超聲導(dǎo)波在工業(yè)管道完整性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

摘 要：工業(yè)管道在使用過程中，容易產(chǎn)生腐蝕、疲勞破壞等缺陷，常規(guī)手段無法大面積進(jìn)行測(cè)試，通過理論和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，超聲導(dǎo)波技術(shù)能夠滿足對(duì)在役新增管道缺陷的檢出和辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)管道的在線監(jiān)測(cè)，在不停機(jī)的情況下減少大面積拆除、恢復(fù)保溫，節(jié)約成本。

關(guān)鍵詞：超聲導(dǎo)波；工業(yè)管道；完整性；監(jiān)測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.017

管道作為化工企業(yè)常見的特種設(shè)備，承載著物料的傳輸。由于管道工作條件惡劣，容易產(chǎn)生腐蝕、疲勞破壞等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)泄露。因此，對(duì)管道完整性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷成為化工企業(yè)壓力管道巡檢員日常維護(hù)的重要組成部分。然而常規(guī)測(cè)厚方法對(duì)埋地或帶保溫架空管道完整性測(cè)定非常困難，超聲導(dǎo)波在少開挖、局部拆保溫的情況下對(duì)管道環(huán)節(jié)面壁厚腐蝕量檢測(cè)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來逐漸應(yīng)用于管道監(jiān)測(cè)中。

1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理

1.1 模態(tài)的選擇

導(dǎo)波在管道中傳播時(shí)，遇到缺陷會(huì)發(fā)生散射、反射等現(xiàn)象，可以通過研究導(dǎo)波的傳播特性來評(píng)價(jià)管道結(jié)構(gòu)的完整性。導(dǎo)波傳播具有頻散性和多模態(tài)性，其可用頻散曲線來表示，如圖1所示?？招膱A管中的超聲導(dǎo)波有三種模態(tài)，分別為縱向模態(tài)L（0，m），扭轉(zhuǎn)模態(tài)T（0，m）及彎曲模態(tài)F（n，m），其中n=1，2，3……，m=1，2，2……，分別表示周向階次和導(dǎo)波模數(shù)。

相速度曲線，縱坐標(biāo)（km/s），橫坐標(biāo)頻率（kHz）。

從頻散曲線可知，T（0，1）、L（0，1）在一定的頻率下表現(xiàn)出非頻散特性，是目前常用于工業(yè)檢測(cè)的兩個(gè)模態(tài)。

1.2 換能器的選擇

針對(duì)不同的模態(tài)，傳感器的選擇不同。L（0，1）模態(tài)導(dǎo)波為縱向?qū)ΨQ模態(tài)，選用長度伸縮型壓電陶瓷。當(dāng)在壓電陶瓷上下兩極加電壓時(shí)，壓電陶瓷在長度方向上伸縮，其伸縮振動(dòng)的頻率與上下兩極所加電壓頻率相等，為使經(jīng)過此壓電陶瓷片激勵(lì)出的振動(dòng)信號(hào)在管道中只出現(xiàn)軸對(duì)稱導(dǎo)波模態(tài)，可在被測(cè)管道外壁沿周向均布一系列相同規(guī)格的壓電陶瓷片。

T（0，1）扭轉(zhuǎn)波主要利用了磁致伸縮效應(yīng)，當(dāng)鐵磁體磁化時(shí)伴有晶格的自發(fā)變形，即沿磁化方向伸長或縮短。由于磁致伸縮效應(yīng)的存在，當(dāng)鐵磁材料被外界磁場(chǎng)磁化時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定大小的應(yīng)變。如果將鐵磁性材料置于交變的磁場(chǎng)中，材料內(nèi)質(zhì)點(diǎn)將產(chǎn)生與交變的磁場(chǎng)同頻率的磁致伸縮形變。當(dāng)這種伸縮振動(dòng)以波的形式在試件中沿介質(zhì)邊界傳播時(shí)，就形成了磁致伸縮導(dǎo)波。通過施加直流偏置磁場(chǎng)Hs，可增強(qiáng)鐵磁性材料的磁致伸縮形變，提高磁致伸縮導(dǎo)波的能量。因此，選擇合理的偏置磁場(chǎng)Hs和交變磁場(chǎng)HD的大小，有利于提高檢測(cè)距離。

1.3 檢測(cè)原理

將導(dǎo)波換能器安裝在被監(jiān)測(cè)管道上，檢測(cè)系統(tǒng)激勵(lì)換能器在管道中產(chǎn)生導(dǎo)波，導(dǎo)波在管壁沿軸向方向傳播。當(dāng)遇到缺陷時(shí)，部分能量將發(fā)生反射，形成反射回波。反射回波經(jīng)接收換能器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由可控增益接收采集電路接收、處理后在上位機(jī)進(jìn)行顯示。對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析，能夠?qū)鼙谥械娜毕葸M(jìn)行識(shí)別與定位，如圖2所示。

2 管道監(jiān)測(cè)實(shí)例與分析

對(duì)在用管道布置探頭，采用128kHz采樣頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如下：

在經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)后，在距起始點(diǎn)1.62m處發(fā)現(xiàn)一35%橫截面損失缺陷。

3 結(jié)論

試驗(yàn)完成了對(duì)1條管道的在線監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一處新增腐蝕缺陷。試驗(yàn)證明超聲導(dǎo)波技術(shù)能夠滿足對(duì)在役新增管道缺陷的檢出和辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)管道的在線監(jiān)測(cè)，在不停機(jī)的情況下減少大面積拆除、恢復(fù)保溫，節(jié)約成本。

作者簡介：曹志峰（1981-），男，山東陽谷人，碩士研究生，工程師，主任，研究方向：特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。