在用工業(yè)管道壁厚超聲檢測(cè)技術(shù)

錢(qián)宏亮，黃新超，郭振東，李濤，段凱，郭劍

（1.中電科信息產(chǎn)業(yè)有限公司，鄭州 450047；2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，鄭州 450008）

在用工業(yè)管道壁厚超聲檢測(cè)技術(shù)

錢(qián)宏亮1，黃新超2，郭振東1，李濤1，段凱1，郭劍1

（1.中電科信息產(chǎn)業(yè)有限公司，鄭州 450047；2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，鄭州 450008）

由于我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，工業(yè)管道數(shù)量越來(lái)越多，分布越來(lái)越廣，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)涉及管道安全運(yùn)行的檢測(cè)設(shè)備提出了越來(lái)越高的要求。在用工業(yè)管道剩余壁厚是判斷管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。為滿足工業(yè)管道剩余壁厚的檢測(cè)要求，各種新的檢測(cè)儀器不斷出現(xiàn)，特別是超聲測(cè)厚儀器，將電磁技術(shù)、激光技術(shù)與超聲技術(shù)交叉融合，研制出了電磁超聲測(cè)厚儀和激光超聲測(cè)厚儀。本文對(duì)壓電超聲、電磁超聲、激光超聲測(cè)厚儀的基本工作原理和管道壁厚測(cè)量的理論依據(jù)進(jìn)行了介紹，對(duì)這三類(lèi)儀器目前的技術(shù)水平和一些關(guān)鍵特性進(jìn)行了分析比較，總結(jié)展望了其技術(shù)發(fā)展方向。

工業(yè)管道；測(cè)厚儀；壓電超聲；電磁超聲；激光超聲

0 引言

工業(yè)管道被廣泛應(yīng)用于石化、電力、冶煉、造紙、制藥等各行各業(yè)中。工業(yè)管道在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，壁厚減薄是常見(jiàn)問(wèn)題。管道壁厚減薄降低了管道承載能力，增加了泄漏和爆炸的機(jī)會(huì)，影響管道的完整性及安全運(yùn)行。為保證管道的安全運(yùn)行，我國(guó)制定了《在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程》，把在用工業(yè)管道剩余壁厚的測(cè)量作為一個(gè)必檢項(xiàng)目。

現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)非破壞性厚度測(cè)量技術(shù)中，應(yīng)用了射線，激光，渦流、超聲、電磁等一系列檢測(cè)技術(shù)[1-6]，這些技術(shù)為各行業(yè)特定場(chǎng)合的在線厚度測(cè)量提供了有效的檢測(cè)手段。對(duì)于在用工業(yè)管道壁厚的檢測(cè)，由于其工藝流程種類(lèi)繁多，分布縱橫交錯(cuò)，運(yùn)行環(huán)境空間狹小，傳感器或檢測(cè)儀器難于雙面布置等原因，要求檢測(cè)設(shè)備精確、便攜和高效率。目前可選擇的較理想檢測(cè)方法有：漏磁法、脈沖渦流法、TEM（瞬變電磁）法和超聲波法[7，8]。這幾項(xiàng)技術(shù)中，壓電超聲波測(cè)厚法使用最廣，發(fā)展迅速。常見(jiàn)的脈沖式壓電超聲測(cè)厚儀，技術(shù)成熟，檢測(cè)精度高，成為在用工業(yè)管道壁厚測(cè)量的主流設(shè)備。另外，為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高溫、非接觸等檢測(cè)要求，超聲技術(shù)和電磁技術(shù)、激光技術(shù)結(jié)合，又衍生出電磁超聲測(cè)厚儀和激光超聲測(cè)厚儀。近幾年，這三種技術(shù)和相應(yīng)的儀器水平都有了很大的變化，分析比較這三種超聲儀器的基本原理、發(fā)展水平和應(yīng)用效果，有助于讀者理解和選擇合適的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器和提高檢測(cè)效率。

1 在用工業(yè)管道超聲測(cè)厚儀技術(shù)

1.1 壓電超聲測(cè)厚儀

壓電超聲波測(cè)厚儀利用壓電效應(yīng)激發(fā)超聲波，可采用脈沖反射法、共振法、蘭姆波法來(lái)進(jìn)行厚度測(cè)量[9]。對(duì)于管道壁厚測(cè)量，脈沖反射法是主流，凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測(cè)量。

當(dāng)探頭發(fā)射的脈沖超聲波通過(guò)被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，一部分超聲波被分界面反射回探頭，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中的傳播時(shí)間，就可以按下式計(jì)算材料的厚度。

式中：H－測(cè)量厚度；v－材料聲速；t－超聲波在試件中往返一次的傳播時(shí)間。

在用承壓管道剩余壁厚的檢驗(yàn)結(jié)論具有相應(yīng)的法律效應(yīng)，是設(shè)備安全運(yùn)行過(guò)程中的重要部分，而厚度測(cè)量精度對(duì)在用承壓管道的檢驗(yàn)結(jié)論決定性的影響[10]。因此，對(duì)測(cè)厚儀的檢測(cè)精度，提出了越來(lái)越高的要求。要提高超聲測(cè)厚儀的檢測(cè)精度，從式（1）可知，提高時(shí)間分辨率和計(jì)時(shí)精度就可以提高脈沖式壓電超聲測(cè)厚儀的測(cè)量分辨率和測(cè)量精度。目前，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)間分辨率已達(dá)到皮秒量級(jí)。例如德國(guó)ACAM公司的TDC-GP21芯片，其時(shí)間測(cè)量范圍從500ns到4ms，單通道90ps測(cè)量精度[11]，以鋼中超聲縱波速度5900m/s計(jì)算，對(duì)應(yīng)的厚度測(cè)量分辨率理論上可達(dá)到0.266微米。實(shí)際應(yīng)用中，由于聲速的校準(zhǔn)誤差、表面粗糙度、材料多相性等影響測(cè)量精度的因素較多[12-15]，大多數(shù)儀器廠家只給出測(cè)量分辨率或顯示精度。

在近十幾年間，國(guó)內(nèi)外許多廠家先后推出過(guò)幾十種產(chǎn)品，表1是國(guó)內(nèi)外幾款典型的高精度壓電超聲測(cè)厚儀的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

表1 精密超聲測(cè)厚儀關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Precision ultrasonic thickness gauge key technical parameters table

壓電超聲測(cè)厚儀測(cè)量范圍寬、誤差小，適合測(cè)量金屬、塑料、陶瓷、玻璃及其他任何超聲波良導(dǎo)體的厚度。其局限在于需要耦合劑，接觸測(cè)量，難以檢測(cè)表面粗糙和有防腐層的管道。對(duì)于高溫管道的測(cè)量，現(xiàn)在已有標(biāo)稱可測(cè)500℃的探頭和耦合劑，實(shí)際使用中，對(duì)于溫度在350℃以上的在用管道，由于壓電晶片和耦合劑的不穩(wěn)定性，容易導(dǎo)致壓電超聲儀器讀數(shù)不穩(wěn)定甚至錯(cuò)誤，難以實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量[16-19]。

1.2 電磁超聲測(cè)厚儀

電磁超聲（EMA）與傳統(tǒng)的壓電超聲同屬于超聲范疇，是近年來(lái)國(guó)際上快速發(fā)展的一項(xiàng)檢測(cè)手段。電磁超聲產(chǎn)生的機(jī)理是：使用靜態(tài)磁場(chǎng)和交流線圈，使金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，致其表面產(chǎn)生渦流，渦流在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，產(chǎn)生高頻振動(dòng)彈性波；與此相反，返回聲壓使質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生交變電流，導(dǎo)致被測(cè)體的表層又出現(xiàn)交變的磁場(chǎng)，在交變磁場(chǎng)作用下，線圈兩端的電壓發(fā)生變化，通過(guò)接收裝置檢測(cè)電壓變化，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)[20-22]。在電磁超聲檢測(cè)中，被測(cè)物體是電磁超聲傳感器的一部分，必須是電導(dǎo)體或磁導(dǎo)體。若被測(cè)物體是鐵磁性材料，除洛侖茲力外，還受到磁致伸縮力的作用。使用永磁鐵和螺旋線圈組合，可以激發(fā)垂直于檢測(cè)面的脈沖超聲橫波[5，18]。電磁超聲測(cè)厚儀就是利用該原理，使用電磁超聲探頭（EMAT）取代壓電探頭，采用式（1）進(jìn)行厚度測(cè)量[23，24]。

電磁超聲探頭（EMAT）由磁鐵、發(fā)射接收線圈、被測(cè)導(dǎo)體三部分構(gòu)成。與壓電探頭比較，使用EMAT進(jìn)行管道壁厚檢測(cè)，其突出優(yōu)點(diǎn)是不需要耦合劑，可以非接觸測(cè)量，特別適合高溫檢測(cè)及自動(dòng)化檢測(cè)，測(cè)量精度和穩(wěn)定性受涂層、污染物，粗糙表面的影響很小。其缺點(diǎn)是僅可用于導(dǎo)電導(dǎo)磁材料，超聲波的激發(fā)和接收效率比較低，回波信號(hào)信噪比差，信號(hào)處理電路比壓電超聲測(cè)厚儀復(fù)雜，儀器體積較大。

為了提高電磁超聲測(cè)厚儀的信噪比，需對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換，通過(guò)數(shù)字濾波和自相關(guān)算法獲得穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果[18]。電磁超聲測(cè)厚儀的測(cè)量分辨率取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣率，比如，采用100MHz的A/D轉(zhuǎn)換器件，其采樣時(shí)間間隔為10ns，電磁超聲探頭激發(fā)的超聲波為橫波，常溫下在鋼中的傳播速度為3200m/s，對(duì)應(yīng)的厚度測(cè)量分辨率為0.016mm。要獲得更高的測(cè)量分辨率，就要進(jìn)行更高頻率的A/D轉(zhuǎn)換。

國(guó)外推出電磁超聲測(cè)厚儀的典型公司有烏克蘭SSE公司、德國(guó)Nordinkraft公司、美國(guó)Innerspec公司；國(guó)內(nèi)能夠提供此類(lèi)產(chǎn)品的典型廠家有廣東汕頭超聲電子股份有限公司、中電科信息產(chǎn)業(yè)有限公司、武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司。表2列舉出國(guó)內(nèi)外幾款電磁超聲測(cè)厚儀的一些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

表2 電磁超聲測(cè)厚儀關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)表（表中H是工件厚度）Tab.2 Electromagnetic ultrasonic thickness gauge technical parameters table （H is the thickness）

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，電磁超聲對(duì)在用金屬管道的高溫檢測(cè)效果突出，能很好的解決高溫金屬管道壁厚測(cè)量問(wèn)題[18]。目前，電磁超聲測(cè)厚儀在工業(yè)管道檢測(cè)中逐步得到推廣應(yīng)用。

1.3 激光超聲測(cè)厚儀

激光超聲就是利用高能激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，在被照射物體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，形成應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)，使粒子產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。超聲振動(dòng)的光學(xué)檢測(cè)方法有非干涉儀技術(shù)型和干涉儀技術(shù)型，其本質(zhì)是檢測(cè)超聲振動(dòng)引起的檢測(cè)激光束頻率、相位、強(qiáng)度或方向的變化，從而獲取工件信息，比如工件厚度、內(nèi)部及表面缺陷，材料參數(shù)等等[25-27]。

德國(guó)的Keck等使用非接觸激光超聲檢測(cè)技術(shù)，在熱軋無(wú)縫鋼管（管長(zhǎng)5.5～12m，溫度1230℃，延伸速度2m/s）生產(chǎn)線上成功地進(jìn)行了管坯壁厚均勻性的在線檢測(cè)，檢測(cè)范圍在15～25mm[25]。美國(guó)Bossa Nova Technologies公司推出的QUARTET LTG激光超聲測(cè)厚儀，測(cè)厚精度優(yōu)于0.01mm。中國(guó)石油天然氣管道通信電力工程總公司的楊依光等設(shè)計(jì)研制了可同時(shí)檢測(cè)管道焊縫缺陷和壁厚的雙波混合干涉超聲檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試厚度為20.04 mm鋼管試塊，檢測(cè)誤差為0.11 mm[28]，可通過(guò)軟件修正其系統(tǒng)誤差，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

激光超聲厚度測(cè)量設(shè)備因其檢測(cè)速度高，可遠(yuǎn)距離非接觸測(cè)量、空間分辨率和時(shí)間分辨率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別適合于惡劣環(huán)境條件下的在用管道檢測(cè)、快速超聲掃描成像等場(chǎng)合。不過(guò)，激光超聲測(cè)量設(shè)備目前也存在著系統(tǒng)復(fù)雜、檢測(cè)范圍小、體積大、造價(jià)高等一系列缺點(diǎn)。激光超聲技術(shù)應(yīng)用于在用管道檢測(cè)，還有諸多問(wèn)題需要解決。國(guó)內(nèi)外目前尚無(wú)成熟易用的激光超聲測(cè)厚設(shè)備。

2 超聲測(cè)厚儀比較

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，工業(yè)管道牽涉的行業(yè)越來(lái)越多，范圍越來(lái)越廣，數(shù)量龐大。另一方面，諸如石化、電力、冶煉等行業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，管道工作溫度范圍跨度大，作業(yè)危險(xiǎn)程度高。這些因素促使市場(chǎng)對(duì)超聲測(cè)厚儀器提出了更高的要求。綜合來(lái)看，壓電超聲技術(shù)的進(jìn)步，滿足了高檢測(cè)精度的要求，電磁超聲技術(shù)則達(dá)到了高精度、寬的溫度檢測(cè)范圍和非接觸測(cè)厚的要求，激光超聲的發(fā)展前景非常誘人，未來(lái)可滿足精確、快速、長(zhǎng)距離非接觸的厚度檢測(cè)要求。表3是對(duì)這三類(lèi)超聲測(cè)厚儀一些主要特性的分析對(duì)比。

表3 超聲類(lèi)測(cè)厚儀主要特性對(duì)比表Tab.3 Ultrasonic Thickness Gauge main features comparison table

從表3可以看出，三類(lèi)儀器各有優(yōu)缺點(diǎn)，但電磁超聲測(cè)厚儀綜合優(yōu)勢(shì)比較明顯。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和檢測(cè)對(duì)象選擇合適的測(cè)厚儀器。對(duì)于無(wú)毒無(wú)害環(huán)境和表面不粗糙的常溫管道，優(yōu)選壓電類(lèi)超聲測(cè)厚儀；對(duì)于高溫管道、表面粗糙或有防腐層的金屬管道，可選擇電磁超聲測(cè)厚儀；對(duì)于有害人體健康的環(huán)境（高溫、射線、有害氣體等）而又必須對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可定制特定用途的激光超聲測(cè)厚儀來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

3 結(jié)論與展望

目前，管道壁厚超聲檢測(cè)儀器的分辨率已達(dá)到微米級(jí)，許用檢測(cè)管道溫度可達(dá)600℃以上，非接觸檢測(cè)距離也越來(lái)越大，已越來(lái)越多的滿足了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。但是，受聲速設(shè)定的影響，相同的儀器，不同的操作者，會(huì)得到不同的檢測(cè)精度。另外，管道壁厚超聲檢測(cè)儀的智能化和自動(dòng)化水平還有待提高，以減輕現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高檢測(cè)效率。上述問(wèn)題及其它市場(chǎng)需求，會(huì)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和儀器的進(jìn)一步發(fā)展，筆者認(rèn)為，未來(lái)幾年其發(fā)展趨勢(shì)也主要體現(xiàn)在技術(shù)和產(chǎn)品方面。

首先是超聲技術(shù)借助材料及加工制造技術(shù)的發(fā)展成果，不斷提高探頭的轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境適應(yīng)性；借助電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展成果，不斷提高儀器的檢測(cè)能力、智能化或自動(dòng)化水平。其次是將其它技術(shù)與超聲技術(shù)交叉融合和多傳感技術(shù)綜合運(yùn)用，共同解決管道壁厚檢測(cè)中難題。例如，使用激光、電磁、壓電等技術(shù)激發(fā)超聲波，再使用同類(lèi)技術(shù)接收超聲波。另外也可以使用相異的技術(shù)接收超聲波。

還有一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是管道壁厚超聲檢測(cè)儀的多功能化。比較突出的是電磁超聲測(cè)厚儀，不僅可以使用電磁超聲探頭，也可以使用壓電超聲探頭來(lái)測(cè)量厚度，同時(shí)具備波形顯示能力，實(shí)現(xiàn)部分探傷功能。隨著其性價(jià)比的不斷提高，必將受到越來(lái)越多的用戶青睞。

縱觀超聲厚度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)交叉融合，超聲波激發(fā)技術(shù)和傳感檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越豐富多彩。相信今后新的管道壁厚檢測(cè)技術(shù)還會(huì)不斷涌現(xiàn)，新的測(cè)厚儀器會(huì)更好的滿足市場(chǎng)需求。

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In-use industrial Pipeline Ultrasonic Thickness Measuring Technology

QIAN Hong-liang1, HUANG Xin-chao2, GUO Zheng-dong1, LI Tao1, DUAN Kai1, GUO Jian1
(1. China Electronics Technology Information Industry Co. Ltd, Zhengzhou 450047, China; 2. Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing, Zhengzhou 450008, China)

Because of the rapid development of industrialization in China, more and more industrial pipelines are being distributed, and more and more requirements are put forward for the testing equipment involved in pipeline safe operation. The residual wall thickness of the industrial pipeline is the key parameter to judge the safe operation of the pipeline. In order to meet the requirements of the detection of the residual wall thickness of industrial pipes, a variety of new detection instruments are emerging, especially the ultrasonic thickness measuring instrument, the electromagnetic technology, laser technology and ultrasonic technology cross fusion, developed the electromagnetic ultrasonic thickness gauge and laser ultrasound Thickness gauges. This article on piezoelectric ultrasonic, electromagnetic ultrasonic, laser-ultrasonic thickness gauge the basic principle and theoretical basis of pipe wall thickness measurements were introduced, the current technical level and some key application characteristics of these three types of instruments are analyzed and compared, and the technology development direction is summarized.

Industrial pipeline; Thickness gauges; Piezoelectric ultrasound; Electromagnetic ultrasound; Laser ultrasound

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.010

:QIAN Hong-liang, HUANG Xin-chao, GUO Zheng-dong, et al. In-use industrial Pipeline Ultrasonic Thickness Measuring Technology[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 53-58.

錢(qián)宏亮（1968-），男，高級(jí)工程師，主要從事超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用工作；黃新超，男，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)教育培訓(xùn)和科研工作；郭振東，男，工程師，主要科研方向：材料加工與制造技術(shù)；李濤，男，工程師，主要科研方向：模擬信號(hào)處理；段凱，男，工程師，主要科研方向：數(shù)字信號(hào)處理；郭劍，男，工程師，主要科研方向：軟件設(shè)計(jì)和算法研究

本文引用格式：錢(qián)宏亮，黃新超，郭振東，等.在用工業(yè)管道壁厚超聲檢測(cè)技術(shù)[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（12）：53-58.