組成，見圖2。

圖2 MsSR 3030R超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)

1.2 信號激勵(lì)裝置安裝

選定線圈安裝位置，拆除管道保溫層，采用角磨機(jī)去除管道表面腐蝕層，并盡量將尺寸較小的腐蝕凹坑磨平。待管道露出金屬光澤，截取合適長度的鐵鈷條并磁化，用耦合膠粘貼于待測管道上，并用橡膠帶固定8～10min，待耦合膠干透后，用卡具將線圈緊固于鐵鈷條之上。若管道外表光滑，無腐蝕及凹坑等缺陷，可直接用雙面膠粘接鐵鈷條，無需使用耦合膠。鐵鈷條長度應(yīng)比管道周長短3～5mm，以便形成完整的閉合磁路，并激勵(lì)周向?qū)ΨQ的信號。

試驗(yàn)選取外徑89mm，編號為P1與P2的兩條冷凍水進(jìn)水管道進(jìn)行檢測試驗(yàn)。兩條管道均豎直安裝在管井內(nèi)，在上下穿越樓層處與大小頭焊接而改變尺寸，P1管上有一連接支管，距測試線圈下方約0.4m。兩段管道的結(jié)構(gòu)與測試現(xiàn)場圖片見圖3，圖4。

圖4 P2管結(jié)構(gòu)示意圖與測試現(xiàn)場

1.3 試驗(yàn)參數(shù)選擇

導(dǎo)波檢測中，通常要根據(jù)選用的導(dǎo)波模態(tài)，在頻散曲線圖中選擇試驗(yàn)頻率，以避開波包的頻散區(qū)域［6］。MsS導(dǎo)波系統(tǒng)一般采用T（0，1）扭轉(zhuǎn)模態(tài)進(jìn)行管道檢測，因?yàn)門（0，1）模態(tài)導(dǎo)波在所有頻率范圍內(nèi)具有非頻散特性，波速不隨頻率變化，且不受管道尺寸以及管內(nèi)介質(zhì)流動的影響，產(chǎn)生附加模態(tài)傾向較?。?-8］，因此本工作選取T（0，1）模態(tài)作為檢測模態(tài)，激勵(lì)信號頻率為64kHz。

2 結(jié)果與討論

2.1 回波圖像分析

圖5為P1管導(dǎo)波回波圖像，對其中反射回波強(qiáng)度（回波與發(fā)射信號幅度的比值）超過2%的各反射信號進(jìn)行標(biāo)定。圖5中T位置與EP位置對應(yīng)圖3（a）中的支管與管頂?shù)拇笮☆^。在支管下方，距線圈-1.0m處，另一個(gè)大小頭在圖中并未發(fā)現(xiàn)回波信號的存在，這主要是因?yàn)?0.4m處的支管尺寸較大，對導(dǎo)波信號產(chǎn)生的阻擋與分流，并且導(dǎo)致波包分解和發(fā)散［9-10］，只有少部分原始模態(tài)的測試信號能夠到達(dá)大小頭位置，而大小頭產(chǎn)生的回波信號在返回過程中，再一次受到支管的阻擋，使得線圈接收到的反射信號幾乎可以忽略不計(jì)。

圖5 P1管回波圖像

P1管中測試起點(diǎn)正方向，回波波形呈幅度高低不均的草狀回波形態(tài)，這與管道產(chǎn)生腐蝕缺陷的波形吻合［11］，D1位置無其他管道結(jié)構(gòu)特征，為疑似缺陷信號。

圖6為P2管導(dǎo)波回波圖像，圖中兩處EP位置分別對應(yīng)管道兩端的兩個(gè)大小頭。D1，D2，D3為三處疑似缺陷信號。沿檢測正方向，信號強(qiáng)度在整體上呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，各缺陷信號之間，分布著強(qiáng)度值低于2%的草狀回波。

圖6 P2管回波圖像

測試的負(fù)方向，大小頭EP左側(cè)，回波表現(xiàn)為一系列強(qiáng)度在5%附近的反射信號，在整個(gè)長度方向上較為均勻，此區(qū)間范圍內(nèi)的支管、支架等結(jié)構(gòu)都未能在回波圖像上反映出來，這是因?yàn)閷?dǎo)波信號在穿過大小頭時(shí)，管道結(jié)構(gòu)尺寸在整個(gè)管道周向發(fā)生突變，導(dǎo)致導(dǎo)波模態(tài)分解和波形發(fā)生轉(zhuǎn)變，各模態(tài)信號傳播速度不同，系統(tǒng)不能鑒別真實(shí)的缺陷回波信號，使得跨過大小頭的區(qū)域，成為導(dǎo)波檢測的盲區(qū)。

2.2 缺陷驗(yàn)證與分析

拆除管道保溫層，對P1與P2管的疑似缺陷位置進(jìn)行驗(yàn)證。如圖7（a），P1管狀況較好，表面僅有輕微銹蝕現(xiàn)象，對應(yīng)回波信號圖7中的D1位置，在管道上發(fā)現(xiàn)一處腐蝕凹坑，寬5mm，深度約為2mm。P2管表面則發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕，圖7（b）中虛線圈注位置為3處明顯的腐蝕減薄區(qū)域，分別對應(yīng)圖6中的D1，D2，D3三處位置。記錄各腐蝕缺陷位置與回波強(qiáng)度，測量P2管三處腐蝕減薄區(qū)域周向最大長度與剩余厚度（周向多點(diǎn)測量取平均值），估算管道周向腐蝕減薄率，結(jié)果見表1。

圖7 缺陷驗(yàn)證

表1 P2管反射信號分析

由表中數(shù)據(jù)可知，在導(dǎo)波的有效檢測范圍內(nèi)，管道上的腐蝕缺陷在回波圖像上都得到了反映，缺陷回波位置準(zhǔn)確對應(yīng)了真實(shí)缺陷距探頭的距離。采用T（0，1）模態(tài)的導(dǎo)波檢測，回波強(qiáng)度的大小與管道周向腐蝕減薄率密切相關(guān)［12］，而表1中缺陷的回波強(qiáng)度與腐蝕減薄率卻無這種對應(yīng)關(guān)系，D1與D3兩處缺陷具有相近的腐蝕減薄率，但D3對應(yīng)的回波強(qiáng)度僅為D1的一半，這主要是P2上附著較厚的腐蝕層，導(dǎo)波信號在管道表面腐蝕產(chǎn)物的吸收作用下，產(chǎn)生明顯的衰減，以致回波強(qiáng)度大大降低。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果討論

導(dǎo)波檢測過程中，線圈通過接收缺陷反射信號，對缺陷進(jìn)行定位。支管連接、大小頭、等管道結(jié)構(gòu)都將對導(dǎo)波的傳播產(chǎn)生影響，導(dǎo)波波包在受到阻擋的同時(shí)，還會發(fā)生模態(tài)的轉(zhuǎn)變與分解，使得此后的區(qū)域成為導(dǎo)波檢測盲區(qū)，回波圖像不能真實(shí)反映管道的缺陷狀況。管道腐蝕缺陷在導(dǎo)波回波圖像上表現(xiàn)為錐狀或齒狀的草波形態(tài)，管道上附著的腐蝕層對導(dǎo)波信號有較強(qiáng)的吸收作用，腐蝕情況越嚴(yán)重的管道，檢測有效距離越短。

檢測前了解待檢管道的結(jié)構(gòu)，有助于快速識別缺陷信號；超聲導(dǎo)波一般只能對管道腐蝕缺陷進(jìn)行定位與簡單的定量，不能進(jìn)行定性分析，檢測過程中應(yīng)采用其他常規(guī)無損檢測手段，如渦流、超聲等對缺陷進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)論

（1）超聲導(dǎo)波無損檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在不拆除保溫層的條件下，對整條管道腐蝕缺陷進(jìn)行快速檢測，缺陷定位準(zhǔn)確。

（2）導(dǎo)波信號在穿越支管、大小頭等管道結(jié)構(gòu)突變處，波包會發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)變與分解，使得此后的區(qū)域成為導(dǎo)波檢測盲區(qū)，回波圖像不能真實(shí)反映管道的缺陷狀況。腐蝕缺陷信號在導(dǎo)波回波圖像上呈現(xiàn)錐狀或齒狀的草波形態(tài)，隨著測試距離的增加，導(dǎo)波信號在腐蝕層的吸收作用下迅速衰減，導(dǎo)波回波信號強(qiáng)度降低。

（3）采用超聲導(dǎo)波檢測方法對疑似缺陷進(jìn)行定位，并結(jié)合其他無損檢測手段，如超聲、渦流等進(jìn)行復(fù)檢與驗(yàn)證，是實(shí)現(xiàn)管道腐蝕缺陷檢驗(yàn)與評價(jià)最佳的方式。

［1］吳順寶.空調(diào)系統(tǒng)冷凍水管道凝漏淺析［J］.廣東科技：2007，170（3）：296-297.

［2］張俊哲.無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用（第二版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［3］Kwun H，Kim S Y，Light G M.The magnetostrictive sensor technology for long-range guided-wave testing and monitoring of structures［J］.Mater Eval，2003，61（1）：80-84.

［4］孫士彬，孫乾耀.采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對埋地管道進(jìn)行腐蝕缺陷的檢測［J］.無損探傷，2007，31（4）：6-9.

［5］Ajay Raghavan，Carlos E S Cesnik.Review of guidedwave structural health monitoring［J］.The Shock and Vibration Digest，2007，39（1）：91-114.

［6］他得安，劉鎮(zhèn)清，賀鵬飛.管材超聲檢測中導(dǎo)波模式及頻厚積的選擇［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32（5）：696-700.

［7］Kwun H，Keith A B，Dynes C.Dispersion of longitudinal waves propagating in liquid-filled cylindrical shells［J］.Acoustical Society of America，1999，105（5）：2601-2611.

［8］Kwun H，Kim S Y，Choi M S，et al.Torsional guidedwave attenuation in coal-tar-enamel-coated，buried piping［J］.NDT＆E International，2004，37（3）：663-665.

［9］Wilcox P，Lowe M，Cawley P.The effect of dispersion on long-range inspection using ultrasonic guided waves［J］.NDT＆E International，2001，34（1）：1-9.

［10］Demma A，Cawley P，Lowe M J S.The reflection of the fundamental torsional mode from cracks and notches in pipes［J］.J Acoust Soc Am，2003，36（1）：114-115.

［11］蔡國寧，章炳華，嚴(yán)錫明.超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測管道腐蝕的波形特征與識別［J］.無損檢測，2007，29（7）：372-374，381.

［12］鐘豐平，葉宇峰，程茂，等.超聲導(dǎo)波對不同類型管道腐蝕檢測的適用性研究［J］.壓力容器，2009，26（2）：11-15.