不同涂層管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)傳播特性研究

魏松林 章強(qiáng) 婁驍 劉朝 黃紅科 方江

1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 湖北武漢 430000

2.中核核電運(yùn)行管理有限公司 浙江海鹽 314300

超聲導(dǎo)波（導(dǎo)波）檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)非常有吸引力的管道檢查方法，該技術(shù)利用導(dǎo)波在管道介質(zhì)中傳播速度快、能量衰減小、頻散較穩(wěn)定等特點(diǎn)，可一次實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的管道檢測(cè)；另外，由于導(dǎo)波在管壁內(nèi)、外部和中部均有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場(chǎng)遍及整個(gè)壁厚，因而可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)、外壁缺陷同時(shí)檢測(cè)[1]。導(dǎo)波檢測(cè)雖然可以一定程度判斷缺陷的大小，但主要還是用于定性的快速掃查，在帶有“黏性”包覆層或運(yùn)輸介質(zhì)的管道中超聲導(dǎo)波的能量衰減的很快[2]。

為了盡量發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，減少局限性影響，需要明確不同包覆涂層管道中的導(dǎo)波傳播特性（包括衰減規(guī)律、靈敏度與最大傳播距離等），以制定針對(duì)性的檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用價(jià)值的最大化。本文通過(guò)分析不同涂層管道的導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了不同涂層管道的導(dǎo)波檢測(cè)局限性以及優(yōu)化建議，有助于評(píng)估特定應(yīng)用場(chǎng)景中的導(dǎo)波的檢測(cè)能力及合理編制檢測(cè)方案，避免漏檢、錯(cuò)檢。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選擇站場(chǎng)直埋管道和管廊管道中常用的涂層開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，包括3PE、四油三布、環(huán)氧樹(shù)脂三種涂層及裸管，如圖1(a)、(b)、(c)、(d)所示。涂層依據(jù)國(guó)標(biāo)制備，真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，四油三布干膜總厚度為900～950μm，3PE涂層最小厚度2mm，環(huán)氧樹(shù)脂干膜厚度為20～40μm。在管道上預(yù)制了相同的管體缺陷，缺陷制備采用電火花切割，如圖1（e）所示，控制管道截面損失率（CSA）為9%，如圖1（f）所示。管材、規(guī)格、缺陷均保持一致，實(shí)驗(yàn)管道參數(shù)如表1所示。管道段長(zhǎng)度均為10m，焊接連接，實(shí)驗(yàn)管道按東西方向布置在管道支架上。

以表1中所列樣管為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在東端對(duì)每根管道施加T（0,1）模態(tài)的導(dǎo)波，按起始頻率20kHz，終止頻率100kHz，階梯1kHz添加頻率掃查區(qū)間，分別獲取不同頻率條件下距離-幅值曲線，并記錄管道各缺陷、焊縫、管端對(duì)應(yīng)的距離、信號(hào)幅值、信號(hào)衰減系數(shù)（dB/m）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 衰減規(guī)律研究

管道是很好的波導(dǎo)，導(dǎo)波在管道中的衰減比較小，而涂層是導(dǎo)波離開(kāi)管道的路徑，是導(dǎo)波衰減的重要來(lái)源[3]。

圖1 不同涂層管道導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

管道結(jié)構(gòu)特征、缺陷的回波幅值是研究導(dǎo)波傳播特性的重要參數(shù)之一，管道導(dǎo)波衰減系數(shù)也是影響導(dǎo)波檢測(cè)距離的重要參數(shù)，可用下式（1）表示。本文根據(jù)不同涂層樣管在缺陷處的回波幅值的對(duì)比及衰減系數(shù)對(duì)比，來(lái)研究涂層狀況下管道中導(dǎo)波的衰減規(guī)律[4]。

式中：Z1、Z2為距導(dǎo)波探頭處的不同位置；A1、A2為在Z1、Z2處導(dǎo)波的回波幅值。

不同涂層樣管在3m處9%缺陷回波幅值對(duì)比如圖2所示，不同涂層樣管衰減系數(shù)對(duì)比如圖3所示，從圖2、圖3可得出：

（1）3PE、四油三布對(duì)導(dǎo)波信號(hào)衰減很大，焊縫后缺陷已不能從噪聲信號(hào)中區(qū)分，而環(huán)氧樹(shù)脂和裸管的信噪比很好；

（2）3PE、四油三布樣管衰減速率的范圍在2dB/m～5dB/m，且隨著頻率的升高，衰減速率增大；在3PE、四油三布涂層包覆狀態(tài)下，受涂層衰減的影響，操作頻率往低頻移動(dòng)，回波幅值隨頻率的增高而降低；

（3）對(duì)于3PE、四油三布、環(huán)氧樹(shù)脂三種不同涂層，環(huán)氧樹(shù)脂清漆回波幅值與裸管回波幅值接近，環(huán)氧樹(shù)脂回波幅值最大，3PE回波幅值最小，缺陷反射回波強(qiáng)度排序如下：環(huán)氧樹(shù)脂>四油三布>3PE。這說(shuō)明涂層是導(dǎo)波衰減的重要來(lái)源，最重要的考慮因素是涂層和管道之間的粘合狀態(tài)和厚度，3PE與管道粘合最緊密且涂層最厚，所以回波幅值最小且衰減也很大。

表1 實(shí)驗(yàn)管道參數(shù)

表 2 不同涂層管道T波檢測(cè)最大傳播距離

圖2 不同涂層樣管在3m處9%缺陷回波幅值對(duì)比圖

圖3 不同涂層樣管衰減系數(shù)對(duì)比

2.2 靈敏度與最大傳播距離研究

導(dǎo)波檢測(cè)的目的是評(píng)估管道總體狀況，主要是壁厚減薄和腐蝕，均屬于體積性檢查，其沿管道軸向在管壁都有投影，所以橫截面積損失率（CSA）適用于度量導(dǎo)波的檢測(cè)能力[5]。規(guī)定信噪比SNR≥2可以檢測(cè)到給定尺寸的缺陷，最大距離是該尺寸缺陷的檢查范圍。導(dǎo)波的最大傳播距離Xm可以表示為：

式中：STX為發(fā)射信號(hào)的信噪比；SRX為接收信號(hào)的信噪比；r為可檢測(cè)缺陷的大小，等于缺陷橫截面積百分比；a為管道衰減系數(shù)。本文中實(shí)驗(yàn)儀器為Teletest Focus+壓電式導(dǎo)波檢測(cè)儀，發(fā)射信號(hào)的信噪比統(tǒng)一按50dB進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最大傳播距離接收信號(hào)的信噪比規(guī)定為6dB。

通過(guò)對(duì)不同涂層管道進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲取導(dǎo)波衰減系數(shù)，計(jì)算出不同缺陷大小的最大傳播距離，計(jì)算結(jié)果如表2所示。對(duì)于裸管和環(huán)氧樹(shù)脂清漆，3%檢測(cè)靈敏度的單向檢測(cè)距離可達(dá)30m以上。3PE、四油三布對(duì)導(dǎo)波信號(hào)衰減很大，3%檢測(cè)靈敏度的單向檢測(cè)距離約為3m，雙向檢測(cè)距離為6m；9%檢測(cè)靈敏度的單向檢測(cè)距離約為6m[6-7]。

3 結(jié)論與建議

以預(yù)制了相同截面損失率的管體缺陷，不同涂層類型（裸管、環(huán)氧樹(shù)脂、3PE和四油三布），直徑為219mm（壁厚6mm）的碳鋼樣管為對(duì)象，開(kāi)展了導(dǎo)波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得以下結(jié)論：

（1）3PE、四油三布對(duì)導(dǎo)波信號(hào)衰減很大，3PE、四油三布樣管衰減速率的范圍在2dB/m～5dB/m；受涂層衰減的影響，操作頻率往低頻移動(dòng)，較佳缺陷檢出能力的操作頻率區(qū)間為27kHz～36kHz（T 波）；

（2）對(duì)于裸管或薄漆管道，檢測(cè)靈敏度可達(dá)3%的管道橫截面積；對(duì)于厚涂層管道，涂層會(huì)限制導(dǎo)波到達(dá)缺陷位置的能量，降低檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)靈敏度為9%的管道橫截面積；

（3）對(duì)于裸管或薄漆管道，單向有效檢測(cè)距離可達(dá)30m以上；對(duì)于3PE、四油三布管道，單向有效檢測(cè)距離約6m左右；

（4）按照現(xiàn)有的導(dǎo)波檢測(cè)能力，對(duì)于緊密粘合的厚涂層管道（如3PE、四油三布）很難保證100%缺陷的識(shí)別，所以應(yīng)持續(xù)改進(jìn)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)。