基于超聲導(dǎo)波的水下管道缺陷檢測

范 忠，張紅梅

（臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

水下管道和海上豎管是海上石油和天然氣生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施。由周圍海水和管道內(nèi)容物造成的管道腐蝕是最嚴(yán)重的問題之一。為了保證這些管道的安全，亟需合適的技術(shù)來定期檢查海上管道的完整性。

由潛水員和水下機(jī)器人（ROV）進(jìn)行的水下管道檢查非常傳統(tǒng)[1]，但仍然十分有用。雖然人眼的識別、理解和分析能力十分重要，但是不能檢查管道內(nèi)部的缺陷，這需要一定的經(jīng)驗(yàn)。磁粉檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于檢測水下管道的表面斷裂[2]。然而，這項(xiàng)技術(shù)需要由潛水員實(shí)施，并且需要清理檢查區(qū)域。漏磁法被用于在線檢查，但是不能識別管壁厚度的漸變。超聲檢測是另外一種管道缺陷識別方法。這種方法適用于管壁厚度測量、焊縫檢查和內(nèi)容物及內(nèi)部腐蝕檢測。但是超聲檢測法也要由潛水員實(shí)施，而且由于檢測時(shí)間較長，經(jīng)濟(jì)性較差。除了超聲波檢測，使用在線檢查設(shè)備來測量管道的各種特征量也在管道行業(yè)獲得了持續(xù)的認(rèn)可[3]。這些設(shè)備用來為管道運(yùn)營商提供信息，例如管道缺陷的類型和位置。在線設(shè)備自行攜帶電池、錄音機(jī)和里程表，因此，這些設(shè)備的廣泛應(yīng)用常常由于海上管道的各種狀況而遇到挑戰(zhàn)。

超聲導(dǎo)波技術(shù)是一種用于管道檢查的無損檢測（NDE）方法，因?yàn)樗邆鋫鞑ゾ嚯x長、省時(shí)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得這項(xiàng)技術(shù)極具吸引力。幾十年來，很多學(xué)者都研究了導(dǎo)波測試技術(shù)和其在管道檢查領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。導(dǎo)波檢查系統(tǒng)由以下核心部件構(gòu)成：用于激勵(lì)和接收導(dǎo)波的傳感器陣列；用于把這些傳感器夾在管道上的固定裝置。有很多種具有應(yīng)用前景的傳感器技術(shù)，用于在管道中激發(fā)導(dǎo)波[5]。但是，在之前的技術(shù)中，現(xiàn)存的固定裝置不具備靈活性，這也就意味著不同直徑的管道檢查需要不同尺寸的固定裝置，這增加了檢查系統(tǒng)的成本。

在這項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)并制造了可拆式傳感器系統(tǒng)，產(chǎn)生超聲導(dǎo)波來檢驗(yàn)水下管道的安全性。首先，對導(dǎo)波在水下管道上的傳播特性進(jìn)行了理論分析，來為水下管道檢查選擇合適的導(dǎo)波類型；然后，生產(chǎn)和安裝了包括傳感器和固定裝置的傳感器系統(tǒng)。為了驗(yàn)證現(xiàn)有傳感器的性能，進(jìn)行了一系列的測試。最后，討論了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 頻散特性和模式選擇

1.1 理論背景

Gazis給出了各向同性圓管上的波傳播頻率方程的詳細(xì)推導(dǎo)。圓管有無限多個(gè)傳播模式，這些模式都是頻散的。這些模式叫做縱向模式（L（0，M））、扭轉(zhuǎn)模式（T（0，M））和撓曲模式（F（n，m）），n是周向階數(shù)，M 是模式數(shù)。 導(dǎo)波傳播特性被研究了很多年，包括中空的各向同性管道、充滿液體的管道和浸入液體的真空管道[4]。下面簡要回顧一下與此相關(guān)的研究。

如圖1所示一個(gè)無限長的充滿并浸入液體的管道。內(nèi)徑和外徑分別為a和b。如果這是一個(gè)各向同性的彈性體，縱向軸對稱自由振動位移可以由勢能分解所得到，即：

圖1 一個(gè)無限長的充滿并浸入液體的管道Fig.1 An infinite liquid-filled pipe surrounded by the liquid

其中，ur和 uz分別是徑向和軸向位移分量，Jn（x）和 Yn（x）分別是第一種和第二種階數(shù)n的巴塞爾（Bessel）函數(shù)。

管道內(nèi)和管道外液體的縱向軸對稱振動位移分量是：

管道外液體的振動位移分量可以重新寫成：

等式（1）～（6）中的常數(shù) A1，A2，B1，B2，C1 和 D1 是由管道的側(cè)向邊界條件決定的。考慮以下兩種情況：

1）浸入液體的真空管道：

2）浸入并充滿液體的管道：

其中，σrrσrz是管道上的應(yīng)力分量，和是液體中的應(yīng)力分量。為方程（7）或（8）得到了齊次方程組的6個(gè)常量A1，A2，B1，B2，C1和 D1。 方程組有解的充要條件是方程組系數(shù)行列式的值是零，這導(dǎo)出了導(dǎo)波的頻散方程。

1.2 頻散曲線

如圖2和圖3所示分別表示充滿并侵入無限水中的管道上傳播導(dǎo)波的縱向和扭轉(zhuǎn)模式相速度和群速度頻散曲線。

圖2 充滿并侵入水中的管道上傳播導(dǎo)波的縱向模式頻散曲線Fig.2 Dispersion curves of longitudinal mode corresponding to the guided waves propagating in the water－filled pipe surrounded by the water

與在真空中的真空管道上導(dǎo)波的頻散特性相比，有以下幾點(diǎn)不同：1）水下管道上的導(dǎo)波比真空管道上相同頻段的導(dǎo)波包括更多的模式，這就增加了激勵(lì)單一、純粹模式導(dǎo)波的難度；2）管道與其中液體的相互作用產(chǎn)生了水下管道上L（0，m）模式的導(dǎo)波，這一模式也可由真空管道上導(dǎo)波的“分裂”而獲得，這也意味著導(dǎo)波頻散特性更加嚴(yán)重；3）在低頻產(chǎn)生了一個(gè)新的模式，這一模式由水和管道的相互作用產(chǎn)生，記做α模式。Aristégui等人通過測量波速驗(yàn)證了這個(gè)模式的存在。關(guān)于α模式傳播特性的更多資料可以參見參考資料[6]。對于T（0，1）模式，如圖3所示，管道中的水對頻散特性幾乎沒有影響。

1.3 模式選擇

圖3 充滿并侵入水中的管道上傳播導(dǎo)波的扭轉(zhuǎn)模式頻散曲線Fig.3 Dispersion curves of torsional longitudinal mode corresponding to the guided waves propagating in the water-filled pipe surrounded by the water

為了簡化無損檢測中對接收信號的解析，非常需要激勵(lì)一個(gè)單一模式的波。事實(shí)上，在長距離檢測中，激勵(lì)一個(gè)無頻散頻段的模式是至關(guān)重要的，否則，隨著在結(jié)構(gòu)上的傳播，波包的形狀將會發(fā)生變化，信號的峰值也會朝著噪聲基底衰減。 在所有的導(dǎo)波模式里，L（0，2）和 T（0，1）是實(shí)際管道檢測中最具吸引力的模式，因?yàn)椋?）在寬頻帶上無頻散；2）容易激勵(lì)純粹的形式，并不產(chǎn)生任何彈性波；3）由于位移和應(yīng)變在管道壁厚度方向上是幾乎一致的，所以對于內(nèi)表面和外表面上的缺陷是同樣敏感的。

然而，如圖 2（b）所示，水下管道上的 L（0，2）模式高度頻散。也就是說，很難在水下管道上激勵(lì)單一的L（0，2）模式的導(dǎo)波。而且，L（0，2）模式在壁厚方向上存在徑向位移。徑向位移可以從管道上帶走能量，導(dǎo)致導(dǎo)波能量的損失，進(jìn)而縮短傳播距離。對于T（0，1）模式，如圖3所示，管道中的水對頻散特性幾乎沒有影響[6]。此外，由于液體不能承載剪切波，對于僅由剪切位移構(gòu)成的T（0，1）模式，是沒有能量泄露到液體中的。根據(jù)以上分析，T（0，1）是用于水下管道檢查最具吸引力的模式，本項(xiàng)工作將著重研究這一模式。

2 傳感器陣列制造和安裝

2.1 傳感器制造

T（0，1）模式導(dǎo)波是軸對稱的。它只存在周向位移分量，軸向和徑向位移分量是零。因此，激勵(lì)T（0，1）模式的導(dǎo)波要求傳感器陣列能夠在管道上加載軸對稱剪切載荷。剪切振動模式是壓電陶瓷振動模式之一。對于厚度剪切壓電陶瓷振子，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下：

圖4 厚度剪切模式壓電陶瓷振子Fig.4 Thickness shear mode piezoelectric ceramic vibrator

如公式（9）所示，振子在激勵(lì)狀態(tài)下，僅存在剪應(yīng)力T5和剪應(yīng)變S5。因此，傳感器利用厚度剪切模式壓電陶瓷作為敏感元件?？紤]到厚度剪切振子的生產(chǎn)工藝、在管道上的布局和傳感器尺寸等因素，振子通常的尺寸為長12.5 mm、寬3.5 mm和厚0.8 mm，極化方向沿寬度方向。厚度剪切振子的電極、極化方向、坐標(biāo)系和剪切振動如圖4所示。當(dāng)振子長度沿管道軸向時(shí)，頂部和底部將沿著相反的方向振動，繼而，管道將發(fā)生周向剪切位移，并產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模式。

振子是非常脆的，不能簡單地壓在管道上，所以下一步工作要把振子裝在一個(gè)實(shí)用、安裝簡單并且可拆卸的傳感器里。如圖5所示意性地說明了傳感器的構(gòu)造。傳感器由壓電元件、阻尼層、保護(hù)層、RF界面、鋼殼和必要的電線組成。阻尼層的作用是增加組件抗彎剛度，阻尼層的材料是加鎢環(huán)氧樹脂，這種材料被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)超聲傳感器的高阻尼背墊。保護(hù)層的材料是氧化鋁陶瓷，這種材料可以保護(hù)壓電元件，使其抗磨損，而且厚度和壓電元件相等。

2.2 固定裝置設(shè)計(jì)

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of transducer structure

設(shè)計(jì)固定裝置的目的是開發(fā)一種易于生產(chǎn)和安裝，并且適用于不同直徑管道的可拆式傳感器陣列。為了達(dá)到這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種新型傳感器固定裝置。這個(gè)固定裝置包括若干個(gè)用于傳感器安裝和定位的可拆式模塊。兩個(gè)模塊由銷軸相互連接，這樣，多個(gè)模塊彼此連接就形成了一個(gè)類似于鏈狀結(jié)構(gòu)的環(huán)狀傳感器陣列。每個(gè)模塊包括兩個(gè)傳感器，距離是一個(gè)T（0，1）模式波長的四分之一。通過增加或減少模塊的數(shù)量，可以用于不同直徑管道的檢查。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置和結(jié)果

用于水下管道檢查的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括具備防水功能的傳感器陣列和自動收發(fā)開關(guān)，這個(gè)開關(guān)的功能是在系統(tǒng)的發(fā)射和接收模式之間自動切換，不需要用到繼電器、功放和IPC，其中，IPC包括任意波形發(fā)生器和PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡。波形發(fā)生器觸發(fā)一個(gè)5周期、30.5 kHz的激勵(lì)信號，并由漢寧（Hanning）函數(shù)修改。接著，通過自動收發(fā)開關(guān)，激勵(lì)信號被送往數(shù)據(jù)采集卡和功率放大器。功率放大器把經(jīng)過放大的信號發(fā)送給傳感器，這時(shí)信號的峰間電壓達(dá)到了約200 V。然后，傳感器激發(fā)了T（0，1）模式的導(dǎo)波。當(dāng)信號被缺陷或管道端頭反射回來時(shí)，同樣的傳感器接收了反射信號。信號通過前級放大器被輸入到數(shù)據(jù)采集板上，前級放大器的增益通常被設(shè)置為20 dB。檢查系統(tǒng)的電源由UPS提供。

實(shí)驗(yàn)程序分為空中和水中兩個(gè)階段。在一個(gè)長3.3 m、外徑102 mm、壁厚6 mm的鋼管上，加工出兩處尺寸完全不同的周向缺陷，分別距離安裝在管道端頭的傳感器陣列1.9 m和2.9 m。這兩處缺陷部分減小了壁厚，橫截面積分別為壁厚的6.3%和4.7%。

如圖6（a）和（b）所示分別表示管道在空中和在5 m深的水中時(shí)，經(jīng)過30.5 kHz的T（0，1）模式數(shù)字濾波后的檢測信號。如圖6所示，信號明顯被缺陷反射，人為缺口的回波信號與缺口的尺寸和位置具有良好的相關(guān)性。管道在水中與在空中的測試結(jié)果幾乎相同，這意味著水并沒有影響T（0，1）模式導(dǎo)波的傳播特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。如果能減小跟蹤開始時(shí)的混響，就能提高整體的信噪比。接著，管道被下沉到另外一個(gè)深度。結(jié)果大體上沒有受到水深的影響。對于每個(gè)深度，管道端頭的回波被用作參照，與缺陷反射信號的幅值進(jìn)行對比。結(jié)果表明，深度增加對缺陷和管道端頭反射信號的比值幾乎沒有影響。

圖6 用30.5 kHz的T（0，1）模式檢測信號Fig.6 Detection signals using 30.5 kHz T（0，1）mode

4 結(jié) 論

在這項(xiàng)研究中，為檢測水下管道的腐蝕缺陷，設(shè)計(jì)并制造了利用超聲導(dǎo)波的可拆式傳感器系統(tǒng)。通過對水下管道上導(dǎo)波傳播特性進(jìn)行理論分析，選取了T（0，1）模式的導(dǎo)波用作水下管道檢查。對于實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了一種新型可拆式傳感器陣列。傳感器利用在寬度方向上極化的厚度剪切模式壓電陶瓷作為敏感元件。固定裝置包括若干由銷軸連接的可拆式模塊，多個(gè)模塊相互連接就形成了一個(gè)類似于鏈狀結(jié)構(gòu)的傳感器陣列環(huán)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器系統(tǒng)能夠在水下管道上有效地激勵(lì)和接收T（0，1）模式導(dǎo)波，并且，人為缺口的回波信號與缺口的尺寸和位置具有良好的相關(guān)性。對于空中測試和水中測試，缺陷檢測和定位結(jié)果并沒有顯著的差別。水深對測試結(jié)果也沒有影響。

[1]Goldberg L.Diversity in Underwater Inspection[J].Materials Evaluation，1996，54（3）:401-403.

[2]Mandal K，Dufour D，Krause T，et al.Investigations of magnetic flux leakage and magnetic barkhausen voise signal from pipe steel[J].J.Phys，1997，30（6）:962-973.

[3]Crump H M，Papenfuss S.Use of magnetic flux leakage inspection pigs for hard spot detection and repair[J].Materials Performance，1991，30（6）:26-28.

[4]Sinha B K，Plona T J，Kostek S，et al.Axisymmetric wave propagation in fluid-loaded sylindrical shells.I:Theory[J]，J.Acoust.Soc.Am，1992，92（2）:1132-1143.

[5]Lowe M J S，Alleyne D N，Cawley P.Defect detection in pipes using guided waves[J].Ultrasonics，1998，36:147-154.

[6]Demma A，Cawley P，Lowe M，et al.The reflection of fundamental torsional mode from cracks and notches in pipes[J].J.Acoust.Soc.Am.，2003，114（2）:611-625.