超声导波在工业管道完整性监测中的应用研究

摘 要：工业管道在使用过程中，容易产生腐蚀、疲劳破坏等缺陷，常规手段无法大面积进行测试，通过理论和现场测试证明，超声导波技术能够满足对在役新增管道缺陷的检出和辨识，实现管道的在线监测，在不停机的情况下减少大面积拆除、恢复保温，节约成本。

关键词：超声导波；工业管道；完整性；监测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.017

管道作为化工企业常见的特种设备，承载着物料的传输。由于管道工作条件恶劣，容易产生腐蚀、疲劳破坏等缺陷，严重时会引发泄露。因此，对管道完整性进行监测和诊断成为化工企业压力管道巡检员日常维护的重要组成部分。然而常规测厚方法对埋地或带保温架空管道完整性测定非常困难，超声导波在少开挖、局部拆保温的情况下对管道环节面壁厚腐蚀量检测具有技术优势，近年来逐渐应用于管道监测中。

1 超声导波检测原理

1.1 模态的选择

导波在管道中传播时，遇到缺陷会发生散射、反射等现象，可以通过研究导波的传播特性来评价管道結构的完整性。导波传播具有频散性和多模态性，其可用频散曲线来表示，如图1所示。空心圆管中的超声导波有三种模态，分别为纵向模态L（0，m），扭转模态T（0，m）及弯曲模态F（n，m），其中n=1，2，3……，m=1，2，2……，分别表示周向阶次和导波模数。

相速度曲线，纵坐标（km/s），横坐标频率（kHz）。

从频散曲线可知，T（0，1）、L（0，1）在一定的频率下表现出非频散特性，是目前常用于工业检测的两个模态。

1.2 换能器的选择

针对不同的模态，传感器的选择不同。L（0，1）模态导波为纵向对称模态，选用长度伸缩型压电陶瓷。当在压电陶瓷上下两极加电压时，压电陶瓷在长度方向上伸缩，其伸缩振动的频率与上下两极所加电压频率相等，为使经过此压电陶瓷片激励出的振动信号在管道中只出现轴对称导波模态，可在被测管道外壁沿周向均布一系列相同规格的压电陶瓷片。

T（0，1）扭转波主要利用了磁致伸缩效应，当铁磁体磁化时伴有晶格的自发变形，即沿磁化方向伸长或缩短。由于磁致伸缩效应的存在，当铁磁材料被外界磁场磁化时会产生一定大小的应变。如果将铁磁性材料置于交变的磁场中，材料内质点将产生与交变的磁场同频率的磁致伸缩形变。当这种伸缩振动以波的形式在试件中沿介质边界传播时，就形成了磁致伸缩导波。通过施加直流偏置磁场Hs，可增强铁磁性材料的磁致伸缩形变，提高磁致伸缩导波的能量。因此，选择合理的偏置磁场Hs和交变磁场HD的大小，有利于提高检测距离。

1.3 检测原理

将导波换能器安装在被监测管道上，检测系统激励换能器在管道中产生导波，导波在管壁沿轴向方向传播。当遇到缺陷时，部分能量将发生反射，形成反射回波。反射回波经接收换能器转化为电信号，由可控增益接收采集电路接收、处理后在上位机进行显示。对接收信号进行分析，能够对管壁中的缺陷进行识别与定位，如图2所示。

2 管道监测实例与分析

对在用管道布置探头，采用128kHz采样频率进行监测，结果如下：

在经过一段时间的监测后，在距起始点1.62m处发现一35%横截面损失缺陷。

3 结论

试验完成了对1条管道的在线监测，发现了一处新增腐蚀缺陷。试验证明超声导波技术能够满足对在役新增管道缺陷的检出和辨识，实现管道的在线监测，在不停机的情况下减少大面积拆除、恢复保温，节约成本。

作者简介：曹志峰（1981-），男，山东阳谷人，硕士研究生，工程师，主任，研究方向：特种设备检验检测。