超聲導(dǎo)波檢測(cè)在壓力管道檢驗(yàn)中的應(yīng)用與實(shí)踐

譚暢

摘 要：超聲導(dǎo)波技術(shù)作為新型的無損檢測(cè)技術(shù)，因?yàn)槠渚哂袡z測(cè)距離長(zhǎng)、速度快、成本低并且可以檢測(cè)到一般常規(guī)檢測(cè)器無法檢測(cè)的地方，例如有套管或者埋地管道等特殊管道。此文章先介紹管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的一些基礎(chǔ)理論知識(shí)，提出這一檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵，對(duì)此，為以后人們能廣泛應(yīng)用管道超聲導(dǎo)波技術(shù)提出合理化的建議。

關(guān)鍵詞：超聲導(dǎo)波技術(shù)；壓力管道；應(yīng)用；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TV698.1+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）26-0154-02

1 概述

管道作為五大運(yùn)輸工具之一，其在運(yùn)輸氣體、液體等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在全世界管道運(yùn)輸干線總計(jì)已經(jīng)達(dá)到240多萬km，1995年末我國管道運(yùn)輸干線總計(jì)已經(jīng)達(dá)到27839km，主要應(yīng)用于城市供水系統(tǒng)中。雖然管道帶來很多便利，但由于經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的沖刷和侵蝕導(dǎo)致管道壁變薄，時(shí)常發(fā)生泄漏事件，不單單造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還造成環(huán)境污染影響生態(tài)平衡。據(jù)調(diào)查，世界各國自來水泄漏損失率達(dá)到25%左右。近年來管道造成的人身傷害更加引起了廣大人民群眾的關(guān)注。比如：1994年老撾一條氣體管道泄漏造成爆炸，致使50人死亡；2005年美國華盛頓的一條天然氣管道泄漏，產(chǎn)生靜電發(fā)生了火災(zāi)，造成2人死亡100人受傷。近幾年還有其他國家，例如日本、韓國、加拿大等國家都發(fā)生過管道泄漏事件。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2010年，我國僅在油管運(yùn)輸上已經(jīng)發(fā)生了389件事故。天然氣管道也曾發(fā)生過多次事故，后果極其嚴(yán)重，給人們的人身、生活、財(cái)產(chǎn)帶來威脅。而更嚴(yán)重的是管道泄漏會(huì)造成環(huán)境污染，加劇了原始生態(tài)環(huán)境的惡化，威脅了人們賴以生存的環(huán)境[1]。

雖然一般常規(guī)無損檢測(cè)器（超聲檢測(cè)爬機(jī)等）在管道檢測(cè)中有著很多優(yōu)點(diǎn)，比如技術(shù)成熟、便于操作，只要對(duì)操作人員進(jìn)行簡(jiǎn)單的培訓(xùn)，就可以很快運(yùn)用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行操作。但常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)都存在一個(gè)致命弱點(diǎn)：檢測(cè)過程都是逐點(diǎn)掃描式，所以常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)不能有效地應(yīng)用于工業(yè)管道長(zhǎng)達(dá)上千公里的檢測(cè)中去。而超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)和模態(tài)聲發(fā)射技術(shù)可以有效解決這一問題。

2 超聲導(dǎo)波技術(shù)

2.1 基本原理

導(dǎo)波原理好像平板中的板波。它發(fā)出的超聲波頻率比板波更低，它橫穿整個(gè)管壁，并可以繼續(xù)沿管壁傳播上百米。當(dāng)在傳播過程中碰到缺陷、結(jié)構(gòu)變化的地方，脈沖波會(huì)發(fā)生反射并沿管壁傳播到傳感器而被接收。這一特殊的工作原理決定了管道超聲波可以應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)中大范圍、遠(yuǎn)距離的檢測(cè)中去，實(shí)現(xiàn)全覆蓋管道壁[2]。

2.2 導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)

應(yīng)用于：管道、管狀設(shè)備等。

檢測(cè)管道類型：無縫管、縱焊管等。

優(yōu)點(diǎn)：（1）一般常規(guī)超聲波檢測(cè)只能檢測(cè)到管壁一個(gè)點(diǎn)的腐蝕情況，而管道導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)可以利用一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，從兩個(gè)方向檢測(cè)到幾米甚至上百米管道腐蝕情況。（2）可以檢測(cè)到常規(guī)檢測(cè)技術(shù)無法檢測(cè)到的地方，如埋地管道等特殊管道。（3）檢測(cè)速度快、效率高、全方位覆蓋，無漏檢。（4）可敏感地感應(yīng)到橫截面檢測(cè)面的金屬損失，檢測(cè)深度也達(dá)到管道橫截面的4%。

缺點(diǎn)：（1）超聲導(dǎo)波不能對(duì)缺陷準(zhǔn)確定性，定量也是不準(zhǔn)確的，對(duì)可疑地方只能再根據(jù)其他檢測(cè)方法進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。（2）超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)很難將單個(gè)點(diǎn)狀缺陷和軸向條狀缺陷

檢測(cè)出來。（3）焊接處的管道因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化影響整個(gè)檢測(cè)的長(zhǎng)度和準(zhǔn)確度。

3 超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法

經(jīng)過這么多年的發(fā)展，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在壓力管道中進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)得到了國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注與研究。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)作業(yè)中非常需要利用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)對(duì)壓力管道檢測(cè)管道情況，所以超聲導(dǎo)波技術(shù)逐漸浮出水面，成為管道檢測(cè)的一大技術(shù)。從上世紀(jì)八十年代開始，電磁學(xué)技術(shù)應(yīng)用在了檢測(cè)管道裂紋方向，后來有些學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了超聲導(dǎo)波技術(shù)是可以對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)的，雖然不同的學(xué)者利用的不同的方法，分別利用了L（0，1）模式和L（0，2）模式兩種方法都進(jìn)行了驗(yàn)證，但是這些僅限于實(shí)驗(yàn)室情況，都還未在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，這是今后需要著重研究的熱點(diǎn)方向。根據(jù)導(dǎo)播模式的個(gè)數(shù)不一樣，超聲導(dǎo)波技術(shù)可以分成單一模式和多模式、模態(tài)聲發(fā)射等檢測(cè)方式，下面將對(duì)這三種方式進(jìn)行概述。

3.1 單一模式導(dǎo)波檢測(cè)

一般來說，激勵(lì)源產(chǎn)生的波是處于其所在頻域范圍內(nèi)所有的模式，是很復(fù)雜的，幾乎是沒辦法直接利用這種信號(hào)直接進(jìn)行分析的。但是如果利用一些特定的激勵(lì)形式把復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)化成具有單一模式的信號(hào)，這樣將大大減少工作強(qiáng)度。當(dāng)前在國外研究領(lǐng)域，超聲導(dǎo)波檢測(cè)經(jīng)常使用的單一模式導(dǎo)波是L（0，2）的模式。采用L（0，2）模式的導(dǎo)波的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）在某個(gè)固定的頻率帶寬內(nèi)，這種模式下的信號(hào)基本都是非頻散的，意思就是導(dǎo)波的群速度和相速度都不會(huì)隨著頻率的變化而發(fā)生巨大變化，所以這樣當(dāng)導(dǎo)波進(jìn)行傳播時(shí)是相對(duì)穩(wěn)定的，幾乎不發(fā)生變形；（2）這種模式下的導(dǎo)波的傳播速度是最快

的，這樣會(huì)使其他雜亂的、不需要利用的信號(hào)處在后面；（3）這種方法對(duì)內(nèi)表面和外表面的靈敏度都很高，因此這種模式的導(dǎo)波不但可以檢測(cè)內(nèi)外表面的損傷，還可以沿徑向方向進(jìn)行檢測(cè)。

超聲導(dǎo)波在管道中傳送時(shí)，當(dāng)其遇到缺陷斷裂、端面、縫隙和拐彎處等都會(huì)產(chǎn)生反射，因此，在管道中傳送具有軸對(duì)稱性質(zhì)的L（0，2）模式導(dǎo)波時(shí)，如果遇到缺陷時(shí)，因?yàn)槿毕菀话闶欠菍?duì)稱的，所以在回波里面不但有傳回的L（0，2）模式的信號(hào)，還有其他模式的信號(hào)。特別是當(dāng)管道中在近乎對(duì)稱的焊縫里有非對(duì)稱形式的裂紋時(shí)，L（0，2）模式的回波中會(huì)很容易發(fā)現(xiàn)這個(gè)焊縫的回波，從而準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)裂縫[3]。如果損傷和焊縫不重合的時(shí)候，這種導(dǎo)波也會(huì)發(fā)現(xiàn)損傷的；如果兩者重合的話，此模式的回波中是不能很明顯的顯示出損傷的信號(hào)變化，但是在反射回的回波的F（1，3）模式的導(dǎo)波信號(hào)會(huì)對(duì)這種情況表現(xiàn)出非常敏感的變化。所以如果要對(duì)管道進(jìn)行全方位的檢測(cè)，采用更好階次的導(dǎo)波將產(chǎn)生更好的結(jié)果。endprint

3.2 多模式導(dǎo)波檢測(cè)

因?yàn)橐环N模式的導(dǎo)波只能檢測(cè)出一種缺陷類型，但是實(shí)際工程中的缺陷卻是多種復(fù)雜原因結(jié)合在一起的，因此利用多模式導(dǎo)波檢測(cè)可以同時(shí)對(duì)多種缺陷進(jìn)行檢測(cè)。另外，可以根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的空間相位和幅度的特殊性對(duì)一些結(jié)構(gòu)中的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。比如可以利用低頻窄帶脈沖信號(hào)的特殊性檢測(cè)管道，這樣的方法很適合應(yīng)用在徑向和軸向不均勻特點(diǎn)的管道缺陷。

3.3 模態(tài)聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)是近五十年才發(fā)展起來的，但是因?yàn)槠溆泻艽蟮膬?yōu)勢(shì)所以發(fā)展很迅速。這種技術(shù)是利用其在發(fā)生作用的時(shí)候可以快速釋放能量對(duì)管帶物體進(jìn)行檢測(cè)的，它的優(yōu)勢(shì)在于能夠形成動(dòng)態(tài)檢測(cè)，而且覆蓋面廣。

4 超聲導(dǎo)波檢測(cè)的應(yīng)用

從現(xiàn)在來看，管道鋪設(shè)方法有架空和埋地兩種。因?yàn)槭褂脮r(shí)間較長(zhǎng)，管道的腐蝕也比較嚴(yán)重。針對(duì)于腐蝕情況的檢測(cè)，如果繼續(xù)運(yùn)用一般常規(guī)檢測(cè)技術(shù)還需要利用手腳架、拆除管道外壁的保溫層、大面積，長(zhǎng)距離的挖溝等長(zhǎng)時(shí)間，大工作量的前期輔助工作，無疑是增加了檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)成本。而經(jīng)過大的變動(dòng)之后能否正常進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否準(zhǔn)確這些也是應(yīng)該考慮的地方。檢測(cè)后的管道能否正常運(yùn)作也會(huì)直接影響到正常的生產(chǎn)工作。

而現(xiàn)實(shí)生活中有很多架空管道和橫穿河流、道路的管道，進(jìn)行檢測(cè)時(shí)很難接觸到管道，如果繼續(xù)使用一般常規(guī)檢測(cè)技術(shù)則需要增加許多輔助設(shè)備，輔助工作量大，檢測(cè)成本較高。但是，利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)則利用其超聲波的優(yōu)點(diǎn)，利用管道平臺(tái)或直接選取一個(gè)比較接近地面等比較方便的地方，設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，就可以順利檢測(cè)到自檢測(cè)點(diǎn)開始到幾百米甚至上千米的地方，不僅方便、省力、省事、節(jié)約成本，還降低了檢測(cè)的困難度。

5 結(jié)束語

目前，長(zhǎng)距離的超聲波技術(shù)是方便有效快速的掃描技術(shù)，可以處理在檢測(cè)中局部因?yàn)楹穸鹊确矫娴脑?，不能?zhǔn)確進(jìn)行檢測(cè)提出更合理化的檢測(cè)意見，提出較為合理的檢測(cè)方法。目的是根據(jù)掃描給出的結(jié)論，針對(duì)不同管道采用不同的檢測(cè)方法，對(duì)檢測(cè)區(qū)進(jìn)行有效、快速的檢測(cè)。這樣，不僅可以避免在整個(gè)管道檢測(cè)中因逐點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)帶來的高成本、低效率等缺點(diǎn)，還可以不斷提高準(zhǔn)確率，減少人工成本。

目前，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在我國還處于起步階段，應(yīng)用范圍不廣。很多學(xué)者也只是從理論及實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行研究，要讓該技術(shù)得到大范圍的應(yīng)用，還應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

（1）提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)者們應(yīng)注重多采用單一模態(tài)導(dǎo)波的應(yīng)用、不斷提升激勵(lì)裝置的設(shè)計(jì)水平。（2）信號(hào)分析技術(shù)。對(duì)不完整的信號(hào)，不單利用現(xiàn)已有的譜分析、逆譜分析等信號(hào)分析手段的基礎(chǔ)上，還應(yīng)采用先進(jìn)的信號(hào)分析方法，比如小波變換技術(shù)等新型技術(shù)。

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