劉 爭,李 揚

(中油管道檢測技術(shù)有限責(zé)任公司,廊坊065000)

管道衰減系數(shù)對超聲導(dǎo)波檢測距離的影響

劉 爭,李 揚

(中油管道檢測技術(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)對管道衰減系數(shù)與導(dǎo)波檢測距離的關(guān)系進行了研究,針對不同埋設(shè)環(huán)境、不同衰減系數(shù)的管道,合理評估導(dǎo)波檢測距離及檢測成本,減少復(fù)雜環(huán)境下導(dǎo)波檢測性能降低導(dǎo)致的檢測費用增加、檢測工期延長等問題的出現(xiàn),從而更加合理地編制導(dǎo)波檢測方案。首先對衰減系數(shù)與檢測距離的關(guān)系進行了初步探討,根據(jù)檢測缺陷大小和衰減系數(shù)可計算出導(dǎo)波的檢測距離;然后分別對地上管道、半埋地管道、埋地管道進行導(dǎo)波檢測。檢測結(jié)果表明,高衰減對導(dǎo)波檢測距離有強烈的影響,不同埋設(shè)環(huán)境的管道,導(dǎo)波的衰減系數(shù)及檢測距離有明顯的差異。

超聲導(dǎo)波;埋地管道;檢測;衰減系數(shù);靈敏度

導(dǎo)波檢測技術(shù)是在20世紀90年代才發(fā)展起來的新的管道腐蝕檢測技術(shù),與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)相比,具有快速篩查管道腐蝕及缺陷,進行初步評價的能力,并可檢測工廠架空管道、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)檢測難以實施的區(qū)域。

按照激勵方式的不同,導(dǎo)波檢測系統(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),對不同衰減環(huán)境下的管道進行了導(dǎo)波檢測。

1 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)

MsSR3030R超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)是美國西南研究院基于磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng),開發(fā)的低頻導(dǎo)波檢測設(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)對管道進行檢測,主機信噪比為50 dB(信號是噪聲信號的300倍),具有檢測靈敏度高,檢測距離長,并可進行高溫檢測及監(jiān)測等特性。

筆者采用MssR3030R檢測系統(tǒng)對不同埋設(shè)環(huán)境的管道進行了檢測試驗,研究不同衰減環(huán)境對導(dǎo)波檢測距離的影響,針對不同埋設(shè)環(huán)境、不同衰減系數(shù)的管道,合理評估導(dǎo)波檢測距離及導(dǎo)波檢測成本,減少復(fù)雜環(huán)境下導(dǎo)波檢測性能降低導(dǎo)致的檢測費用增加、檢測工期延長等問題的出現(xiàn),從而更加合理地編制導(dǎo)波檢測方案。

2 導(dǎo)波基本特性及參數(shù)

2.1 靈敏度

因?qū)Р▽艿罊M截面上的變化較為敏感,導(dǎo)波的檢測靈敏度用缺陷面積占管道總橫截面積的百分比來評價,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(藍色與紅色區(qū)域面積之和)的百分比來評價。如當(dāng)前的導(dǎo)波設(shè)備檢測水平可達3%,即當(dāng)缺陷總面積達到管道橫截面積的3%時便可檢出。

圖1 缺陷截面與管道截面示意

導(dǎo)波能夠檢測到比波長小許多的缺陷,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[2－4]。導(dǎo)波能檢測出缺陷的位置及反射百分比,量化時不能保證缺陷的具體形狀,如需精確量化,要采用其他無損檢測方法(如內(nèi)腐蝕缺陷用C掃描檢測)。

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,頻散曲線對于導(dǎo)波技術(shù)檢測管道是非常重要的,圖2顯示了一個114 mm外徑的鋼管在0～100 k Hz頻率范圍的頻散曲線[5－6],圖中的每一條曲線都代表一種可能的導(dǎo)波模態(tài)。實際檢測時應(yīng)用的頻率范圍內(nèi)同時存在幾種模態(tài),而使用多種模態(tài)所帶來的復(fù)雜性將極大地削弱導(dǎo)波技術(shù)的實用性,所以為了達到管道檢測的目的有必要對檢測結(jié)果進行簡化,檢測時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中群速度頻散曲線所示,只有模態(tài)為T(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)長距離傳播時不頻散,波形不會發(fā)生畸變,有利于管道的長距離檢測。MsSR3030R系統(tǒng)采用的是T(0,1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)進行導(dǎo)波檢測。

圖2 114 mm外徑鋼管(壁厚8.6 mm)的群速度頻散曲線

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的信噪比,從而影響導(dǎo)波的檢測質(zhì)量。衰減系數(shù)是影響導(dǎo)波檢測距離的重要參數(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。

一般來說,頻率的增加和管道埋深的增加都會引起衰減增高。管道的外防腐層對衰減有較大影響,在32 k Hz檢測頻率下,在光的或涂漆的管線上,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、防腐類型為煤焦油磁漆的管道,在不同埋設(shè)深度時的衰減系數(shù)如圖3所示[10]。以30 k Hz檢測時,衰減系數(shù)從無土壤覆蓋的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檢測時,衰減系數(shù)從無土壤覆蓋的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。在固定檢測頻率下,衰減系數(shù)隨著埋深的增加而增大。

2.4 檢測距離

規(guī)定好最低可檢測缺陷大小的條件下,導(dǎo)波的檢測距離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為可檢測缺陷的大小,等于相對于總管壁橫截面積的百分比缺陷尺寸;STX為發(fā)射信號的信噪比;SRX為接收信號的信噪比。

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

圖4 檢測距離與衰減系數(shù)乘積和缺陷大小關(guān)系曲線

如圖4所示,Rα隨著d(缺陷尺寸)的增大而呈對數(shù)的增大,對于指定的缺陷大小d,Rα為固定值。當(dāng)了解了管線的防腐層材料、埋設(shè)情況、變形及附屬物特征時,可以對衰減系數(shù)進行估計,從而可計算出檢測不同缺陷大小時的檢測距離。

地上裸露管線的特征衰減系數(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出2%或5%的缺陷,可計算出導(dǎo)波的可檢測距離,結(jié)果如表1所示。

表1 不同缺陷大小、不同衰減系數(shù)對檢測距離的影響

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

3 導(dǎo)波檢測案例

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

分別對地上管道、半埋地管道、埋地管道進行了導(dǎo)波檢測實踐,計算出不同埋設(shè)環(huán)境下的衰減系數(shù)。因頻率及防腐層對導(dǎo)波檢測精度及檢測距離具有較大影響,為使檢測結(jié)果具有可參考性,排除其他因素對檢測結(jié)果的影響,現(xiàn)場試驗中均使用273 mm管外徑、3PE防腐層的管道,檢測頻率均使用32 k Hz。

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

3.1 地上管道導(dǎo)波檢測

檢測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)波檢測及分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 地上管道導(dǎo)波檢測及分析結(jié)果

利用最近的兩條焊縫信號反射幅值來計算衰減系數(shù),檢測頻率32 k Hz時導(dǎo)波的衰減系數(shù)α為0.29 d B·m－1。

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

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

3.2 半埋地管道導(dǎo)波檢測

檢測管道為半埋地管道,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,檢測結(jié)果如圖7所示。

圖6 地上管道的不同缺陷大小時的單向可檢測距離

圖7 半埋地管道導(dǎo)波檢測及分析結(jié)果

利用最近的兩條焊縫信號反射幅值來計算衰減系數(shù),檢測頻率32 k Hz時導(dǎo)波的衰減系數(shù)α為0.43 dB·m－1。

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

圖8 半埋地管道的不同缺陷大小時的單向可檢測距離

通過計算,對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5%的缺陷,單向有效檢測距離為20.9 m,雙向可檢測距離41.8 m;對10%的缺陷,單向有效檢測距離為27.9 m,雙向可檢測距離55.8 m。

3.3 埋地管道導(dǎo)波檢測

檢測管道為埋地管道,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,其檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9 埋地管道導(dǎo)波檢測及分析結(jié)果

因管道埋設(shè)較深(3.3 m),現(xiàn)場未檢測出焊縫信號,無法利用焊縫信號計算衰減系數(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,檢測主要針對未全部入土段管道,單側(cè)檢測距離共約3 m。

3.4 小結(jié)

通過對不同埋設(shè)條件下的管道進行導(dǎo)波檢測,計算出相應(yīng)的衰減系數(shù)及不同缺陷大小時的可檢測距離,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)及可檢測距離

對試驗結(jié)果進行分析可知: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,在實際應(yīng)用中不建議對埋地管道進行導(dǎo)波檢測。

4 結(jié)語

通過對不同埋設(shè)環(huán)境下的管道進行導(dǎo)波檢測可以得出:在管道類型相同,檢測頻率固定的條件下,地上管道的衰減系數(shù)最小僅為0.29 d B·m－1,5%缺陷大小時雙向檢測距離62 m,10%缺陷大小時雙向檢測距離86.8 m;半埋地管道的衰減系數(shù)為0.43 d B·m－1,5%缺陷大小時雙向檢測距離41.8 m, 10%缺陷大小時雙向檢測距離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,在實際應(yīng)用中不建議對埋地管道進行導(dǎo)波檢測。

不同埋設(shè)環(huán)境下的管道,衰減系數(shù)及檢測距離都有較大的變化,所以建議在實施導(dǎo)波檢測前,首先對管道進行現(xiàn)場分析,根據(jù)分析結(jié)果對管道衰減系數(shù)進行合理估計,計算出不同缺陷大小時導(dǎo)波的可檢測距離,避免因經(jīng)驗不足造成對高衰減環(huán)境下檢測精度及檢測距離的判斷失誤,為合理編制導(dǎo)波檢測施工計劃提供依據(jù)。

[1] 李宏雷,劉增華,李文春.基于磁致伸縮技術(shù)的超聲導(dǎo)波波速及最大檢測長度試驗[J].無損檢測,2010, 32(9):700-703.

[2] LOWE M J S,ALLEYNE D N,CAWLEY P.The mode conversion of guided waves by a partcircumferential notch in a pipe[J].Journal of Applied Mechanics,1998,65(3):649-656.

[3] DEMMA A,CAWLEY P,LOEW M J S.The reflection of the fundamental torsional mode from cracks and notches in pipes[J].Springer Vienna, 2003,114(2):611-25.

[4] ALLEYNE D N,LOWE M J S,CAWLEY P.The reflection of guided waves by a part-circumferential notchina pipe[J].Journal of Applied Mechanics, 1998,65(3):635-641.

[5] DEMMA,CAWELY P,LOWE M A,et al.The reflection of the fundamental torsional mode from cracks and notches in pipes[J].J.Acoust.Soc.Am, 2003,114(2):611-625.

[6] KWUN H,KIM S Y,CHOI M S,et al.Torsional guided-wave attenuation in coaltar-enamel coated, buried piping[J].NDT&E International,2004,37: 663-665.

[7] 孫士彬,孫乾耀.采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對埋地管道進行腐蝕缺陷的檢測[J].無損檢測,2007,29(4):6-9.

[8] ALLEYNE D N,CAWLEY P.Optimization of Lamb wave inspection techniques[J].Ndt&E International,1992,25(1):11-22.

[9] KWUN H,ARTELS K A.Magnetostrictive sensor technology and its applications[J].Ultrasonics,1998, 36:171-178.

[10] KWUN H,KIM S Y,CHOI M S.Reflection of the fundamental torsional wave from a stepwise thickness change in a pipe[J].Journal of the Korean Physical Society,2005,46(6):1352-1357.

[11] HEGEON K,ALFRED C.The technology affords a viable alternative for unpiggable lines with wareness of its physical limitations due to high attenuation environment[J].Pipeline Integrity,2006,8:1-5.

圖11 熔合面夾雜缺陷超聲檢測和實物解剖結(jié)果

(2)設(shè)計了聚乙烯熱熔對接接頭超聲相控陣檢測裝置,通過試制的包含氣孔、熔合面夾雜等典型缺陷的試樣接頭,對超聲檢測技術(shù)和裝置進行了可靠性測試和工藝試驗,試驗結(jié)果表明,提出的超聲相控陣技術(shù)和設(shè)計的檢測裝置能可靠地檢測聚乙烯熱熔對接接頭中的氣孔、熔合面夾雜等各類典型缺陷。

參考文獻:

[1] 北京市燃氣集團公司技術(shù)培訓(xùn)中心.聚乙烯燃氣管道施工技術(shù)教程[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2002.

[2] 秦永泉.含工藝缺陷聚乙烯管道熱熔焊接接頭力學(xué)性能試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

[3] 李克明,劉德榮,張志永,等.超聲波探傷[M].北京:水利電力出版社,1985.

[4] 日本非破壞檢查協(xié)會.超聲波檢測[M].馬羽寬,譯.長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1985.

[5] 鄭暉,林樹青.超聲檢測[M].北京:新華出版社,2008.

[6] 施克仁,郭寓岷.相控陣超聲成像檢測[M].北京:高等教育出版社,2010.

[7] 潘亮,董世運,徐濱士,等.相控陣超聲檢測技術(shù)研究與應(yīng)用概況[J].無損檢測,2013,35(5):25-29.

[8] 郭偉燦,殳宏,朱聯(lián)華.聚乙烯管道熱熔接頭耦合聚焦檢測技術(shù)的試驗研究[J].無損檢測,2014,36(6):43-47.

[9] 王軍.超聲相控線陣換能器的凡何優(yōu)化設(shè)計[D].上海:機械科學(xué)研究院,2002.

[10] 涂春磊,鄒建華,強天鵬,等.對接焊縫相控陣超聲檢測可靠性的CIVA仿真與試驗[J].無損檢測,2013, 35(11):22-26.

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(1981－),男,工程師,主要從事管道完整性專業(yè)方向的研究工作。

劉 爭,E-mail:541732847＠qq.com。