沈繼東 張延兵

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院 南通 226011）

聲眼檢測(cè)技術(shù)在管道檢測(cè)中的應(yīng)用

沈繼東 張延兵

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院 南通 226011）

聲眼是一項(xiàng)用于探測(cè)管道內(nèi)部凹陷及材料特性的非穿插式檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)向管內(nèi)發(fā)射脈沖信號(hào)并分析由內(nèi)徑缺陷引發(fā)的反射波進(jìn)行檢測(cè)。本文將從其工作原理、檢測(cè)靈敏度、技術(shù)特點(diǎn)等方面進(jìn)行綜合分析。

聲眼 管道 檢測(cè)

在壓力管道的定期檢驗(yàn)中，常用的無(wú)損檢測(cè)手段主要有超聲、射線、磁粉、滲透等方法，由于有成熟的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是在一些特殊領(lǐng)域的管道，這些檢測(cè)方法就存在一定的使用局限性。例如換熱器換熱管束、鍋爐水冷壁管、省煤器管、冷凝管等，由于這些管道往往密集排布、數(shù)量龐大、缺少必要的檢測(cè)作業(yè)空間，且有時(shí)還存在很多的U型轉(zhuǎn)彎，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法其檢測(cè)效率往往大大折扣，這就需要引入一些新的檢測(cè)技術(shù)。

聲眼是近幾年新興起的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其通過(guò)在管道端部加裝一個(gè)脈沖激發(fā)傳感器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種脈沖信號(hào)的激發(fā)和回收：聲脈沖（APR）和超聲脈沖（UPR），信號(hào)分別在管道內(nèi)部的空氣和管道母材中傳播，達(dá)到同時(shí)檢測(cè)管道內(nèi)部堵塞及管道本體缺陷的目的，此種檢測(cè)方法相較于其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在端部敞開(kāi)式管道的缺陷排查中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 工作原理

1.1 聲脈沖（APR）原理

通過(guò)脈沖信號(hào)激發(fā)裝置產(chǎn)生的聲脈沖信號(hào)會(huì)沿管道內(nèi)部的空氣進(jìn)行傳播，如果遇到管道橫截面的不連續(xù)，如堵塞或異物附著，就會(huì)產(chǎn)生反射波和透射波，然后脈沖信號(hào)接收器進(jìn)行接收和測(cè)量，從而完成缺陷的定位與測(cè)量。

檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)于管道截面的不連續(xù)，其特征往往決定了脈沖反射波的振幅和形式：橫截面減少會(huì)產(chǎn)生正弦回波（如堵塞）；橫截面增加（如腐蝕）會(huì)產(chǎn)生余弦回波；穿孔會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更復(fù)雜的圖形，其形狀受穿孔大小及流出管外的聲脈沖信號(hào)能量大小的影響。在實(shí)際檢測(cè)中，管道內(nèi)部的不連續(xù)的即使同時(shí)存在，也不會(huì)影響其附近波的波形的繼續(xù)傳播，一般情況下由于脈沖信號(hào)在傳播途中會(huì)產(chǎn)生衰減，脈沖信號(hào)接收器接收到的回波往往經(jīng)過(guò)二次放大。圖1列出了幾種典型缺陷的聲脈沖反射信號(hào)原理圖。

圖1 管道不連續(xù)引發(fā)脈沖反射波

在不連續(xù)處，原始脈沖的部分聲能被反射回來(lái)，部分繼續(xù)沿管子傳播，接下來(lái)的不連續(xù)將再次引起反射。因此，正確分析管的內(nèi)部情況就需要對(duì)傳聲器接收到的回波進(jìn)行合理的闡釋。由于聲眼是利用回波返回的時(shí)間計(jì)算管道截面不連續(xù)的準(zhǔn)確位置，再結(jié)合具體的反射信號(hào)圖形分析管道內(nèi)部不連續(xù)缺陷的性質(zhì)，再加上實(shí)際操作中，反射脈沖的形狀還會(huì)受換能器性能的限制，因此實(shí)際檢測(cè)得到的反射波圖形會(huì)比圖1的原理圖復(fù)雜。

1.2 超聲脈沖（UPR）原理

通過(guò)脈沖信號(hào)激發(fā)裝置產(chǎn)生一束超聲脈沖信號(hào)，充斥整個(gè)管道圓周方向和整個(gè)管壁厚度，向遠(yuǎn)處傳播，信號(hào)傳輸過(guò)程中遇到缺陷時(shí)，缺陷在徑向截面上有一定的面積，會(huì)在缺陷處返回一定比例的反射波，因此可由同一探頭陣列檢出返回信號(hào)來(lái)發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷的大小。管壁厚度中的任何變化，無(wú)論內(nèi)壁或外壁，都會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，被探頭陣列接收到，因此可以檢出管子內(nèi)外壁由腐蝕或侵蝕引起的金屬缺損（缺陷），根據(jù)缺陷產(chǎn)生的附加波型轉(zhuǎn)換信號(hào)，可以把金屬缺損與管子外形特征（如焊縫輪廓等）識(shí)別開(kāi)來(lái)。

圖2 APR與UPR傳播示意圖

超聲脈沖信號(hào)從本質(zhì)上講其機(jī)理為超聲導(dǎo)波，只是它的脈沖信號(hào)產(chǎn)生是由管道內(nèi)壁的信號(hào)激發(fā)裝置產(chǎn)生（一般為壓電傳感器），這與傳統(tǒng)的超聲導(dǎo)波從外部產(chǎn)生導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)有所不同，這是由其針對(duì)的檢測(cè)對(duì)象實(shí)際特點(diǎn)決定的。另一方面，由于其檢測(cè)的管道距離相對(duì)較短，對(duì)檢測(cè)精度要求更高，這就是使得超聲脈沖的檢測(cè)頻率更高，一般采用高頻導(dǎo)波信號(hào)（50～500kHz），且往往根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同選擇不同的頻率范圍，實(shí)現(xiàn)寬頻帶掃描檢測(cè)。超聲脈沖信號(hào)主要有三種波型模式：縱向模式（L模式）、扭轉(zhuǎn)模式（T模式）和彎曲模式（F模式），其對(duì)管道的各種缺陷特征有著不同的檢測(cè)靈敏度，因此在實(shí)際檢測(cè)中一般采用多模式（多探頭模塊）檢測(cè)，即同時(shí)進(jìn)行例如縱向波和扭轉(zhuǎn)波操作，可以收集到被檢測(cè)管道更全面的信息而不致發(fā)生漏檢。

2 聲脈沖（APR）和超聲脈沖（UPR）對(duì)缺陷的靈敏度

2.1 壁損

對(duì)APR來(lái)說(shuō)，壁損表現(xiàn)為橫截面的局部增加，然而采用UPR，則表現(xiàn)為管壁自身的截面減少。因此，利用APR技術(shù)，內(nèi)徑壁損將表現(xiàn)為負(fù)脈沖伴隨正脈沖（見(jiàn)圖1），而UPR的極性則正好相反［1］。更重要的是，UPR的反射振幅相對(duì)更大，這主要是因?yàn)楣鼙诘臋M截面（UPR波的傳播介質(zhì)）遠(yuǎn)小于管子包圍的空氣橫截面（APR波的傳播介質(zhì)）。例如，一個(gè)典型的壁損，直徑1″壁厚2mm的管子，存在一個(gè)直徑5mm、點(diǎn)蝕50%的壁損缺陷（見(jiàn)圖3）：點(diǎn)蝕最寬處，造成管壁截面降低6.5%（UPR檢測(cè)），而引起的管內(nèi)空氣橫截面增加僅為1.2%（APR檢測(cè)）。因此，雖然兩種技術(shù)基本檢測(cè)方法相似，但峰值極性相反，UPR比APR對(duì)壁損的靈敏度更高。此外，UPR可檢測(cè)外徑缺陷，但UPR本身無(wú)法對(duì)內(nèi)外徑缺陷進(jìn)行區(qū)分，如果同時(shí)參考APR和UPR的檢測(cè)結(jié)果，就可以區(qū)分。

2.2 堵塞

堵塞會(huì)引起橫截面的減少，APR的信號(hào)特征為正脈沖連負(fù)脈沖，并且，幾乎不受堵塞物材質(zhì)的影響（氧化皮、碎片、污泥或淤積的水）。這是因?yàn)樗羞@些物質(zhì)的電阻抗特性都比空氣的大的多。然而，在UPR中，堵塞程度依賴(lài)于堵塞物與管壁的緊密度以及與管壁電阻抗特性的相對(duì)大小。一般來(lái)說(shuō)，緊密依附在管壁的堵塞將引起管壁橫截面的增加，表現(xiàn)為負(fù)脈沖連正脈沖。因此UPR在檢測(cè)堵塞的程度方面可靠性不高，但APR在堵塞的檢測(cè)上非常精確。

2.3 穿孔

對(duì)UPR來(lái)說(shuō)，穿孔與極端壁損從機(jī)理上很相似，因此UPR相對(duì)APR有更高的檢測(cè)靈敏度。但由于穿孔和極端深度點(diǎn)蝕在厚度方面差別極小，檢測(cè)時(shí)即使對(duì)深度的一個(gè)微小的偏差都會(huì)將穿孔誤判為深度點(diǎn)蝕。從上述壁損缺陷的分析上可以看出，APR在對(duì)穿孔和壁損信號(hào)的反映上是有本質(zhì)上的區(qū)別（見(jiàn)圖1），因此在脈沖反射檢測(cè)儀中，APR則常被用來(lái)進(jìn)行點(diǎn)蝕和穿孔的性質(zhì)區(qū)分。

2.4 裂紋

細(xì)小裂紋引起的是管壁的不連續(xù)，因此只能被UPR檢測(cè)出，產(chǎn)生的回波受裂紋方向的影響。舉一個(gè)極端的例子，如圓周性裂紋將引起徑向管壁截面的大幅減小，軸向裂紋將引起軸向管壁截面的小幅減小。UPR可同時(shí)檢測(cè)這兩種缺陷，主要利用反射脈沖信號(hào)的峰高、內(nèi)峰距離、傳播時(shí)間等技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)該類(lèi)型的缺陷的判斷。

3 檢測(cè)案例

選擇2臺(tái)已經(jīng)停用（管束有多根管道穿孔泄漏）的換熱器對(duì)其管束進(jìn)行脈沖反射法檢測(cè)，通過(guò)對(duì)已知缺陷的復(fù)驗(yàn)，檢驗(yàn)該技術(shù)的可靠性，型號(hào)DX5000A-R，管子內(nèi)徑34″，材質(zhì)碳鋼管，壁厚0.083″，1.2m長(zhǎng)。分別選用兩種脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖4 檢測(cè)結(jié)果（1號(hào)換熱器和2號(hào)換熱器）

圖5 附著物堵塞缺陷

圖6 腐蝕缺陷

目前國(guó)內(nèi)最常用的換熱器設(shè)備檢測(cè)方式為：停產(chǎn)清洗、充水、打壓，通過(guò)觀察液體是否泄漏進(jìn)而衡量換熱器管束是否有泄漏發(fā)生。這種方式有兩個(gè)弊端：首先停產(chǎn)打壓需要很多的工序，也耗費(fèi)大量的成本；其次是它只對(duì)管束漏不漏進(jìn)行檢測(cè)，即使管束還有微量剩余壁厚，還未出現(xiàn)泄漏，這種檢測(cè)方法就無(wú)法有效發(fā)現(xiàn)，就有可能導(dǎo)致檢測(cè)完成后在很短的時(shí)間內(nèi)，又出現(xiàn)了泄漏。因此企業(yè)迫切需要一種新的檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)換熱器管束缺陷的定量檢測(cè)。

圖7 穿孔缺陷

現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠應(yīng)用在換熱器管束檢測(cè)上的主要有內(nèi)窺鏡和渦流檢測(cè)兩種。其中內(nèi)窺鏡由于是肉眼觀看，缺陷無(wú)法定量，且受內(nèi)窺鏡探測(cè)距離的影響，因此效果并不理想。渦流檢測(cè)技術(shù)同樣由于受限于探測(cè)距離，因?yàn)閾Q熱器管束有五六米或者十幾米都是很正常的，而渦流檢測(cè)同樣需要將傳感器塞入管束里，因此檢測(cè)距離一般不超過(guò)2～3m且管道不能有彎頭［2-4］，這些因素都限制了其在換熱器設(shè)備上的檢測(cè)范圍。

從上面的分析可以看出，聲眼檢測(cè)是超聲脈沖加聲脈沖疊加的檢測(cè)技術(shù)，在管道端部插入一個(gè)脈沖激發(fā)和接收（為同一裝置）裝置，即可一次性完成整根管道缺陷的定位、定性和定量，探測(cè)距離可以有幾十米，且基本不受彎頭影響，其檢測(cè)效率和檢測(cè)適用性較其他檢測(cè)手段有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

在對(duì)這2臺(tái)換熱器的檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了已知穿孔缺陷100%的檢出率，而且對(duì)管束內(nèi)部的其他腐蝕和堵塞缺陷也進(jìn)行了有效的排查，通過(guò)這些檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備的使用周期即可為該換熱器的使用壽命預(yù)測(cè)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

從工作原理上分析，聲眼檢測(cè)是整合了聲波檢測(cè)和導(dǎo)波檢測(cè)兩種成熟的檢測(cè)技術(shù)。其技術(shù)應(yīng)該是可靠的，這一點(diǎn)在大量的工程檢驗(yàn)中已經(jīng)得到了驗(yàn)證，但其還有一定的使用局限性，其適應(yīng)的檢測(cè)范圍相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法還相對(duì)狹小，主要包含兩個(gè)方面：

1）由于此種技術(shù)的脈沖信號(hào)是由貼合在管道內(nèi)壁的傳感器陣列激發(fā)產(chǎn)生，因此在檢測(cè)過(guò)程中，被檢管道必須是開(kāi)口的管道，這就限制了在常規(guī)工業(yè)管道上的應(yīng)用［5］。

2）其作為一種新型檢測(cè)方法，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)予以支持，因此也制約了其在常規(guī)設(shè)備檢驗(yàn)中的推廣。

但聲眼檢測(cè)作為一種專(zhuān)用的管道檢測(cè)方法，還是有其非常顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其在換熱器換熱管束、鍋爐水冷壁管、省煤器管、冷凝管等管道的檢驗(yàn)中有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ Amir N，Shimony U，Rosenhouse G.A Discrete Model for Tubular Acoustic Systems with Varying Cross Section--The Direct and Inverse Problems.Part 1：Theroy［M］. Acustica 81，1995：450-462

［2］ Amir N，Shimony U，Rosenhouse G.A Discrete Model for Tubular Acoustic Systems with Varying Cross Section--The Direct and Inverse Problems. Part 2：Experiments［M］.Acustica 81，1995：453-474.

［3］ Chilekwa V，Sharp D B and Hill T J W. Leak Detection in Musical Wind Instruments Using Acoustic Pulse Reflectometry［A］. Proceedings of the Stockholm Music Acoustic Conference［C］. Stockholm， 2003.

［4］ Amir N，Shimony U，Rosenhouse G.Losses in Tubular Acoustic Systems--Theory and Experiment in the Samples Time and Frequency Domains［J］.Acoustica 182，1996：1-8.

［5］ 倪進(jìn)飛，劉紅文，童亮，等.聲脈沖管道檢漏在電站檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.江西電力，2004，28（1）：43-44+48.

對(duì)于上述封頭示例，其名義厚度的輸入值為δnh=8.5+0.3=8.8mm，軟件計(jì)算得到的封頭有效厚度才是6.5mm。這樣才能反映出封頭有效厚度的真實(shí)值，設(shè)計(jì)計(jì)算才能滿(mǎn)足安全要求。

5 結(jié)論

為保證壓力容器的運(yùn)行安全，壓力容器封頭的最大允許工作壓力、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)與臥式容器封頭應(yīng)力計(jì)算，應(yīng)采用設(shè)計(jì)所需的最小成形厚度減去腐蝕裕量作為封頭的有效厚度。

壓力容器成品封頭實(shí)測(cè)的最小厚度不得小于設(shè)計(jì)所需的最小成形厚度。

參考文獻(xiàn)

［1］ GB 150—2011 鋼制壓力容器［S］.

［2］ GB/T 25198—2010 壓力容器封頭［S］.

The Application of Acoustic Eye Technology in Pipeline Testing

Shen Jidong Zhang Yanbing
（Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province Nantong 226011）

As a kind of non-insert testing technology， the Acoustic Eye testing method has been always used in pipeline internal detection testing and material properties testing. This article focuses on analysis of the defect pulse refection signal working principle， sensitivity， technical characteristics， etc.

Acoustic Eye Pipeline Testing

X933.4

B

1673-257X（2016）10-0037-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.009

沈繼東（1964 ～），男，本科，副院長(zhǎng)，高級(jí)工程師，從事承壓類(lèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)及相關(guān)技術(shù)研究工作。

2016-05-06）