超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用

摘要 ：本篇文章首先从超声导波技术的概述进行着手，通过对超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用概述进行细致的分析，最后总结了超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用方法。

关键词 ：超声导波 缺陷检测及评价 应用

一、前言

随着管道施工水平的不断发展，对管道缺陷检测及评价的要求越来越高。由于管道施工水平的不断提升，同时这也对超声导波技术提出了更高的要求。

二、超声导波技术的概述

1、超声导波概念

超声导波是一种激发能沿有限形状的结构传播的机械弹性波，并被构件边界所约束、所导向，因而称为超声导波。超声导波有纵波、扭力波、变形波、水平剪切波和表面波等多种模态形式，应用于管道的有纵波和扭力波两种模式：由于扭力波只在固体中传播，所以扭力波是油气传输管道检测的最佳模态（由于纵波在固体与液体传播，所以对于液体传输管道来说，只能选择扭力波模式）。

2、管道超声导波检测基本原理

管道超声导波检测主要是通过探头产生低频超声导波，导波沿管道传播来检测管道缺陷，管道维护人员根据观测仪接收的反射回波可对缺陷的程度、部位进行准确判断，但不能对管道实际残余壁厚及最小壁厚进行实际测量。

3、计算机控制的超声导波检测仪器系统

当前，全球拥有超声导波检测系统的机构主要有四家，其中英国有两家，一家是导波公司的WAVEMAKER导波检测仪，另一家是TWI公司研发的TELETEST超声导波检测仪。除此之外，另外两家分别是以色列SONIC公司研制的ISONIC系列导波和美国西南研究院研制的MSS导波检测仪。英国和以色列所研发的导波设备是在压电晶片超声导波（LRUT）原理的基础上研发而来，属于典型的压电晶片的超声导波控制系统，美国的MSS导波则是根据磁致伸缩导波原理研发而来，典型的磁致伸缩超声导波控制装置。

4、缺陷信号识别和定位

现阶段，业界主要应用希尔波特变换、小波变换、时频分析和傅立叶变换等几种方式来处理导波信号。但是导波信号处理并非单独的频域、时域或时频的分析，而是三者之间相互融合，其中通过两者相融合的办法来处理导波信号应用频率相当高。具体操作时，先对管道裂缝或管道缺陷进行准确定位，可通过时域分析对回波信号的初始相位进行观测来完成。要获得所有波包的频谱信息仅通过频域分析是无法完成的。导波检测信号属于非平稳信号，能够与时间产生关联，运用时频分析能够使这一问题得以解决。当前，导波检测反射率是基于时域波形中的振幅，但是信号所代表的能量信息无法通过振幅客观的反映出来。而频谱的反射系数恰好能通过时频分析反映出来。缺陷定位技术是对缺陷轴向与周向的位置进行确定。激励某一模态的声波，当沿轴向传播的导波遇到管道环截面局部减少时，对反射回来的模态导波进行观测便可准确定位轴向位置;周向定位就是通过局部缺陷引起管道四个象限的表面质点的不同振动来判断的，因此通过增加象限数量，便可以提高周向定位精度。目前新型的缺陷定位技术―聚焦技术，利用相控阵技术将主要能量集中在某一个象限，利用聚集的能量进行缺陷的准确定位。

5、超声导波检测灵敏度

超声导波的灵敏度指的是管道腐蚀或裂纹占管道总横截面积损失量的百分比。通常在实验室情况下，检测灵敏度最高可以达到0.7%;实地检测可靠检测灵敏度为2%～5%。现场检测灵敏度时，施测管道的尺寸、有无包覆防腐层等，都可能影响检测结果。

三、超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用概述

超声导波检测技术在油田管道检测中已经得到了广泛应用，尤其是国外在超声导波检测技术在油田管道检测中的工程技术已经运用的相对成熟，对于超声导波检测技术在油田管道检测中的应用分析也比我国进行的更加充分和深入。尽管我国在超声导波检测技术在油田管道检测中的应用分析的起步相对较晚，但是我国科学技术在工业领域，尤其是油田管道领域的广泛研究的深入，我国在超声导波检测技术在油田管道检测中的应用分析方面也逐步开展了更为深入的研究和探索。根据理论数据，相关研究人员发现超声导波检测技术在油田管道检测中的应用分析是根据弹性纵波理论来进行的，通过计算机对分析管中的超声导波进行频散曲线分析，从而得知超声导波检测技术在油田管道检测过程中遇到管道裂纹时候的反射以及透射规律，再进一步依据超声导波检测技术在油田管道检测中的导波反射时间以及相关强度来确定油田管道的裂纹具置以及裂纹尺寸;在相关的试验检测过程中，超声导波检测技术在油田管道检测中的应用分析一般通过传感器来进行设计实验，在油田管道的超声波导检测过程中抑制其他方面的模拟波导信号，通过实验，研究超声导波检测技术在油田管道检测时所出现的频散现象，进而分析出超声导波检测技术在油田管道检测中对油田管道的敏感程度。

四、超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用方法

1、实验装置

实验采用的管道缺陷检测系统由超声导波激励和接收装置、电源、计算机及通讯电缆等组成。传感器环固定在管道周围，由一组并列的等间隔传感器阵列组成，组成阵列的传感器数量取决于管径的大小和导波的模态。环向传感器阵列发射沿管壁传播的超声导波，并接收反射回波。计算机对所接收的信号进行分析处理。检测时，用压缩空气驱动特制的卡环，以确保传感器与管道表面接触良好。使用低频超声时，不需要使用耦合剂。管道表面只需进行少量清理工作，一般就是在探头接触位置清除松散的氧化皮或锈斑。探头卡环安置、调整时间通常不超过20min。

2、现场实验及结果分析

实验所用的管材为普通低碳钢管，无包覆层，表面喷涂防锈漆。管道全长24.65m，外直径为203mm，壁厚7.1，mm。传感器布置在距管端0.45，m处，为保证导波传感器与管道表面良好接触，需将安装传感器处的管道外表面清理干净。为了数据分析方便，传感器环的中心位置设为激励导波的原点。实验管道上存在多条焊缝和一段弯管，以及人为加工的凹槽等。采用轴对称纵向L（0，2）模态和扭转T（0，1）模态超声导波进行管道缺陷检测，对导波在钢管中传播时通过焊缝、法兰后的能量衰减情况，以及通过凹槽、焊疤、支路等不同类型的管道特征及管道缺陷时的反射情况进行了实验。

3、评价

管道是重要的运输工具，维护管道的安全运行，防止管道生产事故的发生是管道工业生产和安全管理部门的重要工作。笔者所介绍的超声导波管道检测技术具有非接触、检测成本低、效率高、速度快和能够检测管壁整个厚度等优势，可用于对常规无损检测方法无法接近的管道进行检测，如高架管道、穿越公路的管道或海底管道等。在实际应用中，由于不同模态超声导波的传播距离、衰减率不同，而且其对不同类型缺陷的识别能力也不同，因此，应根据管道长度、缺陷性质及类型选择不同模态、不同频率的激励导波，对管道进行检测。

需要注意的是，管道超声导波检测是一种快速大范围的扫查检测方法，主要用于对管道的完整性和安全性进行评价，它对缺陷的定量是近似的。当检测距离较长时，其对缺陷的定位也较为粗略。因此，在实际的工程应用中，还需要根据具体情况，与其它无损检测方法结合运用，以便取得更好的检测效果。

五、结束语

在管道缺陷检测及评价中中要提高超声导波技术水平，在实际的检测及评价过程中注意对细节的的加强，才能不断提高超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用。

参考文献：

[1] 李一博，靳世久，孙立瑛.超声导波在管道中的传播特性的研究[J].电子测量与仪器学报，2011（08）：45-46.

[2] 何存富，刘增华，吴斌.传感器在管道超声导波检测中的应用[J].传感器技术，2010（10）：23-24.