超声导波技术在场站管道检测中的应用

谭达真

（广西壮族自治区特种设备检验研究院，广西 南宁530029）

0 引言

西气东输，是我国距离最长、口径最大的输气管道，西起塔里木盆地的轮南，东至长三角、珠三角地区。西气东输工程的成功实施，加快了我国能源产业的发展，使我国的能源结构和产业结构得到很大的优化，不仅有效缓解了东部能源的紧缺状况，同时促进了中部、西部地区经济共同发展，极大地改善了管道沿线地区人民生活质量，有效治理了大气污染。同时，西气东输也是我国投资最多、输气量最大、沿线环境条件最复杂的天然气管道。由于地域跨度大，环境条件复杂，输气管道的使用和维护困难重重。而干线、支线上的场站，是输气沿线上的重要支点，起着调节和分输的作用，因此，做好场站内管道和设备的维护，对西气东输的安全运营有着十分重要的意义。

场站管道作为输气管道，压力很高，依照我国法律法规，需要进行定期检验，以保障管道的安全运行。然而，场站工艺管道作为管道输送系统的重要组成部分，却一直缺乏有效检测手段。由于条件限制，场站管道检测中对精准检测、无损检测的要求越来越高。传统的四大常规无损检测方法，检测成本高、速度慢，抽检的覆盖率低，难以全面科学准确地对管道完好性进行全面的评价。

为了高效地检测场站工艺管网，采用超声导波技术，对场站内工艺管道进行检测，对检测系统性能、干扰因素、缺陷定位、缺陷信号响应、实际检测距离和缺陷检出率等关键指标进行了研究。

目前，实现导波检测主要有以下两种方式：一是多晶片探头卡环式检测系统（基于压电效应），生产厂家为英国导波公司（GUL）和英国焊接研究所（TWI）；另一种是MsS超声导波检测系统，基于铁磁性材料的磁致伸缩效应和其逆效应，生产厂家为美国西南研究院（SwRI）。英国的压电晶片技术和美国的磁致伸缩技术，它们的主要区别是导波的激发方式与探头结构以及探头耦合方式不一样，其他方面如传播机理、其与缺陷的相互作用以及衰减特性都是一样的。

本文主要探讨MsS超声导波技术在场站管道检测中的应用研究。针对西气东输场站复杂的检测环境，常规无损检测方法检测成本高、效率低下的问题，采用导波检测技术，对管道进行全面的检测和评价。

1MsM超声导波检测技术原理和设备介绍

1.1 磁致伸缩效应

磁致伸缩效应（英文缩写MsM），指铁磁性材料受外加磁场的作用，其尺寸、形状发生改变的现象；传感器中的磁畴在外加磁场的作用下按照一定方向运动，并产生弹性机械波，耦合到管道上并沿着管道传播。磁致伸缩逆效应（磁弹性效应）指铁磁性材料在受到（长度方向）轴向外力时，其内部磁场状态发生变化的现象；超声导波是指受构件边界条件（几何尺寸、受力状态等）约束的、能够较长距离传播的某些特定频率范围的超声波。

1.2 MsM超声导波检测技术

MsM超声导波检测技术，就是基于铁磁性材料中的磁致伸缩效应产生导波信号和利用磁致伸缩逆效应来实现对工件的检测。

1.3 MsS超声导波检测设备

MsS超声导波技术系统的传感器是由薄片状的铁鈷带（强磁性材料）、交流线圈组成。MsS超声导波的产生：将薄片状的铁鈷带（相当于直流偏磁场）磁化，然后通过环氧树脂胶或机械干耦合的方式紧贴于管道外表面，再将交流线圈置于铁鈷带上，铁鈷带上的直流偏磁场与交流线圈形成的交流磁场相互作用（磁致伸缩效应），直接在铁鈷带上（强铁磁性材料）产生机械弹性波，并通过胶层或直接耦合到管道上，并沿着管道双向传播。MsS超声导波的检测：当MsS超声导波沿着管道传播并遇到缺陷或法兰、三通、焊缝等障碍时，就会有一部分波反射回来并返回到MsS传感器上，转换成电信号被导波主机接收。

美国西南研究院MsS超声导波检测系统通过薄的磁性铁钴条带粘贴在工件上进行超声导波的激发，可以用于铁磁性金属材料、非铁磁性金属材料和非金属材料的检测，如：钛、不锈钢、铝、铜等和玻璃、PVC材料、木材、水泥等的检测。该系统检测精度高，根据最新试验结果，最高灵敏度可达到管道横截面积损失量的1%，可靠检测灵敏度为管道横截面积损失量的5%，用作监测时灵敏度可以达到管道横截面积损失量的0.6%。一次检测范围大，对于带油漆层的地上直管段，可以单方向检测150 m处管道横截面积损失量的2%～3%。温度适用性强，最高温度可达938℃，可以在高温状态下对管道进行在线检测和长期监测。可以适用不同的管道直径，从40 mm～2 000 mm（可以适应无限大直径的管道）。检测频率在很大程度上决定了检测盲区的大小，频率增大，盲区减小，如频率为2 kHz时为350 mm，64 kHz时为175 mm，128 kHz时为85 mm。探头与管道之间的耦合方式有两种，为机械干耦合或环氧树脂胶粘接。管道的外表面状态完好，或者打磨后表面状态完好时，可采用机械干耦合方式。不方便打磨的地方或是管道表面状况差，可采用环氧树脂胶作耦合剂粘接。

2 实验研究和现场检测应用

2.1 实验研究

如图1，选取一根长度3 m，外径为114 mm，壁厚6 mm的管道作试验。为模拟现场实际情况，此管已放置一段时间，管的表面和两端都有明显的自然腐蚀。在管子外表面制作4处人工模拟缺陷如下：钻取深4.2 mm、直径10 mm的孔，模拟腐蚀坑缺陷，相当于2%的管道横截面积金属损失量，如图2所示；钻取深3 mm、直径4 mm的微型小孔，模拟针孔腐蚀缺陷，相当于1%的管道横截面积金属损失量，如图3所示；制作25 mm宽、深度为1.5 mm的横向切槽，相当于1%管道横截面积金属损失量，如图4所示；制作32 mm宽、深度2.5 mm的横向切槽，管道横截面积金属损失量为2.5%，如图5所示。图6为超声导波检测波形图，可以看出，四处缺陷均有明显的显示。

图1 实验室模拟管道

图2 直径10 mm的模拟腐蚀凹坑

图3 直径4 mm点模拟腐蚀凹坑

图41 %的横向切槽

图52 .5%的横向切槽

图6 模拟管道检测信号波形图

2.2 现场检测应用

现场检测中，以法兰、焊缝、支管作为特征信号，以此为基准，判断回波是否为缺陷信号。因此，采集信号前，需要先对检测部位进行绘图，测量特征信号部位与探头线圈的距离，这样有利于区分特征信号和缺陷信号。评价管壁减薄程度时，依据轴对称与非轴对称信号幅度之比来进行。超声导波检测结果不能直接检测得到管道的壁厚量值，但对管道金属截面的损失变化检测灵敏度很高。

此次试验共在场站内布置检测点60处，经分析后发现异常信号6处，并对其中3处具备开挖验证条件的异常信号点进行了开挖验证。

（1）BY-6号测试点（见图7）

图7BY-6号测试点导波检测波形图

通过对超声导波检测数据图谱分析，此检测点负向-3.6 m处存在疑似腐蚀信号（Q1）。经开挖验证，在检测点负向-3.6 m处管道表面大面积腐蚀。

（2）BY-10测试点（见图 8）

图8BY-10测试点导波检测波形图

通过对超声导波检测数据图谱分析，此检测点正向0.9 m处存在疑似中等腐蚀信号（Q1）。经开挖验证，检测点正向0.93 m处发现管道下表面存在腐蚀。

（3）BY-18测试点（见图 9）

图9BY-18测试点导波检测波形图

通过对超声导波检测数据图谱分析，此检测点正向1.1 m处存在疑似腐蚀信号（Q1）。经开挖验证，正向1.13 m处管道上表面有大面积腐蚀。

2.3 现场检测典型信号分析

图10为现场检测，图11为检测点位置示意图，图12为波形图。从图12可以看出，负向的阀门信号W1后面的信号杂乱无章，已经无法分辨。弯头信号WE1后面的回波信号也是有大量的干扰信号，给信号的分析和缺陷的分辨带来很大的困难。

图10 为现场检测

图11 现场检测位置示意图

图12 超声导波检测波形图

图13 为现场埋地管道检测，图14为检测位置示意图，图15为导波检测波形图。从图15中可以很清晰的看出，离导波点1 m的焊缝，导波信号W1很明显。W1后面的信号衰减很快，离导波点5 m的焊缝已经没有信号回波。信号衰减很快，原因为埋地管道外面有沥青或PE防护层，沥青防护层或PE防护层很柔软（刚性很弱），对导波的振动能吸收很大，就象减震缓冲垫一样使得导波在沥青防护层或PE防护层中分流传播时衰减很大；另外，地埋管线上面还覆盖着2～3 m厚密实的土壤。三维的土壤层几乎无限边界使得分流的导波能量进一步被扩散消失尽。也就是说，原来在刚度很高的具有有限边界的钢管中的导波被分流出了到高吸收能量的沥青防护层或PE防护层中，防护层外的土壤中更进一步将最后的一点能量完全吸收，因而衰减巨大，实际有效检测距离与理论有较大差距。

图13 导波埋地管道检测

图14 埋地管道检测示意图

图15 超声导波检测波形图

3 低频超声导波检测系统优缺点评价

3.1 主要优点

通过模拟试验和现场检测应用，可以知道低频超声导波技术有以下优点：

（1）对有保温层和防腐层的管网、套管、穿越、埋地等难以接近的管道，能够实现长距离、快速、高效的检测；

（2）检测成本低，除探头安装区域外，不需要拆除保温层、防腐层或开挖，不需搭设脚手架，最大程度降低检测成本；

（3）有干耦合和胶粘两种耦合方式，操作灵活性高；

（4）能够识别管道特征与腐蚀信号其它缺陷特征；

（5）应用范围广泛，可用于各种工业管网管道、高温管线、伴热管线、储罐底板、换热器管道、悬浮桥梁、游乐设施钢索、高压传输线铁塔锚杆等。

3.2 主要缺点

（1）根据对导波的位移、能量和波包[1]的研究，信号易受现场结构的干扰，如三通、支撑、法兰、弯头、覆盖层等等，都会对信号形成很强的干扰，从而影响检测结果；

（2）导波通过弯头后，由于壁厚发生变化，导致信号发生散射、衰减和波型转换，极大影响检测灵敏度和信号辨析。因此，在检测长距离管段时，应分段进行，以避免有过多弯头。从现场的实际检测效果来看，超声信号通过两个弯头后，后面的信号几乎难以分辨；

（3）信号通过阀门后，会产生散射和波形转换，阀门后的信号无法判读；

（4）无法确定缺陷的周向位置，同一周向上的不同缺陷信号会产生叠加，使判读困难；

（5）轴向有一定长度，环向很窄的缺陷，检出率低；

（6）沥青层或PE防护层可致波导信号有较大的衰减，使实际可检范围大大减小；

（7）缺陷无法直接定量，只能给出相对严重程度，也无法确定其埋深或形状，需采用其他检测手段进行精确检测；

（8）检测结果较易受到人为因素影响。

从上可以看出，导波技术能快速检测识别出场站管道和设备的缺陷区域，为实现对场站的精准检测和科学的完整性评价打下坚实基础，从而给场站维护检修提供技术和决策支持。

4 结束语

通过理论分析、结合现场检测应用，可以得到，在检测速度、检测成本和适用范围等方面，导波技术比以往的无损检测技术具有很大的优势，可以很好的适应场站复杂的检测环境，特别适用于场站长距离工艺管网、地下管网和野外长输管道的检验检测。同时，作为一种新兴的检测方法，导波技术也有其固有局限性，在检测过程中我们需尽量避免。目前，导波技术的应用尚属起步阶段，在理论的完善、现场检测经验、应用范围和应用深度等方面，都需要继续深入研究。