超声导波技术在管道腐蚀测量中的应用探讨

孙 雷

（大庆油田设计院有限公司，黑龙江 大庆 163000）

0 引言

现阶段我国集输管线腐蚀检测中应用的检测技术种类较多，其中超声波技术应用最为广泛，不仅可以有效的测量定点管壁厚度，也可以测量管线焊缝中是否存在缺陷。但伴随超声波检测技术的逐步推广使用，该技术的存在的弊端也逐步凸显[1]。首先，许多安装保温措施以及小管径的管道超声波检测技术精度降低，难以对特殊位置的薄弱点进行精准的检测。目前我国石油集输网络日渐复杂化，管线纵横交错，超声波在复杂管线布局的管线检测中效果也不够理想。原油集输管线内输送介质多为高温、高压、有毒、易燃易爆的危险化工介质，如果不能及时检测发现管线腐蚀严重区域进行处理，一旦发生管线泄漏，将造成不可估量的严重损失[2]。

超声导波检测技术是基于超声波技术的衍生技术，不仅可以快速的对管体进行扫查确定管线缺陷的具体位置，也可以精确的区分管线内部缺陷以及管线的外部缺陷，有着较大的技术优势。我国引入超声导波技术较晚，在技术水平以及应用经验方面与西方先进国家有着较大的差距，其中在声波数据分析方面差距最为明显，分析结果精度较差，与实际情况存在一定偏差。本文介绍了磁致伸缩超声导波检测技术原理，分析了超声导波技术应用的特点，并采用磁致伸缩超声导波技术对地面油气管道的腐蚀检测，结果表明，该技术能够快速查找到腐蚀缺陷的相对位置，且能够检测特殊管段，如围墙或套管内的管段，能够快速发现管道缺陷，但是缺陷定位距离有误差，缺陷的形状和在圆周的位置不能精确提供[3]。

1 超声导波技术检测原理

超声导报检测所使用的波体是一种机械弹性波，该波段可以沿着结构部件的有限边界形状不断传播，并被部件的物理形状边界限制以及导向，与传统超声波相比波体传播具有明显的导向性，因此也被称为超声导波。受管线铸造材料的物理性质决定，管线中所有波体的传播只有声波是恒定不变的，不会伴随导波的频率而发生改变，机械扭力波也只在固体中传播，因此管线内的流体介质不会对扭力波的传播带来影响，只要正确的选择和设置导波的模式以及频率，就可以实现精确的控制波的传播轨迹，完成长距离管线以及复杂结构管线的无死角检测。

目前我国使用的超声导波技术是从英国引入并逐步改良的，产生超声波的激励目前有两种。其一是基于磁致伸缩效应产生的超声波，在适当的环境下改变磁体材料外部磁场参数，在外部磁场的不断变化作用下，磁体材料的物理形状以及体积均发生了细小的变化，从而产生弹性机械波耦合到管线上，沿着管线传播。目前磁致导波技术最为成熟的国家是美国；其二，压电晶体超声导波产生方式；该方法是利用压电晶体的压电特性以及电压效应进行实现。首先通过使用相应的设备，在压电晶体上施加交变电压，在交变电压的作用下，压电晶体厚度不断交替变化产生了规律的震动，晶体依托媒质产生了超声波，该技术最早由英国提出，在国外应用范围最广[4]。

2 超声波导技术应用特点

我国于2009年从英国引入该技术，结合我国国内石化企业的实际需求进行了必要的完善与改良，目前主要针对于架空管线，无法使用其他方法进行精准测量的管线、腐蚀严重的管线、存在穿路、围墙、存在完整保温层的管线进行测量。

在使用超声导波技术进行管线腐蚀检测时，该测量技术无法直接对管壁厚度进行显示和测量。超声导波测量是一种超快速的全面检测技术，因此其检测结果是对管线存在缺陷的大致判断，以便迅速的掌握管线的大体情况。如果需要对存在缺陷类型、大小、位置进行精准详细的判断，则需要结合其他测量手段进行逐一确定。在一般情况下，利用超声导波技术可以迅速完成对管线的缺陷位置范围锁定，然后根据测量结果对存在管壁厚度降低的管线区段使用其他检测方法进行测量，可以高效率的完成管线腐蚀缺陷测量和定位。

超声导波检测技术的检测长度是影响检测效率及经济效益的关键因素，若检测长度过短，则起不到实际的效果，应用价值降低，应用的前景受限。据美国SwRI所做的公开试验数据，对于带油漆层的地上直管段，单方向检测150m处管道横截面积损失量的2～3%，并且穿越了19条焊缝。在实际检测过程中，检测的管道长度与管道所处的状况有直接影响。管线的腐蚀程度以及管线中使用的缓蚀剂以及保温涂层材料和安装方式都会对检测信号带来影响，导致检测信号逐步的衰减。一般情况下，如果管线使用了以沥青为代表的粘性防腐层，检测信号在通过此类管线时都会出现严重的信号衰减现象，导致检测距离的减少；其次，采用埋地敷设方式的管线，如果埋地深度较高也会导致检测距离的减少。超声导波的检测精度是决定其技术应用价值的重要因素之一，目前需要确保检测量密度为管线横截面积的损失量2%才可以满足使用需求。

与其他检测技术相比，超声导波技术在检测管线的材质方面有着更好的兼容性，不仅可以用于铁磁性金属材料的检测，在非铁磁性金属材料管线的检测中也有着很好的应用表现，如近年来数量逐步增加的复合管线、PE管线、钛合金管线等等。

3 管道超声导波检测应用

基于课题的研究需求以及研究目的，选择某地面输油管线作为研究案例，该管道线已经投产运行12年，主要输送介质为汽油。管线内部存在一定的腐蚀现象，整体腐蚀情况不严重，管线外部有防腐涂层，没有安装保温层。使用美国产的磁致伸缩超声导波设备进行测量。

试验用磁致伸缩超声导波检测系统是从美国西南研究院整体引入的。主要结构有主机设备、线圈、铁钴带、数据线以及配套的数据处理涉笔组成。操作流程如下。首先将目标测量管线位置的防腐层进行去除，并进行清理和打磨，安装专用的耦合器设备；其次将铁钴带缠绕上去，再将线圈对应铁钴带缠绕，并用适配器连接线圈， 适配器通过数据线与主机连接，主机通过数据线与电脑软件连接。最后根据管线的实际情况、测量环境、测量需求确定最终的检测频率设置，然后启动主机设备对管线进行管道信息的测量和采集，采集后使用系统自带的数据分析软件对原始信号进行收录、分析，根据相关的计算方法确定缺陷的位置以及缺陷大小。

检测结果如图1所示，可以发现管线存在一定的腐蚀现象，但是整体腐蚀程度较低，检测信号在管线中的传递情况良好，没有出现明显的信号衰减或者检测距离减弱的情况，管体特征明显，焊缝位置突出。在探头信号的发射反向3.91m处存在第一个缺陷，缺陷为管壁截面面积的2.1%。现场检查发现，该区域位于墙体内，经协调，扒开墙体后，发现该管段没有套管，管体直接接触墙壁，管体的防腐层脱落，管壁上有一片大大小小的麻坑，腐蚀深度较小。

图1 超声导波检测表