超聲導(dǎo)波技術(shù)在特種設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用

黃志巍

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410117）

超聲導(dǎo)波技術(shù)在特種設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用

黃志巍

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410117）

近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于各種具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，例如已經(jīng)成功融入到管道、板材等承壓特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中，有效控制了設(shè)備的檢測(cè)成本，同時(shí)還提升了設(shè)備檢測(cè)的工作效率，也提升了設(shè)備檢測(cè)的準(zhǔn)確性。以當(dāng)前特種設(shè)備檢測(cè)過(guò)程中超聲導(dǎo)波技術(shù)的發(fā)展情況為基礎(chǔ)，結(jié)合近年來(lái)工作開展的實(shí)際情況，對(duì)如何提升超聲導(dǎo)波技術(shù)的使用質(zhì)量加以闡述。

特種設(shè)備；設(shè)備檢測(cè)；超聲導(dǎo)波；應(yīng)用

特種設(shè)備是經(jīng)濟(jì)建設(shè)過(guò)程中十分重要的一個(gè)部分。特種設(shè)備檢測(cè)質(zhì)量在很大程度上會(huì)影響到特種設(shè)備的使用質(zhì)量以及特種設(shè)備相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈條的發(fā)展。將超聲成像系統(tǒng)應(yīng)用到特種設(shè)備檢測(cè)過(guò)程中，有效地探測(cè)出了壓力管道以及壓力容器、常壓石油儲(chǔ)罐底板等特種設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的損傷，極大地提升了檢測(cè)效率以及準(zhǔn)確性。下文將分別從不同的角度，結(jié)合某油田的情況，對(duì)超聲導(dǎo)波技術(shù)的應(yīng)用方法加以闡述。

1 超聲導(dǎo)波與B掃描檢測(cè)問(wèn)題

由激勵(lì)模塊、接收模塊這兩個(gè)模塊來(lái)構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小型超聲導(dǎo)波檢測(cè)。激勵(lì)模塊的主要組成部分包含了單片機(jī)、功率放大器等，結(jié)合電陶瓷換能器陣列將各個(gè)部件進(jìn)行串聯(lián)。在接收模塊方面，主要使用壓電陶瓷換能器陣列，利用數(shù)據(jù)采集卡以及 Lab程序等進(jìn)行串聯(lián)，提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。單片機(jī)的主要作用是生產(chǎn)專用導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)數(shù)字編碼，之后使用專業(yè)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)編碼進(jìn)行處理，并生成與之相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，再利用功率放大器來(lái)帶動(dòng)壓電陶瓷轉(zhuǎn)換。

因?yàn)榧?lì)用壓電陶瓷轉(zhuǎn)換器可以受到變電信號(hào)的影響，并通過(guò)逆壓電效應(yīng)的方式來(lái)生成機(jī)械波，在管道中，該機(jī)械波可以以導(dǎo)波的形式進(jìn)行長(zhǎng)距離傳播，實(shí)現(xiàn)管道的快速檢測(cè)傳播，若在傳播的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)管道存在缺陷，導(dǎo)波傳播至缺陷處會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，所反射回來(lái)的機(jī)械波會(huì)被壓電陶瓷換能器接收，之后通過(guò)壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的各種電信號(hào)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，綜合了LabVIEW 數(shù)據(jù)采集卡的內(nèi)容，對(duì)各種采集到的內(nèi)容進(jìn)行全面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后再對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行處理。一般情況下，會(huì)先對(duì)回波信號(hào)位置進(jìn)行分析，之后通過(guò)一些比較專業(yè)的理論計(jì)算依據(jù)，來(lái)計(jì)算導(dǎo)波速度，明確其所在管道的長(zhǎng)度，以及管道是否存在缺陷。

因?yàn)槭菃纹瑱C(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成組成了信號(hào)發(fā)生器，所以工作人員可以利用專業(yè)化的超聲導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)來(lái)處理這些問(wèn)題。導(dǎo)波頻散特性比較顯著，所以在對(duì)管道導(dǎo)波情況進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，工作人員可以使用一些窄帶的激勵(lì)信號(hào)來(lái)處理相關(guān)問(wèn)題。以不同管道檢測(cè)被調(diào)制單音頻信號(hào)形式，選定不同信號(hào)頻率，將信號(hào)的頻率控制在 70～ 250kHz范圍區(qū)間內(nèi)效果最好。

如果石化行業(yè)管道長(zhǎng)時(shí)間不間斷的工作，其內(nèi)部必然會(huì)出現(xiàn)腐蝕等問(wèn)題，影響管道的正常使用。如果工作人員沒(méi)有發(fā)現(xiàn)管道已經(jīng)腐蝕，會(huì)使其持續(xù)腐蝕一段時(shí)間，最終發(fā)生腐蝕失效的問(wèn)題。所以必須要定期對(duì)管道運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，如果大部分管道的外壁位置依然有絕熱層或者是有防腐層，要拆除掉這些層之后，再進(jìn)行腐蝕檢查。這種檢查方式在我國(guó)已經(jīng)使用了許多年，但是檢查工作效率低、檢查需要投入的經(jīng)費(fèi)比較多，所以近年來(lái)逐漸被淘汰。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)工作的基本原理，就是利用探頭陣列來(lái)發(fā)出超聲能脈沖，這種脈沖始終充斥在圓周方向以及管道壁的位置，并向四周位置傳播，最終由相同的探頭陣列來(lái)驗(yàn)收返回的信號(hào)。如果經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，管道的管壁位置厚度發(fā)生了任何形式的變化，則在管道內(nèi)壁以及管道外壁這兩個(gè)位置，都會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)被探頭陣列捕獲。

所以從該角度來(lái)看，管道內(nèi)外壁因?yàn)槭艿礁g而產(chǎn)生金屬缺陷，都可以利用該方法進(jìn)行檢測(cè)。按照不同缺陷產(chǎn)生所附加的波形，對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以有效識(shí)別金屬磨損和管子的外形特點(diǎn)，對(duì)不同問(wèn)題點(diǎn)加以區(qū)分。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，主要利用低頻扭曲模態(tài)導(dǎo)波和縱向模套導(dǎo)波對(duì)管道內(nèi)部情況進(jìn)行檢查。扭曲模態(tài)導(dǎo)波可以邊朝著管子圓周方向振動(dòng)，一邊向著管道的軸向位置傳播波形，這種傳播模式效果比較好，聲能并不會(huì)受到管道內(nèi)各種液體的影響，傳播質(zhì)量理想。工作人員在對(duì)導(dǎo)波進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，可以讓液體不斷的在管道中流動(dòng)。

工作人員在管道的某個(gè)位置放好事先準(zhǔn)備好的探頭，之后再讓導(dǎo)波沿著管道軸的方向進(jìn)行傳播。這一傳播距離可以達(dá)到數(shù)十米，并且反射回來(lái)的余波還可以顯示出管道內(nèi)部腐蝕以及其余各種特征，所以工作人員可以利用管壁當(dāng)中鉛管子的軸向來(lái)傳播導(dǎo)波信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的快速無(wú)損檢測(cè)。

2 實(shí)例驗(yàn)證

以克拉瑪依油田中的一條管道檢測(cè)情況為例，這條管道在克拉瑪依油田中已經(jīng)服役了很多年，但是在近年來(lái)的例行檢查中發(fā)現(xiàn)，管道在運(yùn)行的過(guò)程中存在腐蝕性穿孔問(wèn)題，所以著手對(duì)這一管道進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)的過(guò)程中，將檢測(cè)目標(biāo)集中在管道腐蝕方面，并利用超聲導(dǎo)波對(duì)其進(jìn)行檢查，結(jié)合B掃描給出具體的結(jié)果。

在檢測(cè)之前，先使用導(dǎo)波來(lái)對(duì)整條管道進(jìn)行一次快速檢測(cè)。將探頭沿著管道壁的位置，順時(shí)針進(jìn)行掃描，在掃描一周之后，對(duì)檢測(cè)方向 20m左右范圍內(nèi)的管壁腐蝕情況進(jìn)行全面觀察，并記錄下觀察的結(jié)果。通過(guò)導(dǎo)波圖的方式，對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行分析，之后確定下腐蝕區(qū)域具體的位置，再對(duì)相關(guān)細(xì)節(jié)進(jìn)行后續(xù)檢驗(yàn)。之后對(duì)腐蝕區(qū)環(huán)向位置進(jìn)行B掃描，并對(duì)最終的掃描結(jié)果進(jìn)行分析。克拉瑪依油田的該管道區(qū)域壁厚程度最小值為 5.8mm，最大值為 168.2mm。

因?yàn)樵趯?duì)管道進(jìn)行檢測(cè)之前，并沒(méi)有先對(duì)管道的表面進(jìn)行打磨，導(dǎo)致最終測(cè)量出的管道表面漆體厚度約為0.5mm，所以在對(duì)管壁厚度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要減去 0.5mm，才能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用B掃描的方式，對(duì)腐蝕區(qū)域線性兩維剖面圖進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，該腐蝕區(qū)域的特點(diǎn)比較明顯，呈現(xiàn)出擴(kuò)散性的特點(diǎn)，而且軸向的腐蝕長(zhǎng)度要明顯超過(guò)環(huán)向的腐蝕寬度，滿足管內(nèi)液體流向要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從三個(gè)方向闡述特種設(shè)備檢測(cè)過(guò)程中超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用方式，首先闡述了超聲導(dǎo)波與B掃描檢測(cè)問(wèn)題，之后對(duì)如何提升特種設(shè)備檢測(cè)質(zhì)量進(jìn)行闡述。

[1]本刊編輯部 . 開拓創(chuàng)新謀事業(yè)發(fā)展 鏗鏘前行譜特檢新章——廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院側(cè)記 [J]. 中國(guó)特種設(shè)備安全，2016，(09):72-74.

[2]中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 負(fù)責(zé)特種設(shè)備安全與節(jié)能領(lǐng)域具有較強(qiáng)實(shí)力的檢測(cè)研究工作 [J]. 標(biāo)準(zhǔn)生活，2014，(06):56-57.

[3]李衍 . 承壓設(shè)備 NDE新通道——ASME對(duì)超聲 TOFD技術(shù)的應(yīng)用規(guī)定 第二部分 :焊縫 TOFD檢測(cè)的基本要求 [J]. 中國(guó)特種設(shè)備安全，2010，(05):38-41.

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1671-0711（2017）07（下）-0101-02