长输管道超声波在线检测技术探讨

赣 石油化工安全环保技 术 辩 2 0 1 0年第2 6卷第3期P E T R O C H E M I C A L S A F E T Y A N D E N v I R 0 N ME N T A L P R O T E C T I O N T E C H N O L O G Y 事 故 分 析 与 预 防 长输管道超声波在线检测技术探讨 张克文 ( 中国石i 6 - f L 股份有限公司荆门分公司，湖北 荆 门4 4 8 0 3 9 ) 摘要：长输管道的安全生产一直处于较 重要的地位 ，针 对长输管道 的运行特点 ，并结 合超声波的特性，在长输管道生产过程 中应用超声波技 术进行在线检测，并结合 G I S系统快 速对管道的缺陷和破坏进行分析定位 ，以实现长输 管道的数 字化安全生产 管理，提 高管道输 送 的安全性 。 关键词 ：超声波技术 ；长输管道 ；在线缺陷检测与精确定位 ；可行性分析 中石化管道现主要使用压力波检漏定位和智 能防腐带检漏定位。压力波检测技术 的反应时间 相对较长 ，定位精度不高 ，而且在输油生产波动 大的情况下易产生误报 ；智能防腐带技术主要是 针对打孑 L 盗油设计的，其施工难度大 ，对通讯运 营商依赖大，当管道因其它原因发生泄漏时无法 报警。随着超声波技术 的不断发展和新材料 的出 现 ，使用超声波对长输管道进行在线检测 的可行 性有望成为现实。 1 超声波的特性 声波的传播是通过弹性媒介各质点 间的弹性 力来实现的。把频率 高于 2 0 0 0 0 H z的声 波称 为 “ 超声波” 。超声和可闻声在本质上是一致的，它 们的共 同点都是一种机械振动 ，通 常以纵波的方 式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形 式，其不同点是超声频率高，波长短 ，在一定距 离内沿直线传播具有 良好 的束射 特性 和方向性。 ( 每秒振动 1 次为 1 H z ，1 兆 H z =1 0 Hz ，即每秒 振动 1 0 0万 次，可 闻波 的频 率在 1 62 0 0 0 0 H z 之间) 。超声波具有方 向性好 ，穿透能力强 ，易 于获得较集 中的声能 ，传播距离远等特点。与可 听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特 性一超声波的波长很短 ，通常障碍物的尺寸要 比 超声波的波长大好多倍 ，因此超声波的衍射本领 很差 ，它在均匀介质 中能够定向直线传播 ，波长 越短 ，这一特性就越显著。功率特性一 当声音在 空气 中传播时 ，推动空气 中的微粒往复振动而对 微粒做功。声波功率就是表示声 波做功快慢 的物 理量。在相同强度下 ，声波的频率越高 ，它所具 有的功率就越大。由于超声波频率很高，所 以超 声波与一般声波相 比，它的功率是非常大的。空 化作用一当超声波在液体中传播时，由于液体微 粒的剧烈振动 ，会在液体内部产生小空洞。这些 小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生 猛烈 的撞击作用 ，从而产生几千到上万个大气压 的压强。微粒间这种剧烈 的相互作用 ，会使液体 的温度骤然升高，起 到很好的搅拌作用 ，从而使 两种不相溶的液体 ( 如水和油 )发生乳化 ，并且 加速溶质的溶解 ，加速化学反应 。这种 由超声波 作用在液体 中所引起 的各种效应称为超声波的空 化作用 。吸收特性一声 波在各种物质 中传播时， 随着传播距离 的增加，强度会渐进减弱 ，这是因 为物质要吸收掉它的能量 。对于 同一物质 ，声波 的频率越高 ，吸收越强。对于一个频率一定 的声 波 ，在气体中传播时吸收最厉害 ，在液体 中传播 时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。束射 特性一由于超声波的波长短 ，超声波射线可 以和 光线一样 ，能够反射 、折射 ，也能聚焦，遵守几 何光学上的定律。 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 1 1 8 。 作者简介：张克文，男，2 0 0 0午毕业于华中理工大 学计算机及应用专业，现在中国石油化工股份有限 公司荆门分公司工作，助理工程师。 辩石油i t_v - 安全环保技术 2 0 1 0年第2 6卷第3期 2 超声波在液体和固体中的传播机理 3 1 超声波作为一种机械波，其在媒质中的传播 是通过媒质各点问的弹性力来实现的。在一定温 度下 ，波速大小取决于媒质的状态和性质 ( 密度 和弹性模量) 。因为液体 和固体 的分 子间距 离较 小 ，在常温状态下均为弹性材料。超声波可 以是 纵波、横波 、表面波等。超声波在气体及液体介 质中传播时 ，只能从纵波形式 向前传送 ，但超声 波在固体介质 中，除 了有纵波传播外 ，有时还会 发生横波；而在液体和气体传播时，在任何条件 下它都不会产生横波 。在 同一固体介质 中，超声 波横波声速小于其纵波声速 ( 约为后者 的 4 8 5 5 ) 。从实验 中得知 ，超声波几乎完全不能 通过空气和金属接触界面的特点。当超声波由空 气传向金属，或由金属传向空气时，差不多有 9 9 被这种界面反射 回去。在弹性范围内，任意的 波形都可以按照傅里叶级数展开为不 同频率 的谐 波分量的叠加，但在实际中由于不 同频率的谐波 分量将以各自的速度传播，因此在波的传播过程 中波形 不能再保 持原来 的形 状，必定会 分散 开 来 ，出现所谓的弥散现象 。两列弹性波相互作用 时，无论是加载波或卸载波波振面相互作用 ，还 是加载波或卸载波之间相互作用，只要将它们的 应力和质点速度分别叠加起来就是在两列波共 同 作用下的应力和质点速度 ，这就是弹性波 的叠加 原理。弹性波叠加成立的条件是：各种强度、各 种类型的波都具有相同的波速。因为弹性介质在 弹性范围内有着唯一的且是线性的应力一应变关 系。纵波在固体媒质 中传播时，常使 固体的体积 有交替的压缩和膨胀 。横波在 固体 中传播时不引 起体积变化 。超声波作为波的一种 ，其在各种介 质中做远距离的传播并用来进行检测是基于惠更 斯原理。 3 超声波在介质中传播的衰减 超声波在实际介质传播时 ，其幅度将 随距离 的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减。如果超 声波能量衰减到一定程 度，接收换能器将无法接 收到超声波检测信号，即使能检测到微弱的信 号，因为存在环境信号干扰 ，也可能无法对实际 的管道情况做出准确地分析判断。 超声波的衰减有三个原因 ( 1 )由声束扩展引起的衰减 在声波的传播过程 中，随着传播距离的增 大，非平面声波的声束不断扩展增大，因此单位 面积上的声能 ( 或声压 )随距离 的增大而减弱 ， 这种衰减称为扩散衰减。扩散衰减仅取决于波阵 面的几何形状而与传播介质的性质无关 。在远离 声源的声场中 ，球面波 的声压 P与至声源距离 a 成反 比 ( 即 P。 c 1 a ) ，而柱 面波则 为 P。 c ( 1 a ) 。对于平面波，声能 ( 或声压)不随传播距 离而变化，不存在扩散衰减。 ( 2 ) 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀 的，例如材 料中有外来杂质、金属中的第二相析 出、晶粒的 任意取向等均会导致 整个材料声 阻抗不均，从而 引起超声波 的散射。被散射 的超声波在介质中沿 着复杂的路径传播下去，最终变成热能，声能被 消耗 ，声强 ( 或声压)被减弱 ，这种衰减称为散 射衰减。 ( 3 )由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质 中传播时，由于介质的粘滞性 而造成质点之间的内摩擦 ，从而使一部分声 能转 变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠 密和稀疏部分之间进行热交换 ，从而导致声能 的 损耗 ，以及由于分子弛豫造成 的吸收，这些就是 介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。 3 2 衰减规律和衰减系数 对于平面余弦波来说，声压衰减规律可用下 式表示 ： P = e 式 中：P 入射到材料界面上时的声压； P 超声波在材料 中传播一段距离 s 后的 声压； 衰减系数。 对于大多数固体和金属介质来说，通常所说 的超声波的衰减 ，即由 0 l( 衰减系数 )表征的衰 减仅包括散射衰减 O l 和吸收衰减 O l 。 ，它们与被检 材料的材质有关，故称为材质衰减。而不包括仅 与波阵面形状有关的扩散衰减。 如果考虑衰减 的扩散部分，则在距声源 ( 晶 片)中心轴线上某一距离处 ( S 3 N) ，可将衰减 公式写成 ： 2 0 1 0年第 2 6卷第 3期 谢 张克文 长输 管道超声波在线检测技术探讨 女 P = Po - 2 s 式中： 衰减系数 ， = + 。 ； A 声源( 晶片 )面积 ； A 波长； s 距声源距离。 吸收衰减系数 。 可表示为： 。=c L 厂 式中：c 与晶粒大小和各向异性无关的常数 ； 产 _ 超声波频率。 散射衰减系数 根据 晶粒大小 ( d )与波长 ( A)之比分为三种情况 ： d A ： = 0 4 d 式中：c 1 、c 2 、c 3 常数 ； 卜各向异性 因子 ； d 晶粒直径 。 上述表明，材质衰减与超声频率有关，频率 I厂 T， 则 T，反之亦然。 衰减系数的实用测量方法 ( 针对厚工件 ) ： 2 01 g B1 B26 6 式中： B 、B 第 1 、2 次底波高度； 6 扩散衰减引起的分贝差； 6 反射损失 ； 测试材料厚度。 如果是使用超声波检测长输管道，则沿管道轴 向方向发射一定频率和强度的纵向波，上述实测理 论公式在理论上的衰减系数 将是一个无限小值。 但在实际应用中因为还有反射和介质吸收等许多其 它因素作用和影响，衰减系数会较理论值大得多， 现实中的衰减系数必须在实际环境 中通过试验测 得。为了保证超声波信号检测的需要 ，一般会在满 足接收端信号强度的前提下，尽量降低发射端超声 波的频率，以得到最小的衰减系数。 4 管道在线超声波检测的理论可行性 4 1 方案一 管道运行在正常状态下 ，管道 中的流体扰动 情况比较稳定 ，发射端发射 的具有特殊脉 冲信号 的超声波以流体为媒质经长距离传送，到达接收 端后将产生一个较弱但相对恒定的电压信号 ( 电 压值可以在实验 中或管道运行平稳时测定 ) 。当 管道因腐蚀、应力 、老化 、人为破坏、自然灾害 等因素导致损坏并泄漏时 ，管道 内流体的扰动状 态将发生较大的变化，接收端的电信号也会相应 地发生明显的变化。通过采集若干个点的电信号 变化量 ，描绘出事故点处与电压变化的关 系曲线 ( 关系曲线可以通过现场实验模拟做 出来) 。用计 算机求解对应 曲线 的方程 ，进而根据拟合曲线或 方程确定泄漏点的位置。以下是用水做媒质进行 的模拟实验。 如图1 所示，A为发射换能器，超声波发生 器为发射换能器提供所需的一定频率的电压信 号 ，数字频率仪用 于测量输入 电压 的频率 ，B是 接收换能器 ，连接在接收换 能器上的示波器和毫 伏表 ，用于监测接 收换 能器上的 电压信号变化 ， A、B之问是实验用管道 ，管道上开有一些可控 制的小孔 ，用 于模 拟管道泄漏状 态，C、D分别 是管道的入 口和出口。水温为 1 5 7 ，谐振频率 为 3 3 7 K H z 。实验测量数据见表 1 。 表 1 管道连线超声波检测数据 距离 c m 无泄漏时电压 V 有泄漏时电压 V 电压差值 V 1 O 1 1 2 1 7 2 O 6 O 2 0 1 1 0 1 7 0 0 6 0 3 0 1 1 2 1 5 9 0 4 7 4 0 1 1 2 1 4 6 0 3 4 5 0 1 1 5 1 5 6 0 41 6 0 1 1 8 1 4 8 O 3 O 7 0 1 1 2 1 5 0 0 3 O 8 0 1 2 2 1 4 4 O 2 2 9 0 1 2 5 1 4 0 0 1 5 1 o o 1 2 8 1 4 9 O 2 1 1 1 0 1 2 9 1 5 0 0 2 1 l 2 O 1 2 8 1 4 8 O 2 O 1 3 0 1 2 8 1 4 7 0 1 9 按照实验数据作出泄漏位置 x与 电压变化量 V的关系曲线 ( 图 2 ) ，其中曲线 1 是实验数据 作出的关系曲线 ，曲线 2是根据实验数据用计算 机拟合的曲线，对应的近似方程为： X= 0 6 2 V 由实验数据可知，无泄漏时的电压 即每次检 漏的起始电压平均波动为 ： 1 1 3 = 吉( 一 V 0i ) = 0 0 6 蠢 石油化工安全环保技术 l静 2 0 1 0年第 2 6卷第3期 A 围 。：；一 、 一 圆圈 口 薯 誉 薯 薯 譬 口 占 占 占 占 占 h J 0j 一 0 L ,J 图1 管道在线超声波检测模拟实验 相对输入电压 ，波动属于正常电压波动。当 泄漏发生时电压平均波动为 ： = 去 茎 = 0 3 3 芝 X 图 2 泄漏位置 与电压变化关 系曲线 只要电压有微弱的变化 ，就表示管道可能出 现异常情况 ( 泄漏发生) 。当媒质的温度、密度 等发生改变时 ，电压会跟着发生变化，原油管道 输送过程中压力和温度的波动 、油品的改变和正 常的生产调节都会影响检测的准确性。因此 ，用 流体做传播介质有一定的局限性 。 4 2 方案二 针对原油管道而言，原油随压力和温度 的变 化，其物性会产生一定的变化 ，以原油作为媒质进 行超声波在线检测 ，在分析和判断的准确性方面会 受到原油物性变化的影 响，必须考虑到这方面因 素。因此，另选一个方案 ，改为输油管道作为媒 质，进行超声波的长距离传送。超声波以平面纵波 方式从发射端发 出，当管道某处出现局部缺陷时， 其声阻抗会增大，声强会出现明显下降，假定在波 速不变的情况下，接收端接收到的声强降低，转化 成的电信号也下降，对比上一脉冲周期的电信号数 据就可以初步