管道低頻導(dǎo)波檢驗(yàn)技術(shù)

張伯瑩　王羽楠

摘要：低頻超聲導(dǎo)波檢驗(yàn)技術(shù)是近年來提出來的一項(xiàng)管線缺失檢測(cè)的新興技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)管道的長距離面檢測(cè)有著重要的意義，通過對(duì)超聲導(dǎo)波技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及檢驗(yàn)機(jī)理的分析研究，論證低頻超聲導(dǎo)波技術(shù)在管道檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)及局限性。

關(guān)鍵詞：低頻超聲導(dǎo)波；管道檢驗(yàn)；截面缺陷損失

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）11-0083-02

低頻超聲導(dǎo)波檢驗(yàn)技術(shù)是近年來提出來的一項(xiàng)管線缺失檢測(cè)的新興技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)管道的長距離面檢測(cè)有著重要的意義，本文旨在論述低頻超聲導(dǎo)波技術(shù)在管道檢驗(yàn)中的工作原理和應(yīng)用技術(shù)。

1 國內(nèi)外技術(shù)概況

國外對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)方面的研究很重視，起步較早，可以追溯到19世紀(jì)后期20世紀(jì)早期，英、美、加、日、德等國的對(duì)超聲導(dǎo)波在激勵(lì)及傳播的機(jī)理和信號(hào)的處理技術(shù)，特別是超聲導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)件里的傳播機(jī)理及與特征信號(hào)相互作用的機(jī)理方面進(jìn)行了深入研究，取得了一定的成果，并在管道檢驗(yàn)實(shí)用性檢驗(yàn)技術(shù)方面取得了突破。目前，世界上用于管道缺陷檢測(cè)的超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)主要有兩種：一種是以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的多晶片探頭卡環(huán)式超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，是英國帝國大學(xué)的研究成果，主要產(chǎn)品有兩家：英國導(dǎo)波公司（GUL）公司的WaveMarker和英國焊接研究所（TWI）下屬的PI公司的Teletest；另一種是以鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)為基礎(chǔ)的條帶式MsS超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，是由位于美國德克薩斯州的美國西南研究院（SwRI）研發(fā)。這兩種超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用了相同的原理：激發(fā)出來的都是機(jī)械彈性超聲導(dǎo)波，都能夠沿著一定幾何結(jié)構(gòu)快速傳播，并被結(jié)構(gòu)邊界所約束。只是在信號(hào)激勵(lì)方式上有所不同。

而國內(nèi)對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，也沒有相應(yīng)成型的儀器或設(shè)備，但近年來在許多學(xué)者的努力下，國內(nèi)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究已取得了一定進(jìn)展。何存富、李衍等對(duì)超聲導(dǎo)波在管道中的檢測(cè)進(jìn)展進(jìn)行了綜述，對(duì)國內(nèi)學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)和研究起到了一定的促進(jìn)作用。何存富等對(duì)縱向模態(tài)在管道中的傳播特性及缺陷檢測(cè)進(jìn)行了研究。他得安等研究了傳播距離對(duì)管道中超聲導(dǎo)波傳播特性的影響。由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出，中國特檢驗(yàn)院、華中科技大學(xué)起草的導(dǎo)波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)《無損檢測(cè)磁滯伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法》（GB-20090011-T-469）已經(jīng)通過中國無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)審核，即將發(fā)布實(shí)施。

2 低頻超聲導(dǎo)波檢驗(yàn)機(jī)理

通過對(duì)導(dǎo)波頻散曲線的研究，導(dǎo)波在管道中傳播，具有多種模態(tài)，對(duì)管道檢驗(yàn)有實(shí)際效用的有以下三種：縱向模態(tài)：L（0，m）、扭轉(zhuǎn)模態(tài)：T（0，m）、彎曲模態(tài)：

F（n，m）。

在設(shè)備激勵(lì)下發(fā)出的超聲導(dǎo)波信號(hào)，可以是一種模態(tài)或者是多種模態(tài)的組合，在傳播過程中，如果管道壁厚發(fā)生改變，將會(huì)有一部分能量反射回設(shè)備傳感器。其他能量繼續(xù)傳播，直到損耗完。在管道檢驗(yàn)過程中，最主要的壁厚變化來自于焊縫和腐蝕，聲波遇到這些變化后，會(huì)發(fā)生散射，導(dǎo)致聲波的模態(tài)和頻率都會(huì)發(fā)生變化，并通過反射，將這些變化的信號(hào)反饋到檢驗(yàn)設(shè)備，通過分析反射聲波信號(hào)的變化，包括頻率變化、曲線變化，可以判斷壁厚損失量，從而確定缺陷的位置和大小等信息。通常，檢驗(yàn)儀器的探頭是覆蓋整個(gè)管道截面的徑向區(qū)域，并沿軸向傳播，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管道的全面檢測(cè)。

研究人員在對(duì)頻散曲線的分析發(fā)現(xiàn)，頻率為70kHz的軸對(duì)稱的縱向模態(tài)L（0，2），具有傳播速度快、傳播過程中能量泄露少且傳播距離遠(yuǎn)、具有非頻散的特性，可以被用作管道缺陷檢測(cè)。同時(shí)，對(duì)于扭轉(zhuǎn)模態(tài)T（0，1），是比較特殊的傳播模態(tài)，速度不會(huì)隨著頻率的變化而變化，是非頻散的，也用于管道缺陷檢測(cè)。

對(duì)于L波模式測(cè)量中，發(fā)射L（0，2）波，遇到管道中壁厚局部有變化的時(shí)候（即管道產(chǎn)生金屬損失時(shí)），就會(huì)返回F（1，3）波；在T波模式測(cè)量中，發(fā)射T（0，1）波，遇到管道中壁厚局部有變化的時(shí)候（即管道產(chǎn)生金屬損失時(shí)），就會(huì)返回F（1，2）波。通過檢測(cè)F（1，3）波、F（1，2）波的信號(hào)大小，根據(jù)L（0，2）波和T（0，1）波的傳播速度，即可確定缺陷的位置和大小，如圖1

所示。

在實(shí)際管道的檢測(cè)中，焊縫、法蘭、腐蝕是管道中存在的幾個(gè)重要特征，其中，其對(duì)于低頻導(dǎo)向超聲波產(chǎn)生的影響使周向的壁厚增加，因此會(huì)返回L（0，2）波，即軸對(duì)稱模式的波，在圖中用黑色信號(hào)線表示；同時(shí)伴隨生成幅值較低的T（1，3）波，即扭轉(zhuǎn)模式波。根據(jù)在周向不同位置分布的探頭接受的波形信號(hào)，又可分為垂直扭轉(zhuǎn)波模式和水平扭轉(zhuǎn)波模式。如果在一個(gè)位置接受到高的垂直扭轉(zhuǎn)波，則表示在垂直方向上有金屬損失；反之接受到高的水平扭轉(zhuǎn)波，則表示在水平方向上有金屬損失。如果遇到了一個(gè)類似焊縫的強(qiáng)高波信號(hào)，則表示所有的超聲波全部反射了回來，即遇到了法蘭。

3 低頻超聲導(dǎo)波檢驗(yàn)精度定義

超聲波檢測(cè)都是相對(duì)量，低頻導(dǎo)向超聲波測(cè)量的也是一個(gè)相對(duì)量。在這里，低頻導(dǎo)向超聲波的檢測(cè)精度定義為截面缺陷損失率，即截面積內(nèi)金屬損失的總和占總體截面積的百分比：缺陷損失率%=100（A1+A2+A3+A4）/πDt。

從這里可以看出，低頻導(dǎo)向超聲波檢測(cè)的是總體截面積內(nèi)金屬損失總和的百分比，因此不能區(qū)分是內(nèi)表面缺陷還是外表面缺陷。

需要指出的是：目前低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的作用是提供一種快速的掃描手段，快速、準(zhǔn)確地對(duì)缺陷進(jìn)行定位，從而改變以往檢測(cè)作業(yè)的盲目性。但是不能提供壁厚損失的直接數(shù)據(jù)，因此我們討論的精度是對(duì)缺陷的發(fā)現(xiàn)能力以及對(duì)存在位置定位的精確度。

根據(jù)上述公式計(jì)算，50%t（t表示管線壁厚）、面積為D/2×D/2（D表示管線直徑）的缺陷損失率約為9%；50%t、面積為3t×3t的缺陷損失率約為3%。

同時(shí)，測(cè)量精度還取決于缺陷的深度和面積，這是由于管道橫截面面積的降低會(huì)影響導(dǎo)向超聲波延管壁的傳播情況。

4 低頻導(dǎo)波檢驗(yàn)技術(shù)在管道檢驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)及局限性

低頻導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)腐蝕等體積型缺陷中有著很大優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)管道100%的全面快速面掃查，具有檢出率高、適應(yīng)性面廣等特點(diǎn)，具有廣泛的開發(fā)應(yīng)用前景。

同時(shí)，低頻導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)有如下局限性：

（1）只能測(cè)量壁厚的相對(duì)變化量，不能得出壁厚的實(shí)際數(shù)值，需要借助其他方法進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）不能區(qū)分缺陷、損傷在管壁內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，也不能準(zhǔn)確定義缺陷的幾何尺寸等定量信息。

所以，低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)適合于對(duì)于管線狀態(tài)的整體狀態(tài)定性掃查，不能單獨(dú)使用，需要輔助以其他檢測(cè)方式共同進(jìn)行，如通過超聲波測(cè)后確定壁的厚實(shí)際厚度和腐蝕量，通過超聲波檢驗(yàn)，確定缺陷的具體形狀。

作為一項(xiàng)新技術(shù)，有關(guān)低頻超聲導(dǎo)波的理論特性和特性驗(yàn)證、有關(guān)導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)和缺陷信號(hào)的分析，是需要繼續(xù)研究和解決的問題。

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作者簡介：張伯瑩（1973—），男，河北人，供職于中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司，研究方向：海洋石油設(shè)施設(shè)備檢驗(yàn)；王羽楠（1980—），男，浙江人，供職于中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司，研究方向：無損檢驗(yàn)。

（責(zé)任編輯：劉 晶）