在用工业管道壁厚超声检测技术

钱宏亮，黄新超，郭振东，李涛，段凯，郭剑

（1.中电科信息产业有限公司，郑州 450047；2.河南省锅炉压力容器安全检测研究院，郑州 450008）

在用工业管道壁厚超声检测技术

钱宏亮1，黄新超2，郭振东1，李涛1，段凯1，郭剑1

（1.中电科信息产业有限公司，郑州 450047；2.河南省锅炉压力容器安全检测研究院，郑州 450008）

由于我国工业化进程的快速发展，工业管道数量越来越多，分布越来越广，工业现场对涉及管道安全运行的检测设备提出了越来越高的要求。在用工业管道剩余壁厚是判断管道安全运行的关键参数。为满足工业管道剩余壁厚的检测要求，各种新的检测仪器不断出现，特别是超声测厚仪器，将电磁技术、激光技术与超声技术交叉融合，研制出了电磁超声测厚仪和激光超声测厚仪。本文对压电超声、电磁超声、激光超声测厚仪的基本工作原理和管道壁厚测量的理论依据进行了介绍，对这三类仪器目前的技术水平和一些关键特性进行了分析比较，总结展望了其技术发展方向。

工业管道；测厚仪；压电超声；电磁超声；激光超声

0 引言

工业管道被广泛应用于石化、电力、冶炼、造纸、制药等各行各业中。工业管道在长期运行过程中，壁厚减薄是常见问题。管道壁厚减薄降低了管道承载能力，增加了泄漏和爆炸的机会，影响管道的完整性及安全运行。为保证管道的安全运行，我国制定了《在用工业管道定期检验规程》，把在用工业管道剩余壁厚的测量作为一个必检项目。

现有的工业现场非破坏性厚度测量技术中，应用了射线，激光，涡流、超声、电磁等一系列检测技术[1-6]，这些技术为各行业特定场合的在线厚度测量提供了有效的检测手段。对于在用工业管道壁厚的检测，由于其工艺流程种类繁多，分布纵横交错，运行环境空间狭小，传感器或检测仪器难于双面布置等原因，要求检测设备精确、便携和高效率。目前可选择的较理想检测方法有：漏磁法、脉冲涡流法、TEM（瞬变电磁）法和超声波法[7，8]。这几项技术中，压电超声波测厚法使用最广，发展迅速。常见的脉冲式压电超声测厚仪，技术成熟，检测精度高，成为在用工业管道壁厚测量的主流设备。另外，为满足工业现场高温、非接触等检测要求，超声技术和电磁技术、激光技术结合，又衍生出电磁超声测厚仪和激光超声测厚仪。近几年，这三种技术和相应的仪器水平都有了很大的变化，分析比较这三种超声仪器的基本原理、发展水平和应用效果，有助于读者理解和选择合适的现场检测仪器和提高检测效率。

1 在用工业管道超声测厚仪技术

1.1 压电超声测厚仪

压电超声波测厚仪利用压电效应激发超声波，可采用脉冲反射法、共振法、兰姆波法来进行厚度测量[9]。对于管道壁厚测量，脉冲反射法是主流，凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。

当探头发射的脉冲超声波通过被测物体到达材料分界面时，一部分超声波被分界面反射回探头，通过精确测量超声波在材料中的传播时间，就可以按下式计算材料的厚度。

式中：H－测量厚度；v－材料声速；t－超声波在试件中往返一次的传播时间。

在用承压管道剩余壁厚的检验结论具有相应的法律效应，是设备安全运行过程中的重要部分，而厚度测量精度对在用承压管道的检验结论决定性的影响[10]。因此，对测厚仪的检测精度，提出了越来越高的要求。要提高超声测厚仪的检测精度，从式（1）可知，提高时间分辨率和计时精度就可以提高脉冲式压电超声测厚仪的测量分辨率和测量精度。目前，时间数字转换器的时间分辨率已达到皮秒量级。例如德国ACAM公司的TDC-GP21芯片，其时间测量范围从500ns到4ms，单通道90ps测量精度[11]，以钢中超声纵波速度5900m/s计算，对应的厚度测量分辨率理论上可达到0.266微米。实际应用中，由于声速的校准误差、表面粗糙度、材料多相性等影响测量精度的因素较多[12-15]，大多数仪器厂家只给出测量分辨率或显示精度。

在近十几年间，国内外许多厂家先后推出过几十种产品，表1是国内外几款典型的高精度压电超声测厚仪的关键技术参数。

表1 精密超声测厚仪关键技术参数表Tab.1 Precision ultrasonic thickness gauge key technical parameters table

压电超声测厚仪测量范围宽、误差小，适合测量金属、塑料、陶瓷、玻璃及其他任何超声波良导体的厚度。其局限在于需要耦合剂，接触测量，难以检测表面粗糙和有防腐层的管道。对于高温管道的测量，现在已有标称可测500℃的探头和耦合剂，实际使用中，对于温度在350℃以上的在用管道，由于压电晶片和耦合剂的不稳定性，容易导致压电超声仪器读数不稳定甚至错误，难以实现有效测量[16-19]。

1.2 电磁超声测厚仪

电磁超声（EMA）与传统的压电超声同属于超声范畴，是近年来国际上快速发展的一项检测手段。电磁超声产生的机理是：使用静态磁场和交流线圈，使金属导体中产生交变磁场，致其表面产生涡流，涡流在磁场中受到洛伦兹力的作用，产生高频振动弹性波；与此相反，返回声压使质点振动，在磁场的作用下，产生交变电流，导致被测体的表层又出现交变的磁场，在交变磁场作用下，线圈两端的电压发生变化，通过接收装置检测电压变化，就可以实现无损检测[20-22]。在电磁超声检测中，被测物体是电磁超声传感器的一部分，必须是电导体或磁导体。若被测物体是铁磁性材料，除洛仑兹力外，还受到磁致伸缩力的作用。使用永磁铁和螺旋线圈组合，可以激发垂直于检测面的脉冲超声横波[5，18]。电磁超声测厚仪就是利用该原理，使用电磁超声探头（EMAT）取代压电探头，采用式（1）进行厚度测量[23，24]。

电磁超声探头（EMAT）由磁铁、发射接收线圈、被测导体三部分构成。与压电探头比较，使用EMAT进行管道壁厚检测，其突出优点是不需要耦合剂，可以非接触测量，特别适合高温检测及自动化检测，测量精度和稳定性受涂层、污染物，粗糙表面的影响很小。其缺点是仅可用于导电导磁材料，超声波的激发和接收效率比较低，回波信号信噪比差，信号处理电路比压电超声测厚仪复杂，仪器体积较大。

为了提高电磁超声测厚仪的信噪比，需对回波信号进行模拟数字（A/D）转换，通过数字滤波和自相关算法获得稳定的测量结果[18]。电磁超声测厚仪的测量分辨率取决于模数转换的采样率，比如，采用100MHz的A/D转换器件，其采样时间间隔为10ns，电磁超声探头激发的超声波为横波，常温下在钢中的传播速度为3200m/s，对应的厚度测量分辨率为0.016mm。要获得更高的测量分辨率，就要进行更高频率的A/D转换。

国外推出电磁超声测厚仪的典型公司有乌克兰SSE公司、德国Nordinkraft公司、美国Innerspec公司；国内能够提供此类产品的典型厂家有广东汕头超声电子股份有限公司、中电科信息产业有限公司、武汉中科创新技术股份有限公司。表2列举出国内外几款电磁超声测厚仪的一些关键技术参数。

表2 电磁超声测厚仪关键技术参数表（表中H是工件厚度）Tab.2 Electromagnetic ultrasonic thickness gauge technical parameters table （H is the thickness）

现场测试表明，电磁超声对在用金属管道的高温检测效果突出，能很好的解决高温金属管道壁厚测量问题[18]。目前，电磁超声测厚仪在工业管道检测中逐步得到推广应用。

1.3 激光超声测厚仪

激光超声就是利用高能激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在被照射物体表面产生热特性区，形成应变和应力场，使粒子产生波动，进而在物体内部产生超声波。超声振动的光学检测方法有非干涉仪技术型和干涉仪技术型，其本质是检测超声振动引起的检测激光束频率、相位、强度或方向的变化，从而获取工件信息，比如工件厚度、内部及表面缺陷，材料参数等等[25-27]。

德国的Keck等使用非接触激光超声检测技术，在热轧无缝钢管（管长5.5～12m，温度1230℃，延伸速度2m/s）生产线上成功地进行了管坯壁厚均匀性的在线检测，检测范围在15～25mm[25]。美国Bossa Nova Technologies公司推出的QUARTET LTG激光超声测厚仪，测厚精度优于0.01mm。中国石油天然气管道通信电力工程总公司的杨依光等设计研制了可同时检测管道焊缝缺陷和壁厚的双波混合干涉超声检测系统，测试厚度为20.04 mm钢管试块，检测误差为0.11 mm[28]，可通过软件修正其系统误差，进一步提高测量精度。

激光超声厚度测量设备因其检测速度高，可远距离非接触测量、空间分辨率和时间分辨率高等一系列优点，特别适合于恶劣环境条件下的在用管道检测、快速超声扫描成像等场合。不过，激光超声测量设备目前也存在着系统复杂、检测范围小、体积大、造价高等一系列缺点。激光超声技术应用于在用管道检测，还有诸多问题需要解决。国内外目前尚无成熟易用的激光超声测厚设备。

2 超声测厚仪比较

随着我国工业化进程的快速发展，工业管道牵涉的行业越来越多，范围越来越广，数量庞大。另一方面，诸如石化、电力、冶炼等行业，现场工况复杂，管道工作温度范围跨度大，作业危险程度高。这些因素促使市场对超声测厚仪器提出了更高的要求。综合来看，压电超声技术的进步，满足了高检测精度的要求，电磁超声技术则达到了高精度、宽的温度检测范围和非接触测厚的要求，激光超声的发展前景非常诱人，未来可满足精确、快速、长距离非接触的厚度检测要求。表3是对这三类超声测厚仪一些主要特性的分析对比。

表3 超声类测厚仪主要特性对比表Tab.3 Ultrasonic Thickness Gauge main features comparison table

从表3可以看出，三类仪器各有优缺点，但电磁超声测厚仪综合优势比较明显。实际应用中，可根据应用环境和检测对象选择合适的测厚仪器。对于无毒无害环境和表面不粗糙的常温管道，优选压电类超声测厚仪；对于高温管道、表面粗糙或有防腐层的金属管道，可选择电磁超声测厚仪；对于有害人体健康的环境（高温、射线、有害气体等）而又必须对管道进行检测时，可定制特定用途的激光超声测厚仪来实现检测。

3 结论与展望

目前，管道壁厚超声检测仪器的分辨率已达到微米级，许用检测管道温度可达600℃以上，非接触检测距离也越来越大，已越来越多的满足了现场应用需求。但是，受声速设定的影响，相同的仪器，不同的操作者，会得到不同的检测精度。另外，管道壁厚超声检测仪的智能化和自动化水平还有待提高，以减轻现场的劳动强度和提高检测效率。上述问题及其它市场需求，会驱动技术和仪器的进一步发展，笔者认为，未来几年其发展趋势也主要体现在技术和产品方面。

首先是超声技术借助材料及加工制造技术的发展成果，不断提高探头的转换效率和环境适应性；借助电子技术、信号处理技术、计算机技术的发展成果，不断提高仪器的检测能力、智能化或自动化水平。其次是将其它技术与超声技术交叉融合和多传感技术综合运用，共同解决管道壁厚检测中难题。例如，使用激光、电磁、压电等技术激发超声波，再使用同类技术接收超声波。另外也可以使用相异的技术接收超声波。

还有一个发展趋势是管道壁厚超声检测仪的多功能化。比较突出的是电磁超声测厚仪，不仅可以使用电磁超声探头，也可以使用压电超声探头来测量厚度，同时具备波形显示能力，实现部分探伤功能。随着其性价比的不断提高，必将受到越来越多的用户青睐。

纵观超声厚度检测技术的发展，各种技术交叉融合，超声波激发技术和传感检测技术越来越丰富多彩。相信今后新的管道壁厚检测技术还会不断涌现，新的测厚仪器会更好的满足市场需求。

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In-use industrial Pipeline Ultrasonic Thickness Measuring Technology

QIAN Hong-liang1, HUANG Xin-chao2, GUO Zheng-dong1, LI Tao1, DUAN Kai1, GUO Jian1
(1. China Electronics Technology Information Industry Co. Ltd, Zhengzhou 450047, China; 2. Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing, Zhengzhou 450008, China)

Because of the rapid development of industrialization in China, more and more industrial pipelines are being distributed, and more and more requirements are put forward for the testing equipment involved in pipeline safe operation. The residual wall thickness of the industrial pipeline is the key parameter to judge the safe operation of the pipeline. In order to meet the requirements of the detection of the residual wall thickness of industrial pipes, a variety of new detection instruments are emerging, especially the ultrasonic thickness measuring instrument, the electromagnetic technology, laser technology and ultrasonic technology cross fusion, developed the electromagnetic ultrasonic thickness gauge and laser ultrasound Thickness gauges. This article on piezoelectric ultrasonic, electromagnetic ultrasonic, laser-ultrasonic thickness gauge the basic principle and theoretical basis of pipe wall thickness measurements were introduced, the current technical level and some key application characteristics of these three types of instruments are analyzed and compared, and the technology development direction is summarized.

Industrial pipeline; Thickness gauges; Piezoelectric ultrasound; Electromagnetic ultrasound; Laser ultrasound

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.010

:QIAN Hong-liang, HUANG Xin-chao, GUO Zheng-dong, et al. In-use industrial Pipeline Ultrasonic Thickness Measuring Technology[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 53-58.

钱宏亮（1968-），男，高级工程师，主要从事超声无损检测技术的研究和应用工作；黄新超，男，高级工程师，主要从事无损检测教育培训和科研工作；郭振东，男，工程师，主要科研方向：材料加工与制造技术；李涛，男，工程师，主要科研方向：模拟信号处理；段凯，男，工程师，主要科研方向：数字信号处理；郭剑，男，工程师，主要科研方向：软件设计和算法研究

本文引用格式：钱宏亮，黄新超，郭振东，等.在用工业管道壁厚超声检测技术[J]. 新型工业化，2016，6（12）：53-58.