超聲C掃描技術在油氣管道檢測中的應用

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(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，廣漢 618300； 2.四川科特檢測技術有限公司，廣漢 618300；3.西南石油大學，石油與天然氣工程學院， 成都 615000)

由于輸送介質(zhì)具有腐蝕性或介質(zhì)對管道存在沖刷作用，隨著服役期的延長，油氣管道的內(nèi)腐蝕問題日益突出，特別是輸送高含硫、高溫CO2、含砂量大的油氣田集輸管道，其內(nèi)腐蝕狀況更是令人擔憂。定期檢驗作為保障壓力管道和其他特種設備的重要手段，已得到普遍認可和重視。但是目前定期檢驗僅以單點超聲檢測為主要方式，該方式無法覆蓋管道腐蝕區(qū)域，易發(fā)生漏檢，且無法準確了解管道的腐蝕狀況。

超聲C掃描檢測技術具有缺陷檢出率高、檢測精度高、缺陷定位定量準確性高等優(yōu)點，特別適合于管道點蝕、局部腐蝕等內(nèi)腐蝕缺陷檢測，相對常規(guī)超聲波壁厚檢測技術，是一種高精度的腐蝕檢測成像技術[1]。筆者對國內(nèi)外成套的超聲C掃描檢測系統(tǒng)進行了長期調(diào)研，在實驗室內(nèi)對自行設計的試塊進行了缺陷檢測能力試驗，并利用相關超聲C掃描檢測系統(tǒng)在現(xiàn)場開展了相應的檢測試驗，對檢測靈敏度、缺陷定位定量精度、檢測速率等性能指標進行了驗證。

1 技術原理

超聲檢測(UT)是五大常規(guī)無損檢測方法之一，是利用材料和缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢測材料內(nèi)部缺陷的無損檢測方法，也是最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o損檢測方法，應運而生的有相控陣超聲法、衍射時差超聲法等新技術。

超聲成像技術是超聲波檢測技術結合計算機、信號處理、圖像處理等技術發(fā)展起來的產(chǎn)物，可將傳統(tǒng)的數(shù)字波形轉換為二維、三維圖像[2]。該技術具有自動化和智能化的特點，超聲圖像包含大量的材料信息，可以直接反映物體的聲學性能，在無損檢測領域有著非常廣闊的發(fā)展前景。

1.1 常規(guī)超聲C掃描成像檢測技術

當今，對腐蝕超聲檢測的顯示，正逐漸從“單點”的A型顯示和“二維線性”的B型顯示向“三維體性”的C型顯示方式發(fā)展，缺陷顯示更加真實完整，數(shù)據(jù)更加豐富。

超聲C型掃描顯示，簡稱C掃，即特定深度掃描模式(Constant Depth Mode)，從顯示方式看是二維平面顯示，用平面上不同的顏色來反映波幅高度或不同的厚度信息。C掃的圖像實際是由探頭掃描路徑的每一組B掃圖像組合而成，因此C掃成像平面與B掃成像平面是互相垂直的。在C型掃描成像中，探頭不但要沿x方向掃描，而且還要沿y方向掃描，即面掃描(二維掃描)，而不是線掃描(一維掃描)。為獲得某一與聲束軸線垂直的斷面在z=z0的圖像，掃描聲束應聚焦于該平面；改變掃描聲束聚焦的平面，即可獲得物體不同深度的C掃截面圖像，其原理如圖1所示[3]。

圖1 超聲C掃描檢測示意及結果顯示圖

由此來看，超聲A型掃描顯示為“點”顯示，超聲B型掃描顯示為“線”顯示，而超聲C型掃描顯示為“面”顯示。在超聲C型掃描顯示中包含A型掃描和B型掃描。

1.2 相控陣超聲C掃描成像檢測技術

相控陣成像檢測技術是通過控制換能器中各個陣元激勵(或接收)的時間延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達被檢結構內(nèi)部某點的相位關系，實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化，從而完成相控陣波束合成，形成掃描成像的技術。該技術利用相控陣探頭多陣元分時聚焦的能力，相比傳統(tǒng)超聲具有良好的聲束可達性，高的檢測靈敏度、分辨力和信噪比[4]。

相控陣超聲成像檢測的核心為相控陣超聲換能器，其由幾十到上百個相互獨立的壓電晶片組成，每個晶片均為陣元，通過計算機按照一定規(guī)則控制每個陣元的激發(fā)和接收，并將波形轉換為圖像顯示，其基本原理如圖2所示。因此，相控陣超聲單次掃查相當于幾十到上百個獨立的超聲探傷儀同時工作。

圖2 相控陣超聲C掃描檢測原理示意

相控陣超聲C掃描成像檢測技術一般采用一維線陣探頭沿管道環(huán)向線性掃描，一次性掃描寬度和掃描深度均具備更大優(yōu)勢，其檢測效率遠遠高于常規(guī)單通道超聲檢測設備，解決了高分辨率和大檢測范圍無法同時實現(xiàn)的難題，具有更高的應用價值。

2 超聲C掃描檢測設備

超聲C掃描檢測方式通常采用常規(guī)超聲探頭+雙軸掃查器的方式，比如以色列ISONIC 2006以及美國PAC POCKET-UTTM掌上超聲A/B/C/TOFD成像系統(tǒng)和Tablet-UTTM平板式便攜超聲A/B/C/TOFD成像系統(tǒng)等設備均采用此種方式。

但是隨著相控陣超聲技術及計算機技術的快速崛起，誕生了以超聲相控陣技術為核心的C掃描檢測技術，即超聲相控陣多陣元探頭+雙軸掃查器的方式，比如廣州多浦樂PHASCAN-C掃描系統(tǒng)、奧林巴斯Olympus超聲C掃描檢測系統(tǒng)、GE公司Mentor UT、ZETEC TOPAZ等設備均采用此種方式。相控陣超聲C掃描系統(tǒng)具有更高的精度和缺陷檢出率，更快的檢測速度和更高的圖像分辨率等優(yōu)點，因此，其具有更高的發(fā)展空間，必定是今后超聲C掃描檢測的主流。

總體而言，超聲C掃描檢測系統(tǒng)主要包括超聲波主機或超聲相控陣主機、超聲探頭或超聲相控陣探頭、配套掃查裝置、配套耦合裝置和數(shù)據(jù)處理軟件。以奧林巴斯超聲C掃描檢測系統(tǒng)為例，其包括OmniScan MX2 32:128PR、HydroFORM探頭、MapRover掃查裝置、數(shù)據(jù)處理軟件及其他附件。

3 超聲C掃描檢測技術應用

3.1 實驗室測試試驗

為驗證超聲C掃描檢測系統(tǒng)的最小缺陷檢出能力、缺陷定位與定量精度、近表面分辨率以及掃查速率等性能指標，設計了如圖3所示的階梯試塊。

圖3 超聲C掃描檢測階梯試塊結構示意圖

該試塊材料為20鋼，設計了4個階梯，每個階梯尺寸(長×寬)為250 mm×150 mm，厚度分別為4，6，8，10 mm。第一階梯等間距排布直徑為1，2，3，4 mm平底孔，孔深分別為2，1 mm；第二階梯等間距排布直徑為1,2,3,4 mm平底孔，孔深分別為3，2 mm；第三階梯等間距排布直徑為2，3，4，5 mm平底孔，孔深分別為4，3 mm；第四階梯等間距排布直徑為2，3，4，5 mm平底孔，孔深分別為4，2 mm。

在實驗室內(nèi)的測試結果表明，采用常規(guī)超聲C掃描檢測系統(tǒng)可檢測φ2 mm以上的平底孔；由于采用的是雙晶探頭，近表面分辨率較高，如以色列的ISONIC 2006設備經(jīng)過軟件處理，無始波占寬，但掃描速度較慢。采用相控陣超聲C掃描檢測系統(tǒng)可檢測φ1 mm以上的平底孔；采用10 MHz 64晶片的相控陣探頭始波占寬約2mm，對于較深的平底孔近表面分辨率不高；由于采用多陣元的相控陣探頭，單次線掃的寬度較大，因此掃查速度很快。

圖4為奧林巴斯超聲C掃描檢測系統(tǒng)對該階梯試塊第一階梯直徑為1，2，3，4 mm平底孔，孔深為2 mm的掃查結果，從檢測結果來看，成像分辨率非常高，缺陷尺寸和設計基本接近。

圖4 階梯試塊第一階梯超聲C掃描檢測結果

3.2 現(xiàn)場測試試驗

3.2.1 常規(guī)超聲C掃描檢測系統(tǒng)

對新疆某在役地埋輸油管道進行常規(guī)超聲C掃描檢測，檢測位置如圖5所示，管道規(guī)格(直徑×壁厚)為φ426 mm×8 mm，材料為20鋼，檢測結果如圖6所示，其中圖6(d)為壁厚與顏色的對照圖，每種顏色對應一個壁厚。超聲C掃描檢測范圍為150 mm(軸向長度)×220 mm(環(huán)向長度)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，管道缺陷數(shù)據(jù)處理結果如圖7所示，缺陷面積(長×寬)為37.97 mm ×27.40 mm，最大減薄量為3.03 mm。

圖5 新疆在役地埋輸油管道超聲C掃描檢測位置

圖6 新疆在役地埋輸油管道超聲C掃描檢測結果

圖7 缺陷數(shù)據(jù)處理結果

圖8 塔里木油田某集輸管道超聲C掃描檢測位置

圖9 塔里木油田某集輸管道超聲C掃描檢測結果

3.2.2 相控陣超聲C掃描檢測

對塔里木油田某集輸管道全面檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的壁厚異常位置進行相控陣超聲C掃描檢測，檢測位置如圖8所示，管道規(guī)格(直徑×壁厚)為φ457 mm ×17.5 mm，材料為L415，檢測結果如圖9所示。

超聲C掃描檢測范圍為950 mm(環(huán)向長度)×62 mm(軸向長度)，圖9中顏色異樣處為發(fā)生內(nèi)腐蝕位置，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，缺陷面積(長×寬)為120 mm×62 mm，最小剩余壁厚為10.01 mm，最大減薄量為7.49 mm。

4 結論

(1) 超聲C掃描技術集成了超聲技術、數(shù)字圖像處理技術、信號處理技術、計算機技術，檢測結果能直觀顯示被檢管道的內(nèi)腐蝕缺陷的形貌、面積、深度等信息。

(2) 通過實驗室內(nèi)對階梯試塊的檢測試驗，驗證了常規(guī)超聲C掃描系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)當量為φ2 mm以上的平底孔缺陷，相控陣超聲C掃描系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)當量為φ1 mm以上的平底孔缺陷，為檢測點蝕缺陷提供了一種新的無損檢測方法。

(3) 目前市場上有兩種超聲C掃描系統(tǒng)，分別為常規(guī)超聲C掃描系統(tǒng)和相控陣超聲C掃描系統(tǒng)，其操作簡便智能，相比單點超聲測厚具有更高的缺陷檢出率和精度，更高的檢測效率，且可以實時成像的優(yōu)點。

超聲C掃描技術作為一種精細的壁厚檢測技術,其不僅適用于管道，對于壓力容器的非開罐內(nèi)腐蝕檢測，同樣是一種優(yōu)良的方法；特別是超聲C掃描的檢測結果可以為管道及壓力容器腐蝕監(jiān)測、剩余強度評價和剩余壽命預測以及腐蝕機理和腐蝕規(guī)律研究提供有力的技術支持[5]。但是，超聲C掃描檢測設備的掃查裝置還不能完全適應各種規(guī)格的管徑，超聲耦合方式也不夠良好。如要大力推廣應用超聲C掃描檢測技術，必須開發(fā)出智能掃查裝置，解決自動掃查及水浸耦合的難題。