超聲導(dǎo)波技術(shù)在場站管道檢測中的應(yīng)用

譚達(dá)真

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧530029）

0 引言

西氣東輸，是我國距離最長、口徑最大的輸氣管道，西起塔里木盆地的輪南，東至長三角、珠三角地區(qū)。西氣東輸工程的成功實(shí)施，加快了我國能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使我國的能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到很大的優(yōu)化，不僅有效緩解了東部能源的緊缺狀況，同時促進(jìn)了中部、西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)共同發(fā)展，極大地改善了管道沿線地區(qū)人民生活質(zhì)量，有效治理了大氣污染。同時，西氣東輸也是我國投資最多、輸氣量最大、沿線環(huán)境條件最復(fù)雜的天然氣管道。由于地域跨度大，環(huán)境條件復(fù)雜，輸氣管道的使用和維護(hù)困難重重。而干線、支線上的場站，是輸氣沿線上的重要支點(diǎn)，起著調(diào)節(jié)和分輸?shù)淖饔?，因此，做好場站?nèi)管道和設(shè)備的維護(hù)，對西氣東輸?shù)陌踩\(yùn)營有著十分重要的意義。

場站管道作為輸氣管道，壓力很高，依照我國法律法規(guī)，需要進(jìn)行定期檢驗(yàn)，以保障管道的安全運(yùn)行。然而，場站工藝管道作為管道輸送系統(tǒng)的重要組成部分，卻一直缺乏有效檢測手段。由于條件限制，場站管道檢測中對精準(zhǔn)檢測、無損檢測的要求越來越高。傳統(tǒng)的四大常規(guī)無損檢測方法，檢測成本高、速度慢，抽檢的覆蓋率低，難以全面科學(xué)準(zhǔn)確地對管道完好性進(jìn)行全面的評價。

為了高效地檢測場站工藝管網(wǎng)，采用超聲導(dǎo)波技術(shù)，對場站內(nèi)工藝管道進(jìn)行檢測，對檢測系統(tǒng)性能、干擾因素、缺陷定位、缺陷信號響應(yīng)、實(shí)際檢測距離和缺陷檢出率等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了研究。

目前，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波檢測主要有以下兩種方式：一是多晶片探頭卡環(huán)式檢測系統(tǒng)（基于壓電效應(yīng)），生產(chǎn)廠家為英國導(dǎo)波公司（GUL）和英國焊接研究所（TWI）；另一種是MsS超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)，基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)和其逆效應(yīng)，生產(chǎn)廠家為美國西南研究院（SwRI）。英國的壓電晶片技術(shù)和美國的磁致伸縮技術(shù)，它們的主要區(qū)別是導(dǎo)波的激發(fā)方式與探頭結(jié)構(gòu)以及探頭耦合方式不一樣，其他方面如傳播機(jī)理、其與缺陷的相互作用以及衰減特性都是一樣的。

本文主要探討MsS超聲導(dǎo)波技術(shù)在場站管道檢測中的應(yīng)用研究。針對西氣東輸場站復(fù)雜的檢測環(huán)境，常規(guī)無損檢測方法檢測成本高、效率低下的問題，采用導(dǎo)波檢測技術(shù)，對管道進(jìn)行全面的檢測和評價。

1MsM超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)原理和設(shè)備介紹

1.1 磁致伸縮效應(yīng)

磁致伸縮效應(yīng)（英文縮寫MsM），指鐵磁性材料受外加磁場的作用，其尺寸、形狀發(fā)生改變的現(xiàn)象；傳感器中的磁疇在外加磁場的作用下按照一定方向運(yùn)動，并產(chǎn)生彈性機(jī)械波，耦合到管道上并沿著管道傳播。磁致伸縮逆效應(yīng)（磁彈性效應(yīng)）指鐵磁性材料在受到（長度方向）軸向外力時，其內(nèi)部磁場狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象；超聲導(dǎo)波是指受構(gòu)件邊界條件（幾何尺寸、受力狀態(tài)等）約束的、能夠較長距離傳播的某些特定頻率范圍的超聲波。

1.2 MsM超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

MsM超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)，就是基于鐵磁性材料中的磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生導(dǎo)波信號和利用磁致伸縮逆效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對工件的檢測。

1.3 MsS超聲導(dǎo)波檢測設(shè)備

MsS超聲導(dǎo)波技術(shù)系統(tǒng)的傳感器是由薄片狀的鐵鈷帶（強(qiáng)磁性材料）、交流線圈組成。MsS超聲導(dǎo)波的產(chǎn)生：將薄片狀的鐵鈷帶（相當(dāng)于直流偏磁場）磁化，然后通過環(huán)氧樹脂膠或機(jī)械干耦合的方式緊貼于管道外表面，再將交流線圈置于鐵鈷帶上，鐵鈷帶上的直流偏磁場與交流線圈形成的交流磁場相互作用（磁致伸縮效應(yīng)），直接在鐵鈷帶上（強(qiáng)鐵磁性材料）產(chǎn)生機(jī)械彈性波，并通過膠層或直接耦合到管道上，并沿著管道雙向傳播。MsS超聲導(dǎo)波的檢測：當(dāng)MsS超聲導(dǎo)波沿著管道傳播并遇到缺陷或法蘭、三通、焊縫等障礙時，就會有一部分波反射回來并返回到MsS傳感器上，轉(zhuǎn)換成電信號被導(dǎo)波主機(jī)接收。

美國西南研究院MsS超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)通過薄的磁性鐵鈷條帶粘貼在工件上進(jìn)行超聲導(dǎo)波的激發(fā)，可以用于鐵磁性金屬材料、非鐵磁性金屬材料和非金屬材料的檢測，如：鈦、不銹鋼、鋁、銅等和玻璃、PVC材料、木材、水泥等的檢測。該系統(tǒng)檢測精度高，根據(jù)最新試驗(yàn)結(jié)果，最高靈敏度可達(dá)到管道橫截面積損失量的1%，可靠檢測靈敏度為管道橫截面積損失量的5%，用作監(jiān)測時靈敏度可以達(dá)到管道橫截面積損失量的0.6%。一次檢測范圍大，對于帶油漆層的地上直管段，可以單方向檢測150 m處管道橫截面積損失量的2%～3%。溫度適用性強(qiáng)，最高溫度可達(dá)938℃，可以在高溫狀態(tài)下對管道進(jìn)行在線檢測和長期監(jiān)測?？梢赃m用不同的管道直徑，從40 mm～2 000 mm（可以適應(yīng)無限大直徑的管道）。檢測頻率在很大程度上決定了檢測盲區(qū)的大小，頻率增大，盲區(qū)減小，如頻率為2 kHz時為350 mm，64 kHz時為175 mm，128 kHz時為85 mm。探頭與管道之間的耦合方式有兩種，為機(jī)械干耦合或環(huán)氧樹脂膠粘接。管道的外表面狀態(tài)完好，或者打磨后表面狀態(tài)完好時，可采用機(jī)械干耦合方式。不方便打磨的地方或是管道表面狀況差，可采用環(huán)氧樹脂膠作耦合劑粘接。

2 實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場檢測應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

如圖1，選取一根長度3 m，外徑為114 mm，壁厚6 mm的管道作試驗(yàn)。為模擬現(xiàn)場實(shí)際情況，此管已放置一段時間，管的表面和兩端都有明顯的自然腐蝕。在管子外表面制作4處人工模擬缺陷如下：鉆取深4.2 mm、直徑10 mm的孔，模擬腐蝕坑缺陷，相當(dāng)于2%的管道橫截面積金屬損失量，如圖2所示；鉆取深3 mm、直徑4 mm的微型小孔，模擬針孔腐蝕缺陷，相當(dāng)于1%的管道橫截面積金屬損失量，如圖3所示；制作25 mm寬、深度為1.5 mm的橫向切槽，相當(dāng)于1%管道橫截面積金屬損失量，如圖4所示；制作32 mm寬、深度2.5 mm的橫向切槽，管道橫截面積金屬損失量為2.5%，如圖5所示。圖6為超聲導(dǎo)波檢測波形圖，可以看出，四處缺陷均有明顯的顯示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室模擬管道

圖2 直徑10 mm的模擬腐蝕凹坑

圖3 直徑4 mm點(diǎn)模擬腐蝕凹坑

圖41 %的橫向切槽

圖52 .5%的橫向切槽

圖6 模擬管道檢測信號波形圖

2.2 現(xiàn)場檢測應(yīng)用

現(xiàn)場檢測中，以法蘭、焊縫、支管作為特征信號，以此為基準(zhǔn)，判斷回波是否為缺陷信號。因此，采集信號前，需要先對檢測部位進(jìn)行繪圖，測量特征信號部位與探頭線圈的距離，這樣有利于區(qū)分特征信號和缺陷信號。評價管壁減薄程度時，依據(jù)軸對稱與非軸對稱信號幅度之比來進(jìn)行。超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果不能直接檢測得到管道的壁厚量值，但對管道金屬截面的損失變化檢測靈敏度很高。

此次試驗(yàn)共在場站內(nèi)布置檢測點(diǎn)60處，經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)異常信號6處，并對其中3處具備開挖驗(yàn)證條件的異常信號點(diǎn)進(jìn)行了開挖驗(yàn)證。

（1）BY-6號測試點(diǎn)（見圖7）

圖7BY-6號測試點(diǎn)導(dǎo)波檢測波形圖

通過對超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)圖譜分析，此檢測點(diǎn)負(fù)向-3.6 m處存在疑似腐蝕信號（Q1）。經(jīng)開挖驗(yàn)證，在檢測點(diǎn)負(fù)向-3.6 m處管道表面大面積腐蝕。

（2）BY-10測試點(diǎn)（見圖 8）

圖8BY-10測試點(diǎn)導(dǎo)波檢測波形圖

通過對超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)圖譜分析，此檢測點(diǎn)正向0.9 m處存在疑似中等腐蝕信號（Q1）。經(jīng)開挖驗(yàn)證，檢測點(diǎn)正向0.93 m處發(fā)現(xiàn)管道下表面存在腐蝕。

（3）BY-18測試點(diǎn)（見圖 9）

圖9BY-18測試點(diǎn)導(dǎo)波檢測波形圖

通過對超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)圖譜分析，此檢測點(diǎn)正向1.1 m處存在疑似腐蝕信號（Q1）。經(jīng)開挖驗(yàn)證，正向1.13 m處管道上表面有大面積腐蝕。

2.3 現(xiàn)場檢測典型信號分析

圖10為現(xiàn)場檢測，圖11為檢測點(diǎn)位置示意圖，圖12為波形圖。從圖12可以看出，負(fù)向的閥門信號W1后面的信號雜亂無章，已經(jīng)無法分辨。彎頭信號WE1后面的回波信號也是有大量的干擾信號，給信號的分析和缺陷的分辨帶來很大的困難。

圖10 為現(xiàn)場檢測

圖11 現(xiàn)場檢測位置示意圖

圖12 超聲導(dǎo)波檢測波形圖

圖13 為現(xiàn)場埋地管道檢測，圖14為檢測位置示意圖，圖15為導(dǎo)波檢測波形圖。從圖15中可以很清晰的看出，離導(dǎo)波點(diǎn)1 m的焊縫，導(dǎo)波信號W1很明顯。W1后面的信號衰減很快，離導(dǎo)波點(diǎn)5 m的焊縫已經(jīng)沒有信號回波。信號衰減很快，原因?yàn)槁竦毓艿劳饷嬗袨r青或PE防護(hù)層，瀝青防護(hù)層或PE防護(hù)層很柔軟（剛性很弱），對導(dǎo)波的振動能吸收很大，就象減震緩沖墊一樣使得導(dǎo)波在瀝青防護(hù)層或PE防護(hù)層中分流傳播時衰減很大；另外，地埋管線上面還覆蓋著2～3 m厚密實(shí)的土壤。三維的土壤層幾乎無限邊界使得分流的導(dǎo)波能量進(jìn)一步被擴(kuò)散消失盡。也就是說，原來在剛度很高的具有有限邊界的鋼管中的導(dǎo)波被分流出了到高吸收能量的瀝青防護(hù)層或PE防護(hù)層中，防護(hù)層外的土壤中更進(jìn)一步將最后的一點(diǎn)能量完全吸收，因而衰減巨大，實(shí)際有效檢測距離與理論有較大差距。

圖13 導(dǎo)波埋地管道檢測

圖14 埋地管道檢測示意圖

圖15 超聲導(dǎo)波檢測波形圖

3 低頻超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)評價

3.1 主要優(yōu)點(diǎn)

通過模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場檢測應(yīng)用，可以知道低頻超聲導(dǎo)波技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）對有保溫層和防腐層的管網(wǎng)、套管、穿越、埋地等難以接近的管道，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、快速、高效的檢測；

（2）檢測成本低，除探頭安裝區(qū)域外，不需要拆除保溫層、防腐層或開挖，不需搭設(shè)腳手架，最大程度降低檢測成本；

（3）有干耦合和膠粘兩種耦合方式，操作靈活性高；

（4）能夠識別管道特征與腐蝕信號其它缺陷特征；

（5）應(yīng)用范圍廣泛，可用于各種工業(yè)管網(wǎng)管道、高溫管線、伴熱管線、儲罐底板、換熱器管道、懸浮橋梁、游樂設(shè)施鋼索、高壓傳輸線鐵塔錨桿等。

3.2 主要缺點(diǎn)

（1）根據(jù)對導(dǎo)波的位移、能量和波包[1]的研究，信號易受現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的干擾，如三通、支撐、法蘭、彎頭、覆蓋層等等，都會對信號形成很強(qiáng)的干擾，從而影響檢測結(jié)果；

（2）導(dǎo)波通過彎頭后，由于壁厚發(fā)生變化，導(dǎo)致信號發(fā)生散射、衰減和波型轉(zhuǎn)換，極大影響檢測靈敏度和信號辨析。因此，在檢測長距離管段時，應(yīng)分段進(jìn)行，以避免有過多彎頭。從現(xiàn)場的實(shí)際檢測效果來看，超聲信號通過兩個彎頭后，后面的信號幾乎難以分辨；

（3）信號通過閥門后，會產(chǎn)生散射和波形轉(zhuǎn)換，閥門后的信號無法判讀；

（4）無法確定缺陷的周向位置，同一周向上的不同缺陷信號會產(chǎn)生疊加，使判讀困難；

（5）軸向有一定長度，環(huán)向很窄的缺陷，檢出率低；

（6）瀝青層或PE防護(hù)層可致波導(dǎo)信號有較大的衰減，使實(shí)際可檢范圍大大減?。?/p>

（7）缺陷無法直接定量，只能給出相對嚴(yán)重程度，也無法確定其埋深或形狀，需采用其他檢測手段進(jìn)行精確檢測；

（8）檢測結(jié)果較易受到人為因素影響。

從上可以看出，導(dǎo)波技術(shù)能快速檢測識別出場站管道和設(shè)備的缺陷區(qū)域，為實(shí)現(xiàn)對場站的精準(zhǔn)檢測和科學(xué)的完整性評價打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，從而給場站維護(hù)檢修提供技術(shù)和決策支持。

4 結(jié)束語

通過理論分析、結(jié)合現(xiàn)場檢測應(yīng)用，可以得到，在檢測速度、檢測成本和適用范圍等方面，導(dǎo)波技術(shù)比以往的無損檢測技術(shù)具有很大的優(yōu)勢，可以很好的適應(yīng)場站復(fù)雜的檢測環(huán)境，特別適用于場站長距離工藝管網(wǎng)、地下管網(wǎng)和野外長輸管道的檢驗(yàn)檢測。同時，作為一種新興的檢測方法，導(dǎo)波技術(shù)也有其固有局限性，在檢測過程中我們需盡量避免。目前，導(dǎo)波技術(shù)的應(yīng)用尚屬起步階段，在理論的完善、現(xiàn)場檢測經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用范圍和應(yīng)用深度等方面，都需要繼續(xù)深入研究。