孫立瑛，李一博

(1. 天津城市建設學院 能源與機械工程系，天津 300384；2. 天津大學 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072)

無損檢測(non-destructive test，簡稱NDT)主要用于制造過程中的質量控制和運行過程中的狀態(tài)監(jiān)測．主要的無損檢測方法包括：滲透、磁粉探傷、渦流檢測、射線以及超聲波等[1]．因為無損檢測的非破壞性和非大規(guī)模侵入性，在石油化工行業(yè)在役結構和部件的裂紋及腐蝕缺陷檢測方面應用較為廣泛．

由于我國大部分油氣管道的服役時間均已在 30年以上，故金屬的腐蝕已經成為威脅管道安全運行的嚴重隱患．長距離油氣管道的檢測作業(yè)距離長，位置變化大，管道沿線障礙物多，屏蔽多，因此，很多管道部位無法接觸或接近，宏觀目視檢查受到限制．這就使檢測者難以掌握管道的全面情況，獲得更多有價值的信息．

超聲導波(ultrasonic guided waves)技術是近年來發(fā)展出來的一種能夠對管道的金屬腐蝕情況進行快速、長距離、大范圍、相對低成本檢測的無損檢測方法[2]．在固體中傳播的超聲導波，由于本身的特性，沿傳播路徑的衰減很小，可以沿構件傳播幾十至百余米遠的距離[3]，因此，可以對管道進行較長距離的非接觸式檢測．同時，超聲導波可以在充液、埋地、帶套管或包覆層的管道中傳播，克服了傳統(tǒng)無損檢測方法需要逐點掃描的缺點，故使得檢測此類工業(yè)管道的費用大大降低．利用超聲導波檢測管道，快速、經濟且無需剝離外包覆層，是管道檢測的一個新興發(fā)展方向．

1 管道超聲導波的檢測原理

1.1 圓管中超聲導波的模態(tài)[4]

管道中傳播的超聲導波又稱為柱面導波，可分為縱向模態(tài) L(0，,m)、扭轉模態(tài) T(0， m)和彎曲模態(tài)F(n， m)．其中，模數 m(m=1,2,3…)反映的是導波在管道厚度方向上的振動形態(tài)，而周向階數n表示的是導波繞管壁螺旋式傳播的形態(tài)(n=1,2,3…)，對應的是非軸對稱模態(tài)的導波，如圖1所示．

圖1 導波在圓管中的三種模態(tài)

1.2 管道超聲導波的檢測原理

導波在管道中傳播時，管道所有的不連續(xù)處和管道幾何形狀的改變都會引起導波傳播速度的變化．當管壁的厚度發(fā)生改變(減薄或增厚)時，就會引起導波傳播速度的變化，從而產生攜帶結構缺陷信息的反射回波，對所接收的信號進行處理，即能判斷所檢測結構中存在缺陷的位置，并對其尺寸進行估計．

采用超聲導波技術對管道缺陷進行檢測時，首先通過安裝在管道上的傳感器環(huán)發(fā)出超聲脈沖，由于傳感器均勻分布在管道的周向，故所發(fā)出的脈沖布滿整個管道的圓周方向和整個管壁厚度，向遠處傳播．超聲脈沖在管道中傳播時，管道壁上因腐蝕或侵蝕引起的金屬損失(缺陷)，無論是在內壁或外壁，都會產生反射信號，被傳感器陣列接收到，如圖2a所示．根據缺陷產生的波形轉換信號，可將金屬缺損與管道外形特征(如焊縫輪廓等)識別開來．對稱模態(tài)的導波信號遇到環(huán)形焊縫和法蘭將產生對稱模態(tài)的回波；遇到管道垂直方向的缺陷將產生垂直彎曲模態(tài)的回波信號；遇到管道水平方向的缺陷將產生水平彎曲模態(tài)的回波信號，如圖2b所示．

圖2 導波的檢測原理

超聲導波與傳統(tǒng)超聲波技術相比具有兩個明顯的優(yōu)勢．首先，在構件的一點處激勵超聲導波，由于導波本身的特性(沿傳播路徑衰減很小)，它可以沿構件傳播非常遠的距離，最遠可達一百余米．接收探頭所接收到的信號包含了有關激勵和接收兩點間結構完整性的信息，因此，一個完整的發(fā)射和接收過程實際上是檢測了一條線，而不是一個點．另一方面，由于超聲導波在管材的內、外表面和中部都有質點的振動，聲場遍及整個壁厚，因此，整個壁厚都可以被檢測到，這就意味著既可以檢測管道的內部缺陷也可以檢測其表面缺陷．另外，采用超聲導波技術對管道進行檢測時，僅需要對安裝傳感器處的管道防腐層進行剝離，尤其適合檢測難以接觸到的管體部位，如帶夾具、有套管或埋地的管道等．

2 超聲導波在管道中的傳播和衰減特性

導波的衰減程度比體波小的多，聲音在波導中傳播的距離遠比空氣中遠．管道是很好的波導，例如，當朝著很長的管道喊話的時候，聲音可以傳播更遠的距離．

波動的衰減是與自身頻率相關的，高頻率波的衰減要比低頻率波嚴重得多．導波和傳統(tǒng)的體波衰減的方式一樣，包括吸收和散射．不僅如此，聲波能量還可通過管道內外表面“泄漏”，如圖3所示．在帶有“黏性”包覆層或運輸介質的管道中，超聲導波的能量衰減很快．

圖3 導波在管道中的衰減示意

導波在介質中傳播時，如遇到孔洞、裂紋等界面不連續(xù)處，就會發(fā)生散射及模式轉換等[5]．兩種介質分界面處對聲波能量的反射值是由二者之間的聲阻差決定的．聲阻之差越大，反射的能量就越大．聲阻是波速和介質密度的乘積，當波的傳播速度發(fā)生變化時，就會引起波的反射和折射．圖4為管道減薄區(qū)域對導波的反射情況．圖中，管道中導波遇到環(huán)焊縫時反射回波的幅度是導波遇到管道末端反射回波幅度的20%，而遇到壁厚1/2的開槽的反射回波的幅度大約為管道末端反射回波幅度的5%左右．

此外，導波在管道中傳播時，所有的不連續(xù)處和管道幾何形狀的改變，都會引起導波傳播速度的變化，并給出回波響應[6]．例如，當管道的焊縫存在某些缺陷(如夾渣、未焊透等)時，會對回波信號的理想性造成影響．而導波通過彎管后，由于彎頭有斜率，導波在圓周方向的聲場發(fā)生變化，或是由于壁厚有變化，導波發(fā)生散射、波形變換和衰減，也會影響回波信號檢出的靈敏度和分辨力．此外，管道包覆層、流體(介質)、沉積物等也會對檢測結果造成一定影響．管內輸送的介質可能會吸收一部分聲波能量，同時，管內的“污泥”或某些腐蝕物、沉積物，以及管道外壁包覆的防腐帶等都可能引起聲波衰減，從而對檢測距離造成影響．所有因素均需要在檢測過程中進行合理判斷，以免影響檢測結果．

圖4 導波遇到環(huán)焊縫及缺陷的反射

3 管道超聲導波檢測實驗

3.1 實驗裝置

實驗采用的管道缺陷檢測系統(tǒng)由超聲導波激勵和接收裝置、電源、計算機及通訊電纜等組成，如圖5所示．傳感器環(huán)固定在管道周圍，由一組并列的等間隔傳感器陣列組成，組成陣列的傳感器數量取決于管徑的大小和導波的模態(tài)[6]．環(huán)向傳感器陣列發(fā)射沿管壁傳播的超聲導波，并接收反射回波．計算機對所接收的信號進行分析處理．檢測時，用壓縮空氣驅動特制的卡環(huán)，以確保傳感器與管道表面接觸良好．使用低頻超聲時，不需要使用耦合劑．管道表面只需進行少量清理工作，一般就是在探頭接觸位置清除松散的氧化皮或銹斑．探頭卡環(huán)安置、調整時間通常不超過20 min．

圖5 管道超聲導波檢測裝置

3.2 現場實驗及結果分析

實驗所用的管材為普通低碳鋼管，無包覆層，表面噴涂防銹漆．管道全長24.65 m，外直徑為 203 mm(8 inch)，壁厚 7.1 mm．傳感器布置在距管端 0.45 m處，為保證導波傳感器與管道表面良好接觸，需將安裝傳感器處的管道外表面清理干凈．為了數據分析方便，傳感器環(huán)的中心位置設為激勵導波的原點．實驗管道上存在多條焊縫和一段彎管，以及人為加工的凹槽等．實驗管道及實驗裝置如圖6所示．

采用軸對稱縱向L(0，2)模態(tài)和扭轉T(0，1)模態(tài)超聲導波進行管道缺陷檢測，對導波在鋼管中傳播時通過焊縫、法蘭后的能量衰減情況，以及通過凹槽、焊疤、支路等不同類型的管道特征及管道缺陷時的反射情況進行了實驗．兩次實驗的 DAC(distance-amplitude correction)圖如圖7所示．

圖6 實驗管道及裝置

圖7 超聲導波檢測的DAC曲線

DAC曲線，即距離一幅值曲線圖中，共設置了0dB、－14dB、－26dB和－32dB四條曲線．實驗中，一般將法蘭信號反射幅度設定為l00%(0dB)，焊縫的反射幅度為 20%(－14dB)，一般以此為依據來確定信號的衰減率．－26dB是報告水平線，對應 9%橫截面蝕失的缺陷響應當量；－32dB線主要是用來檢驗信噪比和對小缺陷靈敏度進行限定，對應3%的管壁減?。?/p>

圖7a顯示的是采用激勵頻率為47 kHz的縱向模態(tài)導波對管道金屬腐蝕情況進行檢測時得到的 DAC圖，從圖中可以看出，在12～14 m之間存在異常信號，但無法有效地對此間的兩處缺陷進行區(qū)分．此外，圖中標注的焊縫信號 D、E、F和 G，信號幅值雖然超過了－26dB報警線，但未達到焊縫水平線(－14dB線)．22 m以后的信號雖然從模態(tài)上尚可區(qū)分其類型，但信號幅值已經較弱，說明由于導波已經連續(xù)穿越多條焊縫及一段彎管，信號能量已經很低．圖7b顯示的是6個周期、激勵頻率為28 kHz的扭轉導波的DAC圖．從圖中可以清楚地看到各條焊縫(Weld A—F)的反射回波，而且成功檢出了12.25 m和13.85 m的兩處缺陷(圖7a中顯示存在異常信號）．在傳播了20 m以后，扭轉導波能量衰減很大，后面的信號已經與背景噪聲模糊在一起，無法對后面的支管、焊縫和管端信號進行分析．

兩次實驗結果與理論分析基本一致．兩種模態(tài)導波在連續(xù)通過焊縫，能量損失較大的情況下，均檢測到缺陷及大部分焊縫，且定位基本準確．說明超聲導波可以在管道中傳播較長的距離．但兩種模態(tài)的導波連續(xù)通過焊縫時能量衰減較大，因此，在實際的檢測過程中導波在通過3條焊縫后對缺陷信號的分辨就會變得困難．從兩種不同模態(tài)導波的 DAC曲線對比可知，前者的波形明顯比后者復雜得多，而且在縱波檢測圖中出現了較為復雜而明顯的疊加現象，焊縫主信號后面尾隨的振蕩波較多．此外，導波技術對于腐蝕區(qū)域的深度比周向范圍更為靈敏，即一個同樣截面的短深的腐蝕區(qū)域比淺寬區(qū)域能產生更大的回波信號．

4 結 語

管道是重要的運輸工具，維護管道的安全運行，防止管道生產事故的發(fā)生是管道工業(yè)生產和安全管理部門的重要工作．筆者所介紹的超聲導波管道檢測技術具有非接觸、檢測成本低、效率高、速度快和能夠檢測管壁整個厚度等優(yōu)勢，可用于對常規(guī)無損檢測方法無法接近的管道進行檢測，如高架管道、穿越公路的管道或海底管道等．在實際應用中，由于不同模態(tài)超聲導波的傳播距離、衰減率不同，而且其對不同類型缺陷的識別能力也不同，因此，應根據管道長度、缺陷性質及類型選擇不同模態(tài)、不同頻率的激勵導波，對管道進行檢測．

需要注意的是，管道超聲導波檢測是一種快速大范圍的掃查檢測方法，主要用于對管道的完整性和安全性進行評價，它對缺陷的定量是近似的．當檢測距離較長時，其對缺陷的定位也較為粗略．因此，在實際的工程應用中，還需要根據具體情況，與其它無損檢測方法結合運用，以便取得更好的檢測效果．

［1］ 李一博，靳世久，孫立瑛. 超聲導波在管道中的傳播特性的研究[J]. 電子測量與儀器學報，2005，19(5)：63-66．

［2］ 何存富，劉增華，吳 斌. 傳感器在管道超聲導波檢測中的應用[J]．傳感器技術，2004，23(11)：5-8．

［3］ ROSE J L，LI Jian，ZHAO Xiaoliang．Ultrasonic guided wave flexural mode tuning for limited access pipe inspection[J]. Quantitative Nondestructive Evaluation，2002，20：164-171．

［4］ 何存富，劉增華， 璟鄭 瑜，等. 管道導波檢測中傳感器數量和頻率特性研究[J]. 北京工業(yè)大學學報，2004，30(4)：393-397．

［5］ QUARRY M J，ROSE J L. Phase velocity spectrum analysis for a time delay comb transducer for guided wave mode excitation [J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，2001，20：861-868．

［6］ LI Yibo，SUN Liying，SONG Zhidong，et al. Study on energy attenuation of ultrasonic guided waves going through girth welds[J]. Ultrasonics，2006，44(n1)：1 111-1 116．