超声导波技术在特种设备检测中的应用

2017-01-20黄志巍

中国设备工程 2017年14期

关键词：导波特种设备管道

黄志巍

（湖南省特种设备检验检测研究院，湖南长沙 410117）

超声导波技术在特种设备检测中的应用

黄志巍

（湖南省特种设备检验检测研究院，湖南长沙 410117）

近年来随着科学技术的不断进步，超声导波检测技术已广泛地应用于各种具有波导结构的构件，例如已经成功融入到管道、板材等承压特种设备无损检测领域当中，有效控制了设备的检测成本，同时还提升了设备检测的工作效率，也提升了设备检测的准确性。以当前特种设备检测过程中超声导波技术的发展情况为基础，结合近年来工作开展的实际情况，对如何提升超声导波技术的使用质量加以阐述。

特种设备；设备检测；超声导波；应用

特种设备是经济建设过程中十分重要的一个部分。特种设备检测质量在很大程度上会影响到特种设备的使用质量以及特种设备相关产业链条的发展。将超声成像系统应用到特种设备检测过程中，有效地探测出了压力管道以及压力容器、常压石油储罐底板等特种设备在运行过程中出现的损伤，极大地提升了检测效率以及准确性。下文将分别从不同的角度，结合某油田的情况，对超声导波技术的应用方法加以阐述。

1 超声导波与B扫描检测问题

由激励模块、接收模块这两个模块来构成检测系统，实现小型超声导波检测。激励模块的主要组成部分包含了单片机、功率放大器等，结合电陶瓷换能器阵列将各个部件进行串联。在接收模块方面，主要使用压电陶瓷换能器阵列，利用数据采集卡以及 Lab程序等进行串联，提升系统结构稳定性。单片机的主要作用是生产专用导波激励信号数字编码，之后使用专业的模数转换器对编码进行处理，并生成与之相对应的模拟信号，再利用功率放大器来带动压电陶瓷转换。

因为激励用压电陶瓷转换器可以受到变电信号的影响，并通过逆压电效应的方式来生成机械波，在管道中，该机械波可以以导波的形式进行长距离传播，实现管道的快速检测传播，若在传播的过程中，发现管道存在缺陷，导波传播至缺陷处会发生反射现象，所反射回来的机械波会被压电陶瓷换能器接收，之后通过压电效应所产生的各种电信号来进行数据转换，综合了LabVIEW 数据采集卡的内容，对各种采集到的内容进行全面数据转换，最后再对数据内容进行处理。一般情况下，会先对回波信号位置进行分析，之后通过一些比较专业的理论计算依据，来计算导波速度，明确其所在管道的长度，以及管道是否存在缺陷。

因为是单片机和数模转换器构成组成了信号发生器，所以工作人员可以利用专业化的超声导波激励信号来处理这些问题。导波频散特性比较显著，所以在对管道导波情况进行检测的过程中，工作人员可以使用一些窄带的激励信号来处理相关问题。以不同管道检测被调制单音频信号形式，选定不同信号频率，将信号的频率控制在 70～ 250kHz范围区间内效果最好。

如果石化行业管道长时间不间断的工作，其内部必然会出现腐蚀等问题，影响管道的正常使用。如果工作人员没有发现管道已经腐蚀，会使其持续腐蚀一段时间，最终发生腐蚀失效的问题。所以必须要定期对管道运行情况进行检测，如果大部分管道的外壁位置依然有绝热层或者是有防腐层，要拆除掉这些层之后，再进行腐蚀检查。这种检查方式在我国已经使用了许多年，但是检查工作效率低、检查需要投入的经费比较多，所以近年来逐渐被淘汰。

超声导波检测工作的基本原理，就是利用探头阵列来发出超声能脉冲，这种脉冲始终充斥在圆周方向以及管道壁的位置，并向四周位置传播，最终由相同的探头阵列来验收返回的信号。如果经过检查发现，管道的管壁位置厚度发生了任何形式的变化，则在管道内壁以及管道外壁这两个位置，都会产生反射信号，这些信号会被探头阵列捕获。

所以从该角度来看，管道内外壁因为受到腐蚀而产生金属缺陷，都可以利用该方法进行检测。按照不同缺陷产生所附加的波形，对信号进行转换，可以有效识别金属磨损和管子的外形特点，对不同问题点加以区分。

超声导波检测技术，主要利用低频扭曲模态导波和纵向模套导波对管道内部情况进行检查。扭曲模态导波可以边朝着管子圆周方向振动，一边向着管道的轴向位置传播波形，这种传播模式效果比较好，声能并不会受到管道内各种液体的影响，传播质量理想。工作人员在对导波进行检测的过程中，可以让液体不断的在管道中流动。

工作人员在管道的某个位置放好事先准备好的探头，之后再让导波沿着管道轴的方向进行传播。这一传播距离可以达到数十米，并且反射回来的余波还可以显示出管道内部腐蚀以及其余各种特征，所以工作人员可以利用管壁当中铅管子的轴向来传播导波信号，最终实现长距离的快速无损检测。

2 实例验证

以克拉玛依油田中的一条管道检测情况为例，这条管道在克拉玛依油田中已经服役了很多年，但是在近年来的例行检查中发现，管道在运行的过程中存在腐蚀性穿孔问题，所以着手对这一管道进行检测。在检测的过程中，将检测目标集中在管道腐蚀方面，并利用超声导波对其进行检查，结合B扫描给出具体的结果。

在检测之前，先使用导波来对整条管道进行一次快速检测。将探头沿着管道壁的位置，顺时针进行扫描，在扫描一周之后，对检测方向 20m左右范围内的管壁腐蚀情况进行全面观察，并记录下观察的结果。通过导波图的方式，对这些内容进行分析，之后确定下腐蚀区域具体的位置，再对相关细节进行后续检验。之后对腐蚀区环向位置进行B扫描，并对最终的扫描结果进行分析。克拉玛依油田的该管道区域壁厚程度最小值为 5.8mm，最大值为 168.2mm。

因为在对管道进行检测之前，并没有先对管道的表面进行打磨，导致最终测量出的管道表面漆体厚度约为0.5mm，所以在对管壁厚度进行计算时，要减去 0.5mm，才能保证测量结果的准确性。利用B扫描的方式，对腐蚀区域线性两维剖面图进行观察发现，该腐蚀区域的特点比较明显，呈现出扩散性的特点，而且轴向的腐蚀长度要明显超过环向的腐蚀宽度，满足管内液体流向要求。