压力管道超声导波检测技术

第 1 9卷第 4期 中 国锅 炉 压 力 容器 安 全 5 7 管道超声导波检测技术 鹏 周 国庆 徐 卫 陈雁 康 力容 器 安全 检 测 中心 所 江 苏 2 1 0 0 0 2 ) 李 衍 华 光锅 炉厂 江 苏 2 1 4 0 2 8 ) 1压 力 管道 检 测 的特 殊 性 压 力管道 检测 与一 般锅 炉 压力容 器 检测 不 同 ， 具 有特殊性 。其检测难 点在于 ： 1 1管 道检 测 作业距 离 长 ，位 置 变化 大 。检 测 一 条 管道 可能要辗转 数 k m乃 至更 远 ，位置 可能从 室 内到室 外 ，从 厂 内到 厂外 ，从 地 面到 高 空 ，从 地上 到地下 ，给检测带来很 大难度 ； 2 )管 道 沿线 障 碍物 多 ，屏 蔽 多 ，很 多地 方 无 法接 触 和接 近 。例 如架 在 高空 的管 道 ，被 保 温 材 料包 覆 的 管道 ，深 埋于 地 下 的管 道 ， 以及 穿 越 道 路 ，堤 坝 的管 道 等 等 ，障 碍 和屏 蔽 使 管 道检 测 成 本高 、甚 至无法 实施检测 ； 3 1宏观 目视检查 受到 限制 。对在 用设 备来 说 ， 宏 观 目视 检 查 是 十分 重要 的 。锅 炉压 力 容 器外 部 和 内部 的宏 观 目视检 查 比较 容 易 进行 ，而 压 力 管 道 的宏 观 目视 检 查 则较 困难 。绝 大 部 分压 力 管 道 是无 法 进入 其 内部 的 ，而 外部 又往 往 被遮 蔽 ，这 就难 以掌握 管道全 面情 况 ，获得 更多 的信 息。 由于 上述 特 殊 性 和难 点 。传 统 检 测方 法 用 于 压 力管 道 检测 显 得 不 能尽 如 人 意 。受 成 本 和效 率 制 约 ，用 射 线 ，超 声 波 ，磁 粉 ，渗 透等 方 法 检测 在 用 压 力管 道 只 能采 用 抽查 的方 法 ，即选 择 管 道 长度的 5 一1 0 进行 检测 ，这就有可 能造成缺 陷漏 检 。尤 其对 于 管 系结 构 较 复杂 的 ，使 用 年 限较 长 的 ，介 质腐 蚀 性 强 的 ，危 害性 大 的管 道 ，抽 查 所 获 取 的信 息 是 远 远 不 够 的 。 因 受 现 场 条 件 限 制 ， 传 统无 损 检 测方 法 束 手无 策 ，在 用 压 力 管道 检 测 工作无 法进行 的情况也经 常发生 。 压 力管 道 需 要 适 合其 特 点 的检 测 方 法 ，而 超 声导波正是 这样一种新 的无损检测 方法 和技 术。 2导 波 的基 本 原 理 与研 究进 展 当传输 超 声 波 介质 的断 面 尺 寸小 于 波 长 数倍 时 。纵波 和横 波不能独立存在 ，此 时会产 生一种与 介 质断 面尺 寸有关 的特殊 波动 ，称 为导波( G u i d e d Wa v e ) 。在 板 中传输 的导 波又 称板 波 ，板 波 中最 主 要 的波 型是兰姆波 。 导波具 有频散 性 质 ，其传播 速 度 因频率 而异 ， 该速度 称为相速度 。而声脉 冲是 1组不 同频 率正弦 波 的集合 ，因此确 定其相速度 是 困难 的 ，一 般采用 群 速度来描述脉 冲传播速 度。群速度是 质点合成振 动最大振 幅的传 播速度 ，可通过试验测 定 。 管 道 中传 输 的导 波 有 3种 类 型 ，其 中 2种 是 关于管 道轴对称 的 ( 见 图 1 ) ，即纵 波 ( L o n g i t u d i n a 1 ) 和扭 曲波 ( T o r s i o n a 1 ) ，还有一 种是 非轴 对称 的挠 曲 波 f No n a x i s y mme t r i e fl e x i n g w a v e ) 。其 中前 2种是 发射 脉冲 的主要 波型 。后 一种则是识别 缺陷的重要 特征反射信 号 。 ( a )纵波 ( L ) ( b )扭曲波 ( 图 1 用于 管道 导波 检测 的 2种 波型 图 2为钢 管 中的纵 波 ( L ) ，扭 曲波 ( ，以及 散射挠 曲波 ( 的 曲线 。在 1 0 0 k H z频 率下有 大约 5 0个 散 射波 型 ，在 管道 超 声导 波 检测 中 ，实 际上 只有 其 中-的一 到两 个可 以利 用。 维普资讯 5 8 中 国锅 炉 压 力容 器 安 全 第 1 9卷第 4期 图 2 钢 管 中导波 各种 波 型 的速度 曲线 在 2 0世 纪 6 0年代 ，导 波 曾被 尝 试 用 于 检测 金 属 薄板 ，但 由于 种种 原 因 ，该 项 技 术 未得 到 广 泛 应用 。 自 2 0世 纪 9 0年代 起 ，导 波 的研 究 与应 用 取得 重 大 突破 。其 中 应用方 面 最 重 要 的进 展 是 对 管道的检测 。 导 波技 术 能 在 管道 检 测 中得 以应 用 ，首先 是 由于通 过理 论 研究 和试 验 ，对 导 波 的性 质 有 了更 深入 透彻 的理 解 。这 其 中包 括 不 同波 型 的性质 和 产生方 法 ，传输 特性 、散射 特性 和波 型转换 规 律 ， 无 用波 型 的抑 制 等 等 。其 次是 计 算 机技 术 的应用 使 得 复杂 的信 号 处 理成 为 可能 。计 算 机 的应用 还 极大地 提高 了操作 自动化程度 和检测速度 。 用 于 管 道 检 测 的 导 波 技 术 的 主 要 特 点 是 ： 1 )应 用 较低 频率 的超声 波 ，应 用频 率 的范 围 大致 在 2 0 k H z至 1 0 0 k H z 。而常 规 超声 波 检测应 用 的频 率范 围通 常在 1 MHz至 5 MHz 。通 常超 声 波检 测缺 陷的灵 敏 度会 随频 率 的降 低 而 降低 ，但对 于 导波来说 ，频 率 的降低 对灵 敏度 的影 响并不 显著 。 较低 频 率使 得 导 波在 管 道 中能 传 播 较 长距 离 。它 的另一 个 优点 是 改 善 了耦 合性 能 ，管 道导 波 检测 时 不需 要 使用 耦 合 剂 ，也 不需 对 放 置 探 头 的管道 表面作特 殊处理 。 2 1采 用特 殊形 式 的探头 。 目前较 为 成 功 的是 一 种 环 形 梳状 探 头 。其结 构 是 将许 多个 换 能 器平 行均布在 1个 圆环 上( 见 图 3 ) 。这种探头有 许多优 点 ，包 括 有 较 大 的 穿 透 力 和 较 高 的检 测 灵 敏 度 ， 使用 时不 需要 作 移 动扫 查 ，采 用 不 同 的组 合 可 以 对 波 型进 行选 择 和控 制 ，且能 为 计 算机 提 供 对 回 波识 别分析 的数据 。 3 )采 用 计算 机控 制 和信 号处 理 。计 算 机通 过 几种 模 式 对 回波进 行 分 析识 别 ，向操 作 员 提供 出 特征 波形和参数 。 钢管 图 3环形 梳状 探头 示意 图 3管道 超 声 导 波 检测 的优 点 和 技术 特 性 使用 超 声 导 波 检测 管 道 时 ，只要 在管 道 上 某 一 段 部 位 ( 约 0 5 m长)安 装 探 头卡 环 ，便 可 对 卡 环 两侧 各 数 1 0 m 长度 的管 道 进 行 1 0 0 的快 速 检 测 。检 测 的主要 内容是管 道环 状截 面 的变化情 况 。 包括截面 积的减少和增 大 ，因此可检 测 出管道 内壁 或外壁 的腐 蚀和各种损 伤 ，还可 以探 测 出被遮蔽管 道 的焊缝 和弯头 的位 置 。 超 声 导 波用 于在 用 压力 管 道 检 测具 有 以下优 越 性 ： 1 )可 以检测 空 中和 水下 管道 而 无需 在 空 中或 水下作业 。 2 )可 以检 测 被保 温或 绝 热 材 料 包 覆 的 管 道 ， 除安放探 头的位置外 ，无需 破坏包覆层 。 3 )可 以检测 难 以接近 区段 的管 道 ，例 如有 管 夹 ，支 座 ，套环 的管段 ，被墙壁 ，容器壁 ，其它 管 子 或结构 件阻碍 的管段 ，桥梁下 的管道 以及 穿越 道 路 ，堤 坝 的管道 ，而无需破坏造成 障碍 的结构 。 4 】开挖少量 部位便可检测 埋在地下 的管道 。 5 )可在运 行状态下进行 在线检测 。 导 波 一次 探 测 的 可检 测 长度 可 达 卡 环两 侧 各 8 0 m。 当管 内有介 质及管外 与粘性 物质 或液体 接触 时 ，一次 可检测长度减少 ，减少程度 与管道腐蚀程 度和接触 物质特性有关 。对重度腐蚀或 被覆沥青 的 管道 ，其 一次可检测 长度可能减少 到仅 5 m。焊缝 ， 弯头 ，三通等使 管道截面发 生变 化 的结构 也会导致 一 次 可 检 测 长 度 减 少 。 导 波 的检 测 灵 敏度 用 管道 环 状 截 面 上 的金 属 6 一 。 d d 20 维普资讯 第 1 9卷第 4期 中 国锅 炉 压 力 容器 安 全 5 9 缺损 面 积 的百 分 比评 价 目前 的检 测 水 平 可 达到 3 。即 当缺损 面积 达到 总截 面积 的 3 便 可检 出 。 导 波 容易 检 出 的缺 陷包 括 局部 腐 蚀 ，冲蚀 。机 械 损 伤 。成 群 的点 蚀 以及 环 向 裂纹 。对 均 匀 腐 蚀 ， 个 别点蚀 ，轴 向裂纹 ，焊缝 中的小缺 陷 则不敏 感 。 但 如 果 轴 向裂纹 和 焊 缝 中 的缺 陷足 够 大 ，也 是 可 以 检 出 的 。 4管 道 超 声 导 波检 测 的设 备 组成 与操 作 整套 检 测设 备 由探 头卡 环 。信 号 发射 和 接 收 装置 和计算机 3部分 组成 。十分轻便 ，1个 人便 可 携带 。 根 据所 用 的 波 型选 择 不 同 种类 的卡 环 产 生 扭 曲波 的卡 环 由 2排 探 头组 成 。而产 生 纵 波 的卡 环 由 3排或 4排探 头组 成 。 卡 环有多 种规格 ，适 用 于不 同管径 。8英寸 以 下 管 道 一 般 采 用 刚 性 环 。对 大 于 8英 寸 的管 道 ， 为 减轻 重 量 。使 用 了可膨 胀 的柔 性 环 ，通 入 压 缩 空 气 ( 手动 气泵 即可)使 卡环 膨胀 ，以保证 探 头与 管 子表面接触 良好 。 检 测操 作 十 分 简便 。管 道 表 面 稍作 清 理 ，除 去 浮锈 。不需 液 体耦 合 剂 ，将 卡环 卡 在 管 子 上便 可开 始 检 测 。从 卡环 安 置 到 获得 检测 数 据 的时 间 通常不 超过 2 0 mi n 。 5管 道超 声 导 波 检 测 的局 限性 管道超声 导波检测存 在着 以下 局限性 ： 1 1导 波检 测是 一 种快 速 大范 围 的初步 检测 方 法 。通 过检测 可 以对管 道系统 的安全性 作 出评价 ， 判定 正常部 位和 可疑部 位 。但它 不能 对缺 陷定性 ， 对缺 陷定量 是近似 的 。对缺陷定位 是粗略 的。对 可 疑部位仍需要采用其它检测方法才能作 出最终评 价。 2 1导 波 检测 对造 成 管道 环 状截 面上 的金属 缺 损 面 积 大 的缺 陷较 敏 感 。而 对环 向金 属缺 损 面积 小 的缺 陷 。例 如单 个 点 状 缺 陷 和 轴 向条 状 缺 陷 ， 以及轴 向裂纹则较难检 出 。 3 1管 道环 状截 面 发生 变 化 的结 构 会影 响检 测 精 度 和一 次 检测 长 度 。焊 缝余 高 ，弯 头形 状 会 影 响 所 在部 位 缺 陷 的检 出 三 通部 位 的缺 陷更 难 以 检 出 。结 构 对一 次 检 测长 度 所 受 的影 响是 ：一 次 检测长度 所能 达到 的距 离不超 过 6道焊 缝 。2个弯 头或三通 。导波传输 无法越过法 兰 。 4 )对复杂 管道 系统 的检测 结果 的解 释有难 度 ， 需 要训 练有素 ，经验丰富 的人员来承担 。 6压 力 管道 超 声 导 波检 测 技 术 的 应 用展 望 目前 国内压力管道检 测 的现状是 ： 1 )压力 管 道数 量 巨大 。据 不 完全 统计 ，国 内 工 业企 业 的各 种生 产装 置 中 的工业 管道 长 达数 l 0 万 k m。用于石 油 天然气 输送 的 大 口径 长输管 道达 数 万 k m，城市 各 种燃气 管道 系统 也 十分庞 大 。并 且 随着 工业 的发 展 。 “ 西气 东输”工程项 目的展 开 以及城市现 代化进程 的加快 。压力管道每 年新增 的 数 量 以几 何 级 数 增 长 。 2 1在用 压 力管 道 隐患较 多 。我 国对压 力管 道 的安全监察 管 理起 步较 晚 ，直至 1 9 9 6年 压力管 道安全管 理与监察规定 颁布后有 关工作才步入正 轨 ，可 以说 1 9 9 5年 以前 压 力 管 道 的设 计 ，制 造 ， 安 装和使用管理 等各个环节 大多处 于失控状 态 。留 下 大量