劉 爭(zhēng),李 揚(yáng)

(中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司,廊坊065000)

管道衰減系數(shù)對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)距離的影響

劉 爭(zhēng),李 揚(yáng)

(中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司,廊坊065000)

采用磁致伸縮超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)管道衰減系數(shù)與導(dǎo)波檢測(cè)距離的關(guān)系進(jìn)行了研究,針對(duì)不同埋設(shè)環(huán)境、不同衰減系數(shù)的管道,合理評(píng)估導(dǎo)波檢測(cè)距離及檢測(cè)成本,減少?gòu)?fù)雜環(huán)境下導(dǎo)波檢測(cè)性能降低導(dǎo)致的檢測(cè)費(fèi)用增加、檢測(cè)工期延長(zhǎng)等問(wèn)題的出現(xiàn),從而更加合理地編制導(dǎo)波檢測(cè)方案。首先對(duì)衰減系數(shù)與檢測(cè)距離的關(guān)系進(jìn)行了初步探討,根據(jù)檢測(cè)缺陷大小和衰減系數(shù)可計(jì)算出導(dǎo)波的檢測(cè)距離;然后分別對(duì)地上管道、半埋地管道、埋地管道進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明,高衰減對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)距離有強(qiáng)烈的影響,不同埋設(shè)環(huán)境的管道,導(dǎo)波的衰減系數(shù)及檢測(cè)距離有明顯的差異。

超聲導(dǎo)波;埋地管道;檢測(cè);衰減系數(shù);靈敏度

導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)是在20世紀(jì)90年代才發(fā)展起來(lái)的新的管道腐蝕檢測(cè)技術(shù),與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比,具有快速篩查管道腐蝕及缺陷,進(jìn)行初步評(píng)價(jià)的能力,并可檢測(cè)工廠(chǎng)架空管道、水下管道、被保溫層包覆管道、難以接近或受限區(qū)域的管道等傳統(tǒng)檢測(cè)難以實(shí)施的區(qū)域。

按照激勵(lì)方式的不同,導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)主要分為兩種[1]:一種是以壓電晶片為基礎(chǔ)的導(dǎo)波系統(tǒng);另一種是以磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)(MsS)及其逆效應(yīng)為基礎(chǔ)的導(dǎo)波系統(tǒng)。筆者利用磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)的MsSR3030R超聲導(dǎo)波系統(tǒng),對(duì)不同衰減環(huán)境下的管道進(jìn)行了導(dǎo)波檢測(cè)。

1 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)

MsSR3030R超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)是美國(guó)西南研究院基于磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng),開(kāi)發(fā)的低頻導(dǎo)波檢測(cè)設(shè)備,通常使用10 k Hz～128 k Hz頻率段,以及T(0,1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè),主機(jī)信噪比為50 dB(信號(hào)是噪聲信號(hào)的300倍),具有檢測(cè)靈敏度高,檢測(cè)距離長(zhǎng),并可進(jìn)行高溫檢測(cè)及監(jiān)測(cè)等特性。

筆者采用MssR3030R檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同埋設(shè)環(huán)境的管道進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn),研究不同衰減環(huán)境對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)距離的影響,針對(duì)不同埋設(shè)環(huán)境、不同衰減系數(shù)的管道,合理評(píng)估導(dǎo)波檢測(cè)距離及導(dǎo)波檢測(cè)成本,減少?gòu)?fù)雜環(huán)境下導(dǎo)波檢測(cè)性能降低導(dǎo)致的檢測(cè)費(fèi)用增加、檢測(cè)工期延長(zhǎng)等問(wèn)題的出現(xiàn),從而更加合理地編制導(dǎo)波檢測(cè)方案。

2 導(dǎo)波基本特性及參數(shù)

2.1 靈敏度

因?qū)Р▽?duì)管道橫截面上的變化較為敏感,導(dǎo)波的檢測(cè)靈敏度用缺陷面積占管道總橫截面積的百分比來(lái)評(píng)價(jià),圖1為缺陷截面與管道截面示意,圖中缺陷(紅色)區(qū)域面積總和與總面積(藍(lán)色與紅色區(qū)域面積之和)的百分比來(lái)評(píng)價(jià)。如當(dāng)前的導(dǎo)波設(shè)備檢測(cè)水平可達(dá)3%,即當(dāng)缺陷總面積達(dá)到管道橫截面積的3%時(shí)便可檢出。

圖1 缺陷截面與管道截面示意

導(dǎo)波能夠檢測(cè)到比波長(zhǎng)小許多的缺陷,關(guān)于導(dǎo)波靈敏度的研究結(jié)果在較早的刊物上就已發(fā)表過(guò)[2－4]。導(dǎo)波能檢測(cè)出缺陷的位置及反射百分比,量化時(shí)不能保證缺陷的具體形狀,如需精確量化,要采用其他無(wú)損檢測(cè)方法(如內(nèi)腐蝕缺陷用C掃描檢測(cè))。

2.2 模態(tài)選擇

導(dǎo)波的傳播特征取決于結(jié)構(gòu)的幾何學(xué)特征以及介質(zhì)的聲學(xué)性能,頻散曲線(xiàn)對(duì)于導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)管道是非常重要的,圖2顯示了一個(gè)114 mm外徑的鋼管在0～100 k Hz頻率范圍的頻散曲線(xiàn)[5－6],圖中的每一條曲線(xiàn)都代表一種可能的導(dǎo)波模態(tài)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)應(yīng)用的頻率范圍內(nèi)同時(shí)存在幾種模態(tài),而使用多種模態(tài)所帶來(lái)的復(fù)雜性將極大地削弱導(dǎo)波技術(shù)的實(shí)用性,所以為了達(dá)到管道檢測(cè)的目的有必要對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)化,檢測(cè)時(shí)僅選擇采用某種模態(tài)[7－8]。

導(dǎo)波在管道中有三種模態(tài)形式存在:縱向模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)、彎曲模態(tài)。圖3為114 mm外徑管道不同狀態(tài)下的衰減系數(shù),如圖2中群速度頻散曲線(xiàn)所示,只有模態(tài)為T(mén)(0,1)的群速度不隨導(dǎo)波頻率的改變而改變,因此,該模態(tài)長(zhǎng)距離傳播時(shí)不頻散,波形不會(huì)發(fā)生畸變,有利于管道的長(zhǎng)距離檢測(cè)。MsSR3030R系統(tǒng)采用的是T(0,1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)。

圖2 114 mm外徑鋼管(壁厚8.6 mm)的群速度頻散曲線(xiàn)

圖3 114 mm外徑管道不同埋深下的衰減系數(shù)

2.3 導(dǎo)波的衰減

導(dǎo)波的衰減可降低可檢信號(hào)的信噪比,從而影響導(dǎo)波的檢測(cè)質(zhì)量。衰減系數(shù)是影響導(dǎo)波檢測(cè)距離的重要參數(shù),可用下式表示:

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

一般來(lái)說(shuō),頻率的增加和管道埋深的增加都會(huì)引起衰減增高。管道的外防腐層對(duì)衰減有較大影響,在32 k Hz檢測(cè)頻率下,在光的或涂漆的管線(xiàn)上,理想情況下典型的衰減值接近0.03～0.06 dB·m－1,而煤焦油防腐層管道的衰減值為1 dB·m－1[9]。

外徑114 mm、防腐類(lèi)型為煤焦油磁漆的管道,在不同埋設(shè)深度時(shí)的衰減系數(shù)如圖3所示[10]。以30 k Hz檢測(cè)時(shí),衰減系數(shù)從無(wú)土壤覆蓋的1 dB·m－1到有1.7 m厚土壤覆蓋的3.66 dB·m－1,衰減系數(shù)增加2.6倍;以10 k Hz檢測(cè)時(shí),衰減系數(shù)從無(wú)土壤覆蓋的0.27 dB·m－1到有1.7 m厚土壤覆蓋的1.5 dB·m－1,衰減系數(shù)增加了4.5倍。在固定檢測(cè)頻率下,衰減系數(shù)隨著埋深的增加而增大。

2.4 檢測(cè)距離

規(guī)定好最低可檢測(cè)缺陷大小的條件下,導(dǎo)波的檢測(cè)距離Rα可以表示為[11]:

Rα＝[STX－SRX＋20·lg(d%)]/2 (2)式中:α為衰減系數(shù);d為可檢測(cè)缺陷的大小,等于相對(duì)于總管壁橫截面積的百分比缺陷尺寸;STX為發(fā)射信號(hào)的信噪比;SRX為接收信號(hào)的信噪比。

例如:MsSR3030R導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)振幅比噪聲高大約300倍,即STX為50 dB;MsSR3030R導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)缺陷的檢測(cè)閾值為6 dB,即信號(hào)振幅比噪聲振幅高2倍,即SRX為6 dB;d為可檢測(cè)缺陷的大小,當(dāng)d分別取1～20時(shí),檢測(cè)距離與衰減系數(shù)乘積和缺陷大小關(guān)系如圖4所示。

圖4 檢測(cè)距離與衰減系數(shù)乘積和缺陷大小關(guān)系曲線(xiàn)

如圖4所示,Rα隨著d(缺陷尺寸)的增大而呈對(duì)數(shù)的增大,對(duì)于指定的缺陷大小d,Rα為固定值。當(dāng)了解了管線(xiàn)的防腐層材料、埋設(shè)情況、變形及附屬物特征時(shí),可以對(duì)衰減系數(shù)進(jìn)行估計(jì),從而可計(jì)算出檢測(cè)不同缺陷大小時(shí)的檢測(cè)距離。

地上裸露管線(xiàn)的特征衰減系數(shù)為0.03 dB·m－1、埋地管道的特征衰減系數(shù)為3 dB·m－1,假定要求最小可檢測(cè)出2%或5%的缺陷,可計(jì)算出導(dǎo)波的可檢測(cè)距離,結(jié)果如表1所示。

表1 不同缺陷大小、不同衰減系數(shù)對(duì)檢測(cè)距離的影響

通過(guò)以上例子可得出:在同樣檢測(cè)精度的條件下,埋地管道比地上裸露管線(xiàn)的可檢測(cè)距離要短的多,高衰減對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)范圍有強(qiáng)烈影響,埋地管線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)波的高衰減現(xiàn)象是導(dǎo)波技術(shù)在埋地管線(xiàn)上的檢測(cè)范圍比在地面裸露管線(xiàn)上要短得多的基本原因。

3 導(dǎo)波檢測(cè)案例

雖然導(dǎo)波檢測(cè)在埋地、瀝青防腐管道中的高衰減特性,會(huì)降低導(dǎo)波設(shè)備檢測(cè)距離和識(shí)別小缺陷的能力,但對(duì)不具備智能內(nèi)檢測(cè)器檢測(cè)條件的油田老舊埋地集輸管網(wǎng),超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)為其提供了可行的解決方案。

分別對(duì)地上管道、半埋地管道、埋地管道進(jìn)行了導(dǎo)波檢測(cè)實(shí)踐,計(jì)算出不同埋設(shè)環(huán)境下的衰減系數(shù)。因頻率及防腐層對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)精度及檢測(cè)距離具有較大影響,為使檢測(cè)結(jié)果具有可參考性,排除其他因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中均使用273 mm管外徑、3PE防腐層的管道,檢測(cè)頻率均使用32 k Hz。

使用MsSR3030R超聲導(dǎo)波設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析。探頭與管道采用膠水進(jìn)行耦合,探頭的安裝、設(shè)備的連接及數(shù)據(jù)采集較為簡(jiǎn)單。

3.1 地上管道導(dǎo)波檢測(cè)

檢測(cè)管道為地上新建管道,管外徑273 mm,壁厚5.6 mm,具有3PE防腐層。探頭安裝在管道端頭處,探頭處防腐層剝離并打磨后涂抹耦合劑,探頭與鋼材耦合良好。地上管道導(dǎo)波檢測(cè)及分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 地上管道導(dǎo)波檢測(cè)及分析結(jié)果

利用最近的兩條焊縫信號(hào)反射幅值來(lái)計(jì)算衰減系數(shù),檢測(cè)頻率32 k Hz時(shí)導(dǎo)波的衰減系數(shù)α為0.29 d B·m－1。

將計(jì)算出的衰減系數(shù)代入檢測(cè)距離公式,可計(jì)算出具有3PE防腐層的地上管道的不同缺陷大小時(shí)的單向可檢測(cè)距離,因?qū)Р呻p向傳播,實(shí)際檢測(cè)距離為單側(cè)檢測(cè)距離的兩倍,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)計(jì)算,對(duì)3PE防腐層的地上管道,特征衰減系數(shù)為0.29 dB·m－1。對(duì)5%的缺陷,單向有效檢測(cè)距離為31 m,雙向可檢測(cè)距離為62 m;對(duì)10%的缺陷,單向可檢測(cè)距離為43.4 m,雙向可檢測(cè)距離為86.8 m。

3.2 半埋地管道導(dǎo)波檢測(cè)

檢測(cè)管道為半埋地管道,外徑273 mm,壁厚5.6 mm,具有3PE防腐層,入土端埋深1.5 m。探頭安裝在管道端頭處,探頭處剝離防腐層并打磨后涂抹耦合劑,探頭與鋼材耦合良好,檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖6 地上管道的不同缺陷大小時(shí)的單向可檢測(cè)距離

圖7 半埋地管道導(dǎo)波檢測(cè)及分析結(jié)果

利用最近的兩條焊縫信號(hào)反射幅值來(lái)計(jì)算衰減系數(shù),檢測(cè)頻率32 k Hz時(shí)導(dǎo)波的衰減系數(shù)α為0.43 dB·m－1。

將計(jì)算出的衰減系數(shù)代入檢測(cè)距離公式,可計(jì)算出3PE防腐層的地上管道在不同缺陷大小時(shí)的單向可檢測(cè)距離,因?qū)Р呻p向傳播,實(shí)際檢測(cè)距離為單側(cè)檢測(cè)距離的兩倍,計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 半埋地管道的不同缺陷大小時(shí)的單向可檢測(cè)距離

通過(guò)計(jì)算,對(duì)3PE防腐層的半埋地管道,未入土段的特征衰減系數(shù)為0.43 dB·m－1。對(duì)5%的缺陷,單向有效檢測(cè)距離為20.9 m,雙向可檢測(cè)距離41.8 m;對(duì)10%的缺陷,單向有效檢測(cè)距離為27.9 m,雙向可檢測(cè)距離55.8 m。

3.3 埋地管道導(dǎo)波檢測(cè)

檢測(cè)管道為埋地管道,外徑273 mm,壁厚5.6 mm,3PE防腐層,埋深3.3 m。探頭安裝在管道端頭處,探頭處防腐層剝離并打磨后涂抹耦合劑,探頭與鋼材耦合良好,其檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 埋地管道導(dǎo)波檢測(cè)及分析結(jié)果

因管道埋設(shè)較深(3.3 m),現(xiàn)場(chǎng)未檢測(cè)出焊縫信號(hào),無(wú)法利用焊縫信號(hào)計(jì)算衰減系數(shù)α,在圖9的數(shù)據(jù)分析結(jié)果中,PS1為管道入土處,導(dǎo)波入土后迅速衰減,傳播距離較短,檢測(cè)主要針對(duì)未全部入土段管道,單側(cè)檢測(cè)距離共約3 m。

3.4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)不同埋設(shè)條件下的管道進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè),計(jì)算出相應(yīng)的衰減系數(shù)及不同缺陷大小時(shí)的可檢測(cè)距離,結(jié)果如表2所示。

表2 不同埋設(shè)條件下管道的導(dǎo)波衰減系數(shù)及可檢測(cè)距離

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知:地上管道衰減系數(shù)最小僅為0.29 dB·m－1;半埋地管道的衰減系數(shù)為0.43 d B·m－1;埋地管道的導(dǎo)波衰減最大,導(dǎo)波入土后迅速衰減,傳播距離較短,在實(shí)際應(yīng)用中不建議對(duì)埋地管道進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同埋設(shè)環(huán)境下的管道進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)可以得出:在管道類(lèi)型相同,檢測(cè)頻率固定的條件下,地上管道的衰減系數(shù)最小僅為0.29 d B·m－1,5%缺陷大小時(shí)雙向檢測(cè)距離62 m,10%缺陷大小時(shí)雙向檢測(cè)距離86.8 m;半埋地管道的衰減系數(shù)為0.43 d B·m－1,5%缺陷大小時(shí)雙向檢測(cè)距離41.8 m, 10%缺陷大小時(shí)雙向檢測(cè)距離55.8 m;埋地管道的導(dǎo)波衰減最大,導(dǎo)波入土后迅速衰減,傳播距離較短,在實(shí)際應(yīng)用中不建議對(duì)埋地管道進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)。

不同埋設(shè)環(huán)境下的管道,衰減系數(shù)及檢測(cè)距離都有較大的變化,所以建議在實(shí)施導(dǎo)波檢測(cè)前,首先對(duì)管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析,根據(jù)分析結(jié)果對(duì)管道衰減系數(shù)進(jìn)行合理估計(jì),計(jì)算出不同缺陷大小時(shí)導(dǎo)波的可檢測(cè)距離,避免因經(jīng)驗(yàn)不足造成對(duì)高衰減環(huán)境下檢測(cè)精度及檢測(cè)距離的判斷失誤,為合理編制導(dǎo)波檢測(cè)施工計(jì)劃提供依據(jù)。

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圖11 熔合面夾雜缺陷超聲檢測(cè)和實(shí)物解剖結(jié)果

(2)設(shè)計(jì)了聚乙烯熱熔對(duì)接接頭超聲相控陣檢測(cè)裝置,通過(guò)試制的包含氣孔、熔合面夾雜等典型缺陷的試樣接頭,對(duì)超聲檢測(cè)技術(shù)和裝置進(jìn)行了可靠性測(cè)試和工藝試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,提出的超聲相控陣技術(shù)和設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置能可靠地檢測(cè)聚乙烯熱熔對(duì)接接頭中的氣孔、熔合面夾雜等各類(lèi)典型缺陷。

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Effect of Pipeline Attenuation Coefficient on Ultrasonic Guided Wave Inspection Range

LIU Zheng,LI Yang
(China Petroleum Pipeline Inspection Technologies Co.,Ltd.,Langfang 065000,China)

The effect of attenuation on inspection range was studied experimentally by using the magnetostrictive ultrasonic guided wave technology,aiming to help the pipeline manager to assess the rang of inspection and the price of inspection,and to make proper inspection plan before carry out guided wave test,because the pipelines in complicated surroundings can cost more inspection time and inspection price.First,the relationship between attenuation and inspection range had been researched,then the range of inspection under known value of attenuation coefficient could be calculated.Three pipeline inspection experiments were undertaken in different surroundings (above ground pipeline,half-buried pipeline and buried pipeline).The experimental result shows that high attenuation strongly affects the range of inspection and a significant change in the attenuation coefficient and inspection range exists for different surroundings.

Guided wave;Buried pipeline;Inspection;Attenuation coefficient;Sensitivity

TG115.28

:B

:1000-6656(2017)01-0061-05

10.11973/wsjc201701015

2016-06-22

劉 爭(zhēng)(1981－),男,工程師,主要從事管道完整性專(zhuān)業(yè)方向的研究工作。

劉 爭(zhēng),E-mail:541732847＠qq.com。