贡志林
（江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院 江苏镇江 212004）
摘要：超声导波检测技术由于在检测在役各类管道中有着独特的优势，因而越来越广泛地在多个行业中得到应用。作为一种新型的检测技术，要了解、掌握并更好地应用，还需要在检测中不断地经累经验和检测案例。
关键词：压力管道；超声导波检测
1超声导波检测技术介绍
1.1压力管道超声导波检测的基本原理超声导波激发的声波频率只有数十千赫兹，可穿透整个管壁，并延管壁传播数十甚至上百米。当它在传播过程中碰到缺陷、异质体或者结构形状变化的地方时，脉冲波发生发射并延管壁返回传感器而被接收。这样一种工作方式决定了超声导波这种检测技术的特点，即完全覆盖管壁，实现大范围远距离扫查。
低频导波从固定在管道周围的探头环发射，不需要液体进行耦合，采用机械或气体施加到探头的背面以保证探头压电晶片与管道表面接触良好。管道环向的超声波探头均匀的间隔排列，使得声波以管道轴芯为对称传播。影响导波传播的因素主要有声波的频率和材料的厚度，在遇到管壁截面积发生变化的位置，无论增加或减少，一定比例能量被反射回到探头，为检测不连续性提供了可能。管道的特征部位如环形焊缝，壁厚的增加在管道周向是对称的，因此反射的声波也是对称的；而在有腐蚀的区域，厚度的减少将是不对称的，导致入射声波的散射附加到反射波中并发生模式转换，因此组成的反射波模式加上模式转换组份。模式转换声波由于不统一的声源趋于产生管道弯曲波。超声导波检测系统能够检测和区分对称波和弯曲波，且能分别显示。
1.2导波检测设备
图1为超声导波检测系统。该系统可进行纵波检测、扭曲波检测和多模态检测，并具备沿圆周方向每隔45°分别进行聚焦的能力。实际检测中，一般采用多模态检测，对异常位置进行聚焦检测。多模态检测的优点是既可以发射两种模式的声波，又可以接受相同或不同的声波，极大地增加了缺陷的检出率。而聚焦功能则可以初步确定异常点在管道环向的位置和环向长度，也可以估计出缺陷的深度。
图1 超声导波检测系统及实验室模拟管道
检测系统可根据不同管径配置不同规格的卡具，每个卡具可安装不同数量的多功能模块，一般模块的数量为8的倍数，故卡具也称为八分仪；每个模块可以装3~5个检测探头，一般装3个纵波探头和2个扭曲波探头。卡具安装上被测管道后，需要对气囊增压，保证探头与检管道表面耦合效果。系统默认通过20~91kHz共10个频率进行扫查，且自动从检测结果中分别选取一个纵波和扭曲波作为推荐频谱。
1.3 DAC曲线的定义
上述超声导波检测系统定义了4条DAC曲线，———黑色曲线表示100%反射（法兰，管端，……）；———蓝色曲线表示-14dB（20%的截面变化）反射（直段环焊缝）；———红色曲线表示-20dB的反射；———绿色曲线表示-26dB的反射（9%截面变化）；———由黑色点标记的曲线代表-32dB（3%截面变化）的反射（噪声线）。
2实验室及现场检测应用
2.1实验室模拟管道
根据超声导波检测技术特点，在实验室内制作一段长约10m的管道，其中，下方水平管段由2个1.5m和1个3m的管子对接焊接，两个弯头中间由1个1.2m的垂直管段对接焊接，上方水平管段长度1.5m，管段端部焊接一个法兰面。在模拟管道上切槽（截面积损失分别为3%和9%）、钻孔，制作人工缺陷。管道规格为准 168×9mm，材质为20钢。
2.2实验室检测将调试好的卡具放置在模拟管道下方水平管段端部附近对整条管道进行检测，检测结果显示，环形焊缝、人工缺陷的波峰所在部位与实际位置的误差即检测系统的测距误差均不大于10cm。以直管对接焊缝波峰为基准点调节蓝色DAC曲线，对检测结果频谱图进行焊缝衰减曲线标示后，人工缺陷1（截面积损失值为3%）和人工缺陷2（截面积损失值为9%）的特征点波峰位置分别高于黑色点DAC曲线和绿色DAC曲线。据此可判断，检测系统在管道长度方向的测距能力及检测灵敏度满足出厂说明书要求。对人工缺陷特征波峰进行聚焦，可辅助频谱图对缺陷在圆周方向的位置和长度进行评估。相距 10cm 以内的不同特征点的特征波峰会产生叠加，会影响对特征波峰的位置和发射波幅当量的判定。
2.3现场检测应用
对某企业一条天然气管道进行检测，检测开始前，对卡具安放位置两侧的环形焊缝、弯头焊缝、支座、支管、法兰面等已知特征点进行测量并做好记录。检测结果显示，环形焊缝等已知特征点的波峰所在部位与实际位置的误差满足使用要求，但导波信号经过2个弯头（包括非90°弯头）后，信号失真较为严重。排除已知特征点后的特征波峰，可初步判定为异常特征点，对异常点位置采取壁厚测量、超声波检测等常规检测进行全面检查，检查结果表明截面积损失不到3%时的特征波峰当量已超过黑色点DAC曲线，即系统检测灵敏度可满足要求。不过，不同频率的波形图的当量不尽相同，需要从10个频率的曲线图中找出合适的频谱图进行分析。
3检测结果分析与讨论
（1）超声导波信号可延卡具前后双向同时检测，每侧检测距离为不超过2个弯头焊缝或者6个直管环形焊缝，实际检测距离受管道表面状况、管道内容物粘稠度、管道外保温保冷层厚度等因素影响。
（2）根据实验室检测结果，将卡具放置在不同位置的检测，卡具所在的管道直管段，在管道长度方向的测距能力可满足检测要求；当卡具某一侧的直管段环形对接焊缝（不含直段与弯头对接焊缝）的数量少于2个时，由于作为基准的蓝色DAC曲线无法确定，导致人工缺陷、支座、弯头对接焊缝以及异常点等特征波峰的当量无法确定；当直段环形对接焊缝数量于3个时，可以将基准的DAC曲线调至更合理的位置。
（3）超声导波信号在卡具所在部位的管道直管段上的测距能力能满足使用要求。
当声波经过一个弯头后，信号出现一定程度的失真，测距水平相差不多；当声波经过第二个弯头之后，信号失真严重，且由于声波散射造成能量衰减，在实际检测中应用意义不大。
（4）检测系统的检测灵敏度只与被检管道横截面积变化率有关，根据出厂说明书，其有效灵敏度为管道截面积变化9%，基准灵敏度为管道截面积变化3%。
以准168×9mm为例：当管道内壁均匀腐蚀时，截面积损失为3%时，管道内壁减薄0.29mm，截面积损失9%时，管道内壁减薄0.85mm；当管道外表面进行截面切槽时，截面积损失3%
时，切槽深度3.95mm，槽宽50.9mm，截面积损失9%时，槽深8.27mm，槽宽72.7mm；当管道进行钻孔时，截面积损失3%时，开孔直径为14.95mm，截面积损失9%时，开孔直径为44.4mm。
根据以上数据可知，均匀腐蚀有利于缺陷的检出；而局部腐蚀、穿孔等缺陷尺寸较小时的检出率受到限制。管道运行经验表明，局部腐蚀和管壁穿孔的危害性较均匀腐蚀来得高，因而当超声导波发现较小反射波幅的异常特征点时，需用常规超声等其他检测方法进行复探以确定其危害性大小。
（5）检测系统由主机、模块、探头以及各种数据线组成，最终通过USB接口与笔记本电脑连接，并由电脑控制检测过程，该系统操作较为方便。而系统各组件均存在一定的误差，造成整个检测系统的综合误差较大，影响检测系统的检测结果的准确度。
（6）将卡具安装位置的管道表面打磨至平滑金属光泽对检测结果更为有利。而检测过程中要求被检表面干燥，潮湿的表面会影响探头压电晶片与被检测面的耦合。探头的电容值大小也直接影响其与被检测面的耦合情况。
4结 语
利用导波检测技术能够对焊缝中较大的缺陷、管道的各种腐蚀点进行检测，另外，要描述具体缺陷的大小和危害程度，则应结合其他的无损检测技术进行，比如，为了更好地满足管道安全性的相关需求，可以采用超声探伤仪或测厚仪对壁厚减薄最严重的位置进行确定，焊缝内部缺陷则利用X射线检测等方法进行验证。
论文作者:贡志林
论文发表刊物:《电力设备》2015年5期供稿
论文发表时间:2015/12/21
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