超声C扫描技术在油气管道检测中的应用

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(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，广汉 618300； 2.四川科特检测技术有限公司，广汉 618300；3.西南石油大学，石油与天然气工程学院， 成都 615000)

由于输送介质具有腐蚀性或介质对管道存在冲刷作用，随着服役期的延长，油气管道的内腐蚀问题日益突出，特别是输送高含硫、高温CO2、含砂量大的油气田集输管道，其内腐蚀状况更是令人担忧。定期检验作为保障压力管道和其他特种设备的重要手段，已得到普遍认可和重视。但是目前定期检验仅以单点超声检测为主要方式，该方式无法覆盖管道腐蚀区域，易发生漏检，且无法准确了解管道的腐蚀状况。

超声C扫描检测技术具有缺陷检出率高、检测精度高、缺陷定位定量准确性高等优点，特别适合于管道点蚀、局部腐蚀等内腐蚀缺陷检测，相对常规超声波壁厚检测技术，是一种高精度的腐蚀检测成像技术[1]。笔者对国内外成套的超声C扫描检测系统进行了长期调研，在实验室内对自行设计的试块进行了缺陷检测能力试验，并利用相关超声C扫描检测系统在现场开展了相应的检测试验，对检测灵敏度、缺陷定位定量精度、检测速率等性能指标进行了验证。

1 技术原理

超声检测(UT)是五大常规无损检测方法之一，是利用材料和缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检测材料内部缺陷的无损检测方法，也是最具发展潜力的无损检测方法，应运而生的有相控阵超声法、衍射时差超声法等新技术。

超声成像技术是超声波检测技术结合计算机、信号处理、图像处理等技术发展起来的产物，可将传统的数字波形转换为二维、三维图像[2]。该技术具有自动化和智能化的特点，超声图像包含大量的材料信息，可以直接反映物体的声学性能，在无损检测领域有着非常广阔的发展前景。

1.1 常规超声C扫描成像检测技术

当今，对腐蚀超声检测的显示，正逐渐从“单点”的A型显示和“二维线性”的B型显示向“三维体性”的C型显示方式发展，缺陷显示更加真实完整，数据更加丰富。

超声C型扫描显示，简称C扫，即特定深度扫描模式(Constant Depth Mode)，从显示方式看是二维平面显示，用平面上不同的颜色来反映波幅高度或不同的厚度信息。C扫的图像实际是由探头扫描路径的每一组B扫图像组合而成，因此C扫成像平面与B扫成像平面是互相垂直的。在C型扫描成像中，探头不但要沿x方向扫描，而且还要沿y方向扫描，即面扫描(二维扫描)，而不是线扫描(一维扫描)。为获得某一与声束轴线垂直的断面在z=z0的图像，扫描声束应聚焦于该平面；改变扫描声束聚焦的平面，即可获得物体不同深度的C扫截面图像，其原理如图1所示[3]。

图1 超声C扫描检测示意及结果显示图

由此来看，超声A型扫描显示为“点”显示，超声B型扫描显示为“线”显示，而超声C型扫描显示为“面”显示。在超声C型扫描显示中包含A型扫描和B型扫描。

1.2 相控阵超声C扫描成像检测技术

相控阵成像检测技术是通过控制换能器中各个阵元激励(或接收)的时间延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达被检结构内部某点的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成扫描成像的技术。该技术利用相控阵探头多阵元分时聚焦的能力，相比传统超声具有良好的声束可达性，高的检测灵敏度、分辨力和信噪比[4]。

相控阵超声成像检测的核心为相控阵超声换能器，其由几十到上百个相互独立的压电晶片组成，每个晶片均为阵元，通过计算机按照一定规则控制每个阵元的激发和接收，并将波形转换为图像显示，其基本原理如图2所示。因此，相控阵超声单次扫查相当于几十到上百个独立的超声探伤仪同时工作。

图2 相控阵超声C扫描检测原理示意

相控阵超声C扫描成像检测技术一般采用一维线阵探头沿管道环向线性扫描，一次性扫描宽度和扫描深度均具备更大优势，其检测效率远远高于常规单通道超声检测设备，解决了高分辨率和大检测范围无法同时实现的难题，具有更高的应用价值。

2 超声C扫描检测设备

超声C扫描检测方式通常采用常规超声探头+双轴扫查器的方式，比如以色列ISONIC 2006以及美国PAC POCKET-UTTM掌上超声A/B/C/TOFD成像系统和Tablet-UTTM平板式便携超声A/B/C/TOFD成像系统等设备均采用此种方式。

但是随着相控阵超声技术及计算机技术的快速崛起，诞生了以超声相控阵技术为核心的C扫描检测技术，即超声相控阵多阵元探头+双轴扫查器的方式，比如广州多浦乐PHASCAN-C扫描系统、奥林巴斯Olympus超声C扫描检测系统、GE公司Mentor UT、ZETEC TOPAZ等设备均采用此种方式。相控阵超声C扫描系统具有更高的精度和缺陷检出率，更快的检测速度和更高的图像分辨率等优点，因此，其具有更高的发展空间，必定是今后超声C扫描检测的主流。

总体而言，超声C扫描检测系统主要包括超声波主机或超声相控阵主机、超声探头或超声相控阵探头、配套扫查装置、配套耦合装置和数据处理软件。以奥林巴斯超声C扫描检测系统为例，其包括OmniScan MX2 32:128PR、HydroFORM探头、MapRover扫查装置、数据处理软件及其他附件。

3 超声C扫描检测技术应用

3.1 实验室测试试验

为验证超声C扫描检测系统的最小缺陷检出能力、缺陷定位与定量精度、近表面分辨率以及扫查速率等性能指标，设计了如图3所示的阶梯试块。

图3 超声C扫描检测阶梯试块结构示意图

该试块材料为20钢，设计了4个阶梯，每个阶梯尺寸(长×宽)为250 mm×150 mm，厚度分别为4，6，8，10 mm。第一阶梯等间距排布直径为1，2，3，4 mm平底孔，孔深分别为2，1 mm；第二阶梯等间距排布直径为1,2,3,4 mm平底孔，孔深分别为3，2 mm；第三阶梯等间距排布直径为2，3，4，5 mm平底孔，孔深分别为4，3 mm；第四阶梯等间距排布直径为2，3，4，5 mm平底孔，孔深分别为4，2 mm。

在实验室内的测试结果表明，采用常规超声C扫描检测系统可检测φ2 mm以上的平底孔；由于采用的是双晶探头，近表面分辨率较高，如以色列的ISONIC 2006设备经过软件处理，无始波占宽，但扫描速度较慢。采用相控阵超声C扫描检测系统可检测φ1 mm以上的平底孔；采用10 MHz 64晶片的相控阵探头始波占宽约2mm，对于较深的平底孔近表面分辨率不高；由于采用多阵元的相控阵探头，单次线扫的宽度较大，因此扫查速度很快。

图4为奥林巴斯超声C扫描检测系统对该阶梯试块第一阶梯直径为1，2，3，4 mm平底孔，孔深为2 mm的扫查结果，从检测结果来看，成像分辨率非常高，缺陷尺寸和设计基本接近。

图4 阶梯试块第一阶梯超声C扫描检测结果

3.2 现场测试试验

3.2.1 常规超声C扫描检测系统

对新疆某在役地埋输油管道进行常规超声C扫描检测，检测位置如图5所示，管道规格(直径×壁厚)为φ426 mm×8 mm，材料为20钢，检测结果如图6所示，其中图6(d)为壁厚与颜色的对照图，每种颜色对应一个壁厚。超声C扫描检测范围为150 mm(轴向长度)×220 mm(环向长度)，经过数据处理后，管道缺陷数据处理结果如图7所示，缺陷面积(长×宽)为37.97 mm ×27.40 mm，最大减薄量为3.03 mm。

图5 新疆在役地埋输油管道超声C扫描检测位置

图6 新疆在役地埋输油管道超声C扫描检测结果

图7 缺陷数据处理结果

图8 塔里木油田某集输管道超声C扫描检测位置

图9 塔里木油田某集输管道超声C扫描检测结果

3.2.2 相控阵超声C扫描检测

对塔里木油田某集输管道全面检验过程中发现的壁厚异常位置进行相控阵超声C扫描检测，检测位置如图8所示，管道规格(直径×壁厚)为φ457 mm ×17.5 mm，材料为L415，检测结果如图9所示。

超声C扫描检测范围为950 mm(环向长度)×62 mm(轴向长度)，图9中颜色异样处为发生内腐蚀位置，经过数据处理后，缺陷面积(长×宽)为120 mm×62 mm，最小剩余壁厚为10.01 mm，最大减薄量为7.49 mm。

4 结论

(1) 超声C扫描技术集成了超声技术、数字图像处理技术、信号处理技术、计算机技术，检测结果能直观显示被检管道的内腐蚀缺陷的形貌、面积、深度等信息。

(2) 通过实验室内对阶梯试块的检测试验，验证了常规超声C扫描系统可以发现当量为φ2 mm以上的平底孔缺陷，相控阵超声C扫描系统可以发现当量为φ1 mm以上的平底孔缺陷，为检测点蚀缺陷提供了一种新的无损检测方法。

(3) 目前市场上有两种超声C扫描系统，分别为常规超声C扫描系统和相控阵超声C扫描系统，其操作简便智能，相比单点超声测厚具有更高的缺陷检出率和精度，更高的检测效率，且可以实时成像的优点。

超声C扫描技术作为一种精细的壁厚检测技术,其不仅适用于管道，对于压力容器的非开罐内腐蚀检测，同样是一种优良的方法；特别是超声C扫描的检测结果可以为管道及压力容器腐蚀监测、剩余强度评价和剩余寿命预测以及腐蚀机理和腐蚀规律研究提供有力的技术支持[5]。但是，超声C扫描检测设备的扫查装置还不能完全适应各种规格的管径，超声耦合方式也不够良好。如要大力推广应用超声C扫描检测技术，必须开发出智能扫查装置，解决自动扫查及水浸耦合的难题。