劉志剛，于帥，周煒，付建衛(wèi)

（1.中石化勝利海上石油工程技術(shù)檢驗有限公司，山東 東營 257000；2.冀東油田南堡油田作業(yè)區(qū)，河北 唐山 063000）

壓力管道是油氣、熱力輸送系統(tǒng)中重要的設(shè)備，其中，壓力管道在管道壓力中的運(yùn)行狀態(tài)、使用質(zhì)量會受到水壓、水蝕等危害影響，造成水管滲水，甚至發(fā)生水管爆炸等危險，嚴(yán)重的影響了城市熱力供給安全。因此，需要定期對壓力管道進(jìn)行檢測，來提高城市熱力管道的熱力輸送安全。

1 壓力管道易產(chǎn)生的問題

壓力管道易產(chǎn)生的問題主要有腐蝕、裂紋，從而導(dǎo)致管道爆管等事故發(fā)生。腐蝕對于管道的影響最為嚴(yán)重，能夠?qū)е聣毫艿莱霈F(xiàn)泄露和破裂。當(dāng)水蒸氣、熱水通過存在質(zhì)量問題的管道時，會導(dǎo)致管道尤其是彎頭發(fā)生振動。長時間的振動，會使得管道彎頭連接處發(fā)生松動，產(chǎn)生水泄漏問題。在管道使用中，由于高溫作業(yè)環(huán)境，一些管道內(nèi)壁的壁厚出現(xiàn)了故障點(diǎn)，當(dāng)管道內(nèi)部壓強(qiáng)加大的時候，會對管道內(nèi)壁產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致管道變形、破裂。

2 壓力管道檢驗技術(shù)特點(diǎn)

為確保壓力管道的安全和高效運(yùn)行，做好壓力管道的運(yùn)行維護(hù)與檢驗工作至關(guān)重要。由于對壓力管道的運(yùn)行維護(hù)與檢驗問題的標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)還不完善，在不少檢驗人員的思維當(dāng)中，壓力管道檢驗技術(shù)與方法完全等同于壓力容器和鍋爐檢驗技術(shù)，其實不然，原因是壓力管道有以下5種特點(diǎn)：第一，壓力管道選用較為復(fù)雜，原因是其應(yīng)用材料的種類較多，并且壓力管道現(xiàn)場安裝的工作量也較大。第二，由于壓力管道的種類和數(shù)量均較多，導(dǎo)致其安裝、制造、設(shè)計以及應(yīng)用管理環(huán)節(jié)也較多。第三，壓力管道安裝跨越空間大，長細(xì)比大，具有復(fù)雜的邊界條件。第四，壓力管道及其配套元件的生產(chǎn)廠家規(guī)模一般較小，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量難以保證，從而也加大了管道事故的發(fā)生率。第五，在實際生產(chǎn)過程中，熱力管道多采用管溝敷設(shè)，燃?xì)夤艿篮烷L輸管道一般采用埋地敷設(shè)。基于上述特點(diǎn)，一些工業(yè)企業(yè)的檢驗人員進(jìn)行壓力管道檢測時仿照鍋爐壓力容器的檢測手段，這樣的檢測方法不僅會加重管道使用單位的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，同時也易加大檢測人員自身的工作量。

3 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)研究

（1）一般導(dǎo)波檢測方法。利用一般導(dǎo)波檢測方法觀察無損管道模型，即在管道端面周向均勻加載激勵信號于端面48個節(jié)點(diǎn)上，在離端面最近的一圈節(jié)點(diǎn)上讀取監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的位移信號，數(shù)值模擬獲得的位移信號相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果。同樣的激勵作用下，壓力一定時，隨環(huán)境溫度的升高，管道模型端面反射回波的幅值減??；在恒定溫度下，端面反射回波的幅值隨壓力的增大近似線性增大。這說明，利用導(dǎo)波對管道進(jìn)行無損檢測時，環(huán)境溫度和壓力的改變對檢測信號的主要影響體現(xiàn)在回波信號波包的幅值的改變。其次，在含不同缺陷的各管道模型上，通過計算缺陷回波反射率，即缺陷反射回波波包幅值與激勵波包幅值的比值，觀察缺陷反射回波波包幅值的變化。就一般導(dǎo)波檢測方法而言，裂紋型缺陷管道模型1，對于有損管道，采用一般導(dǎo)波檢測法，當(dāng)環(huán)境溫度恒定時，隨管道內(nèi)壓值增大，缺陷回波反射率近似線性減?。划?dāng)承壓管道的內(nèi)壓值穩(wěn)定時，隨周圍環(huán)境溫度的升高，缺陷回波反射率也呈近似線性減小的趨勢。這表明在環(huán)境溫度和內(nèi)壓的變化下，裂紋型缺陷和孔型缺陷針對溫度變化和內(nèi)壓值的改變呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。

（2）基于時間反轉(zhuǎn)的導(dǎo)波檢測方法。時間反轉(zhuǎn)是指接收傳感器陣列接收聲源發(fā)射的時域信號，將這些信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)后，再由相應(yīng)的接收傳感器重新激勵出去，它是聲互易性原理的應(yīng)用之一，可以實現(xiàn)能量在空間、時間上的聚焦，從而獲得聲源位置并實現(xiàn)聲源信號的重構(gòu)?；跁r間反轉(zhuǎn)的導(dǎo)波檢測方法，將缺陷看作一個新的被動導(dǎo)波源，利用沿管道圓周均勻分布的時間反轉(zhuǎn)傳感器，將接收到的被動波源的信息經(jīng)時間反轉(zhuǎn)后在接收位置重新激勵，就可以實現(xiàn)能量在缺陷位置的聚焦，提高小缺陷造成的微小回波幅值的變化，便于進(jìn)一步判斷環(huán)境溫度變化對承壓管道結(jié)構(gòu)健康檢測的影響。

4 壓力管道超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)應(yīng)用

（1）彎管檢測。導(dǎo)波在彎頭部位容易發(fā)生頻散和模態(tài)轉(zhuǎn)換，并且導(dǎo)波能量將主要集中在彎頭的背彎部位。因此導(dǎo)波檢測彎頭時，容易發(fā)現(xiàn)處于彎頭背彎部位的缺陷，而可能漏檢內(nèi)彎的缺陷。在彎頭生產(chǎn)時，彎頭背彎處壁厚將小于內(nèi)彎壁厚，且背彎處受到管道中介質(zhì)沖刷的影響，更容易產(chǎn)生缺陷。因此采用超聲導(dǎo)波檢測彎頭部位缺陷是可行的，但其難點(diǎn)在于信號分析。目前許多從事導(dǎo)波檢測的科研人員主要針對的是直管道的缺陷檢測展開的研究，然而管道系統(tǒng)里的直管道絕大部分是90°彎曲管道連接起來的，研究導(dǎo)波在彎曲管道中的傳播在近年來變成一個熱門的話題。何存富等學(xué)者已經(jīng)對導(dǎo)波在彎曲處的傳播特性進(jìn)行了研究，并對彎管中缺陷的進(jìn)行了檢測，證明L（0，2）模態(tài)具有檢測彎曲管道外側(cè)區(qū)域的能力。也有學(xué)者通過改變90度彎頭的曲率半徑進(jìn)行試驗，分析了L（0，2）模態(tài)在不同的曲率半徑下，穿過90度彎頭的能力（即透射系數(shù)）。

（2）直管檢測。超聲波檢測中，聲波分為體波和導(dǎo)波兩種。體波是當(dāng)聲波在無限大或半無限大介質(zhì)中傳播的聲波，分為縱波和橫波等，體波的傳播速度取決于傳播介質(zhì)的特性，與頻率無關(guān)。導(dǎo)波是聲波受到界面的影響，聲波會在界面來回反射，此時聲波將出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，即波速與頻率相關(guān)，從而導(dǎo)波的特性常通過頻散曲線來表示，具有群速度和相速度，如圖1所示。

圖1 鋁板中相速度曲線（左）和群速度曲線（右）

研究者們首先對導(dǎo)波的群速度、相速度以及導(dǎo)波傳播過程中的反射、折射等現(xiàn)象進(jìn)行了探索，并用實驗進(jìn)行了論證。然后研究者們逐步對導(dǎo)波在波導(dǎo)中傳播的頻散特性進(jìn)行了研究，然后分析總結(jié)了導(dǎo)波傳播中出現(xiàn)的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，并給出了合理的解釋。在20世紀(jì)早期，人們開始研究超聲導(dǎo)波在有界的不同形狀的介質(zhì)中傳播的相關(guān)特性，并重點(diǎn)研究了導(dǎo)波在平板中的傳播特性，進(jìn)而通過獲得的相關(guān)結(jié)論對導(dǎo)波在圓柱空心管中的傳播進(jìn)行了預(yù)測和分析。對超聲導(dǎo)波在無限長圓柱管中的傳播特性進(jìn)行了研究。

（3）管道內(nèi)部缺陷。超聲波檢測儀能夠測試管道內(nèi)部缺陷，這種檢驗技術(shù)可以實現(xiàn)整條管道的壁厚檢測，特別是無縫鋼管。由于無縫鋼管的構(gòu)造并不復(fù)雜，在制作時，采用的都是自動化水浸法進(jìn)行超聲波檢測，但對已經(jīng)應(yīng)用在生產(chǎn)中的鋼管，需要采用橫波檢驗法來進(jìn)行檢驗。先要對鋼管的表面進(jìn)行聲束檢驗，在移動探頭時，需要以管道的走勢為依據(jù)。也可以選擇高性能工業(yè)內(nèi)窺鏡等輔助工具，來實現(xiàn)精確化檢測。最近某無縫鋼管生產(chǎn)廠家為客戶生產(chǎn)的一批無縫鋼管，自己通過超聲波檢測并未發(fā)現(xiàn)缺陷，結(jié)果客戶在驗收的時候，發(fā)現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致客戶拒收。該無縫鋼管廠家將超聲波檢測的“合格”產(chǎn)品運(yùn)用高性能工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測，會發(fā)現(xiàn)微小“光斑”，現(xiàn)場將無縫鋼管鋸開后，這些微小“光斑”是無縫鋼管凹陷的缺陷。因此，可以看出，使用高性能工業(yè)內(nèi)窺鏡，能夠提高無縫鋼管缺陷檢測率。

5 結(jié)語

目前，研究表明縱向模態(tài)導(dǎo)波對管道周向缺陷比較敏感，而扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波對管道縱向缺陷比較敏感，因此主要采用縱向模態(tài)L（0，2）進(jìn)行了管道周向缺陷檢測，采用T（0，1）進(jìn)行縱向缺陷的檢測。從頻散曲線中可以看出，扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài)不頻散，模態(tài)成為單一，有利于分析和處理檢測結(jié)果。但扭轉(zhuǎn)模態(tài)相比縱向模態(tài)，傳播距離較近，且難以檢測周向缺陷。現(xiàn)階段磁致伸縮主要用于激勵T（0，1）模態(tài)的導(dǎo)波，如MsSR系列儀器，還沒有商業(yè)化儀器設(shè)備用于激勵縱向模態(tài)導(dǎo)波。因此在檢測過程中，磁致伸縮導(dǎo)波檢測時往往對周向缺陷存在漏檢?？v向模態(tài)相比扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳播距離長，但難以得到單一縱向模態(tài)L（0，2），因此縱向?qū)Рz測時信號分析相對較為困難。但是也可以利用縱向模態(tài)傳播速度快的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析到達(dá)時間短的回波，能消除部位模態(tài)轉(zhuǎn)換的干擾。