魏松林 章強 婁驍 劉朝 黃紅科 方江

1.中核武漢核電運行技術股份有限公司 湖北武漢 430000

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超聲導波（導波）檢測技術是一項非常有吸引力的管道檢查方法，該技術利用導波在管道介質(zhì)中傳播速度快、能量衰減小、頻散較穩(wěn)定等特點，可一次實現(xiàn)遠距離的管道檢測；另外，由于導波在管壁內(nèi)、外部和中部均有質(zhì)點的振動，聲場遍及整個壁厚，因而可實現(xiàn)對管道內(nèi)、外壁缺陷同時檢測[1]。導波檢測雖然可以一定程度判斷缺陷的大小，但主要還是用于定性的快速掃查，在帶有“黏性”包覆層或運輸介質(zhì)的管道中超聲導波的能量衰減的很快[2]。

為了盡量發(fā)揮該技術的優(yōu)勢，減少局限性影響，需要明確不同包覆涂層管道中的導波傳播特性（包括衰減規(guī)律、靈敏度與最大傳播距離等），以制定針對性的檢測方案，實現(xiàn)工程應用價值的最大化。本文通過分析不同涂層管道的導波實驗結(jié)果，給出了不同涂層管道的導波檢測局限性以及優(yōu)化建議，有助于評估特定應用場景中的導波的檢測能力及合理編制檢測方案，避免漏檢、錯檢。

1 實驗設計

本實驗選擇站場直埋管道和管廊管道中常用的涂層開展對比實驗，包括3PE、四油三布、環(huán)氧樹脂三種涂層及裸管，如圖1(a)、(b)、(c)、(d)所示。涂層依據(jù)國標制備，真實模擬現(xiàn)場環(huán)境，四油三布干膜總厚度為900～950μm，3PE涂層最小厚度2mm，環(huán)氧樹脂干膜厚度為20～40μm。在管道上預制了相同的管體缺陷，缺陷制備采用電火花切割，如圖1（e）所示，控制管道截面損失率（CSA）為9%，如圖1（f）所示。管材、規(guī)格、缺陷均保持一致，實驗管道參數(shù)如表1所示。管道段長度均為10m，焊接連接，實驗管道按東西方向布置在管道支架上。

以表1中所列樣管為實驗對象，在東端對每根管道施加T（0,1）模態(tài)的導波，按起始頻率20kHz，終止頻率100kHz，階梯1kHz添加頻率掃查區(qū)間，分別獲取不同頻率條件下距離-幅值曲線，并記錄管道各缺陷、焊縫、管端對應的距離、信號幅值、信號衰減系數(shù)（dB/m）。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 衰減規(guī)律研究

管道是很好的波導，導波在管道中的衰減比較小，而涂層是導波離開管道的路徑，是導波衰減的重要來源[3]。

圖1 不同涂層管道導波實驗現(xiàn)場

管道結(jié)構特征、缺陷的回波幅值是研究導波傳播特性的重要參數(shù)之一，管道導波衰減系數(shù)也是影響導波檢測距離的重要參數(shù)，可用下式（1）表示。本文根據(jù)不同涂層樣管在缺陷處的回波幅值的對比及衰減系數(shù)對比，來研究涂層狀況下管道中導波的衰減規(guī)律[4]。

式中：Z1、Z2為距導波探頭處的不同位置；A1、A2為在Z1、Z2處導波的回波幅值。

不同涂層樣管在3m處9%缺陷回波幅值對比如圖2所示，不同涂層樣管衰減系數(shù)對比如圖3所示，從圖2、圖3可得出：

（1）3PE、四油三布對導波信號衰減很大，焊縫后缺陷已不能從噪聲信號中區(qū)分，而環(huán)氧樹脂和裸管的信噪比很好；

（2）3PE、四油三布樣管衰減速率的范圍在2dB/m～5dB/m，且隨著頻率的升高，衰減速率增大；在3PE、四油三布涂層包覆狀態(tài)下，受涂層衰減的影響，操作頻率往低頻移動，回波幅值隨頻率的增高而降低；

（3）對于3PE、四油三布、環(huán)氧樹脂三種不同涂層，環(huán)氧樹脂清漆回波幅值與裸管回波幅值接近，環(huán)氧樹脂回波幅值最大，3PE回波幅值最小，缺陷反射回波強度排序如下：環(huán)氧樹脂>四油三布>3PE。這說明涂層是導波衰減的重要來源，最重要的考慮因素是涂層和管道之間的粘合狀態(tài)和厚度，3PE與管道粘合最緊密且涂層最厚，所以回波幅值最小且衰減也很大。

表1 實驗管道參數(shù)

表 2 不同涂層管道T波檢測最大傳播距離

圖2 不同涂層樣管在3m處9%缺陷回波幅值對比圖

圖3 不同涂層樣管衰減系數(shù)對比

2.2 靈敏度與最大傳播距離研究

導波檢測的目的是評估管道總體狀況，主要是壁厚減薄和腐蝕，均屬于體積性檢查，其沿管道軸向在管壁都有投影，所以橫截面積損失率（CSA）適用于度量導波的檢測能力[5]。規(guī)定信噪比SNR≥2可以檢測到給定尺寸的缺陷，最大距離是該尺寸缺陷的檢查范圍。導波的最大傳播距離Xm可以表示為：

式中：STX為發(fā)射信號的信噪比；SRX為接收信號的信噪比；r為可檢測缺陷的大小，等于缺陷橫截面積百分比；a為管道衰減系數(shù)。本文中實驗儀器為Teletest Focus+壓電式導波檢測儀，發(fā)射信號的信噪比統(tǒng)一按50dB進行實驗，最大傳播距離接收信號的信噪比規(guī)定為6dB。

通過對不同涂層管道進行導波檢測實驗，獲取導波衰減系數(shù)，計算出不同缺陷大小的最大傳播距離，計算結(jié)果如表2所示。對于裸管和環(huán)氧樹脂清漆，3%檢測靈敏度的單向檢測距離可達30m以上。3PE、四油三布對導波信號衰減很大，3%檢測靈敏度的單向檢測距離約為3m，雙向檢測距離為6m；9%檢測靈敏度的單向檢測距離約為6m[6-7]。

3 結(jié)論與建議

以預制了相同截面損失率的管體缺陷，不同涂層類型（裸管、環(huán)氧樹脂、3PE和四油三布），直徑為219mm（壁厚6mm）的碳鋼樣管為對象，開展了導波檢測實驗，獲得以下結(jié)論：

（1）3PE、四油三布對導波信號衰減很大，3PE、四油三布樣管衰減速率的范圍在2dB/m～5dB/m；受涂層衰減的影響，操作頻率往低頻移動，較佳缺陷檢出能力的操作頻率區(qū)間為27kHz～36kHz（T 波）；

（2）對于裸管或薄漆管道，檢測靈敏度可達3%的管道橫截面積；對于厚涂層管道，涂層會限制導波到達缺陷位置的能量，降低檢測靈敏度，檢測靈敏度為9%的管道橫截面積；

（3）對于裸管或薄漆管道，單向有效檢測距離可達30m以上；對于3PE、四油三布管道，單向有效檢測距離約6m左右；

（4）按照現(xiàn)有的導波檢測能力，對于緊密粘合的厚涂層管道（如3PE、四油三布）很難保證100%缺陷的識別，所以應持續(xù)改進導波檢測技術。