MsS超声导波技术的管道缺陷检测精度实验研究

第 1 1 期 4 7 M s S 超声导波技术的管道缺陷检测精度实验研究 梅阳，刘献游，王平杰，李志祥，杨茂森 ( gt 川省特种设备检验研究院 ， 四川 成都 61 0 0 6 1 ) 摘要本文采用M s S 3 0 3 0 R 超声导波检测系统，通过对实验管道预制人工缺陷的方法，模拟实际环境下管道情况，使用不 同的频率对检测精度进行 了实验并分析 了不同缺陷类型、大小以及检测频率对缺陷检测精度以及定位精度的影响。实验结 果表明：该检测系统的缺陷检测精度、定位精度都高，缺陷的辨识度好，能够满足实际检测需要。 关键词M s S 超声导波；管道；实验；检测精度 管 道 系统 广 泛应 用 于石 油 、化 工 以及 天 然 气等工业部门，对在役管道系统的检测问题一直 是行业的一个难题 。传统常规检测技术 为逐 点扫 描、抽查检测 1 】 ，在对大 范围或长距离管线进 行 检测时 ，速度很慢 ，且需检测多个代表 性的特征 点 。在对石化管 网进行检测时， 由于管网的复杂 性 ，采用传 统 的检测手段耗时耗力、很 不经济 ， 大大增加 了检测成本 。近年来 ，Ms S 超声导波检测 技术得 到了发展，在 固体 中传播 的超声 导波 ，由 于本 身的特 性，沿传播路径衰减很小 ，可 以克服 逐 点扫描法 的缺 点对管道进行长距离 、大范 围的 缺 陷检测 2 - 3 。使用Ms S 超声导波检测技术对 管道 缺陷检测是一项较为经济的检测方法 。Ms S 3 0 3 0 R 超 声导波检测系统 ，采用 扭力波模 式。该系统由 美 国西南研究 院开发 ，主要 由Ms S 磁致伸缩传感 器、铁钴 带、主机 以及信 号处理系统等组成 。为 深入 了解 该系统对 管道缺 陷进行检测 的精度 ，选 用频率对检测精度 的影 响程度等 问题 ，我们通过 对实验管道 预制人工缺 陷的方法，模拟 实际环境 下 的管道状况 ，采用Ms S 3 0 3 0 R 超 声导波检测系 统，使用不同的频率对其检测精度进行 了实验。 1实验方法 实验选用基于磁致伸缩效应开发的Ms S 3 0 3 0 R 超声导波检测系统。试验用管道规格如表1 所示， 外径 1 5 9 mm，壁厚5 mn l ，管长6 1 8 0 mr n ，直管、 无弯头 。为模拟在用化工管道 的实际情况 ，该段 管道 已放置 在室外环境 下一年 ，管体 已有不 同程 度 的自然腐蚀 。 由于超声导波所检测 出的缺 陷信号不是指沿 壁 厚方 向的腐蚀深度 ，而 是裂纹或腐蚀所 占管道 横截 面积损失量 的百分 比。因此为 了讨论不同缺 陷类 型及大小等对导波检测精确性 以及 定位精确 性 的影 响，本实验通过设置人工缺陷的方法来模 拟实 际使用过程 中由于腐蚀等因素造成 的管道壁 厚减薄即横截面损失 。 表1试验用管道参数 l l 外径0 ( m)l 长度t (|-T1)l 壁厚d ( rrI T1)l I 参数 l 1 5 9 l 6 1 8 0 l 5 I 管道预制缺陷示意图如 图1 所示。对探 头安装 位置进行打磨 并露出金属光泽后安装检测探头， 其位置距管道左侧端部约7 7 0 mm。管道表面预先 制作一个钻孔 、一个横 向切槽 、一个纵 向切槽 以 及堆焊6 条间距不等的焊缝，以模拟管道截面的变 化。钻孔距离探头位置2 3 6 0 mm，纵 向切槽距离 2 7 1 0 mm，横向切槽距离3 1 3 5 mn l 。 切槽 钻孔纵向横 向 焊琏 图1 缺陷位置示意图 2实验情况及分析 2 1 不同缺陷对导波检测灵敏度 的影响 将缺陷制作 完成后，即进 行该管道 导波检测 作者简介：梅阳 ( 1 9 6 0 一)，男，四川成都人，大学本科，高级 工程师。锅炉压力容器检验师，高级无损检测人员 ( R T 川、U T 、 T oF D l 1 )。1 9 8 2 年 7 月上海 交通大学毕业后一直从事承压 类特种 设备检验检测工作，现为四川省特种设备检验研究院业务发展部部 长。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 铭一 故障诊断 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 5 年 第1 8 卷 试验，系统采用扭力波模式，检测频率6 4 k H z 。通过 一 些参考信号计算导波的速率和衰减，校准信号振 幅，设置相位检查参考值和阀值，之后通过计算机 处理得到图2 所示的管道导波反射信号示意图。 缺 陷的尺寸 以及反射信号强度如表2 所示，由 于表面堆焊焊缝 占管道横截面面积 的百分 比不能 精确确定 ，因此 此处不对其进行缺 陷检测灵敏度 分析。 图2 M s S 导波管道试验反射信号 ( 6 4 k H z ) 表2 缺陷尺寸及反射信号强度 缺陷长度或直径D m m 深度L i n m 损失面积占管道截面积百分L L P 反射信号强度R 钻 L ,D 1 1 0 2 O 2 O 2 5 I lfi D 2 3 0 2 0 4 0 4 6 l 纵向D 3 l 2 O 1 基本无信号 图2 中，W1 W6 为6 条表面堆焊焊缝 ，D1 对应 于上述钻孔缺陷 ，其反射 强度为0 2 5 ，D2 对应 于横 向切槽缺陷，反射强度为0 4 6 ，D3 为纵 向 切槽 ，由于管道横截面 占比较小 ，反射信 号强度 较低 ，与周 围信 号融合而不能单独识别 ，对于导 波检测技术 已无太大意义 。从 图中可 以看 出，由 于D1 、D2 缺陷所 占面积相对于管道截面积较小， 实验所得反射信号较小 ，特别是对于D1 ，基本与 周 围的管道 自然腐蚀缺陷信号融合在 了一起。实 验结果表 明，缺陷的反射 强度与实际情况相符 ， 其检测灵敏度较好 。此外，从这两个信号可 以看 出，在该环境下该系统对缺陷的辨识度较高。 为 了体现D1 、D2 两个 缺陷与周 围环境 的区 别 ，本试验将这两个缺 陷适 当地扩大 。扩大后 的 缺陷尺寸参数如表3 所示。 表3 缺陷扩大后尺寸参数 缺陷长度或直径D m m 深度L m m 损失面积占管道截面积百分比P 反射信号强度R 钻 孔 1 2 5 0 7 O 7 3 横向切槽 6 0 3 1 1 1 0 6 图3 为缺陷扩大后采集的导波反射信号，缺陷 D1 、D 2 处的信号强度分别为0 7 3 和 1 0 6 。缺陷 扩大 后强度 明显增大 ，与周 围信号分开，所得结 果与实际情况符合 。W1 W6 由于截面积没有发生 变化，因此导波反射信号基本没有变化 。 图3缺 陷扩大后 的导波及射信号 ( 6 4 k H z ) 通过 对本 实验 预 制 的缺 陷前 后两 次实 验所 得 的导波反 射信 号 强度进 行分析 ，结果表 明， Ms S 3 0 3 0 R 超声导波检测系统在本文的实验环境下 其缺陷检测灵敏度较高 ，检测结果与实 际情况基 本相符 。多次 实验结果显示，在实验用管道环境 下 ，导波 的检测灵敏度最高可达No 7 ，而对在 役工业管道进行检测时 ，管道 处于多种不 同的环 境 中，因此容 易产生腐蚀 等现象。随着管道腐蚀 程度的增加 ，信号 的衰减 增大，系统的信噪 比降 低，可靠检测灵敏度为2 5 。 2 _ 2 检测频率对导波检测精度的影响 为了解Ms S 3 0 3 0 R 超声导波检测系统检测频率 对检测精度 的影响，我们选择6 4 k Hz 以及1 2 8 k H z 两种检测频率进行对 比分析，并对预制缺陷的管 道分别进行实验 。其中，检测频率为6 4 k Hz 的试 验结果如图3 ，检测频率为1 2 8 k Hz 的结果如图4 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 1 期 梅阳等 Ms S 超声导波技术的管道缺陷检测精度实验研究 4 9 图4 不同检测频率下的导波反射信号 ( 1 2 8 k H z ) 根据上述 图像可 以得知，6 4 k Hz 的管道检测 图形 有 明显 的波 形起 伏现 象 ，这表 示 有缺 陷存 在 ，起伏较 大的为大 的壁 厚损失 。从 1 2 8 k Hz 的 图像可 以看 出，除去 由于较大 的缺 陷造成 的反射 信号较大外，还有 很多的杂波 ，这表 明该频率下 导波 对缺陷的检测 灵敏度增大 ，对一些小 的截面 积减 少其反射信号 也很大 ，造成缺 陷波和杂波集 中在 一起 ，对缺 陷波有一定 的影响 ，导致缺陷 的 辨识度 下降。这主要是 由于不 同频率 的导波其频 散 曲线不 同，导致所得 的反射信号差别很大。通 过对两种频率下得到 的缺陷反射信号大小分 析发 现 ，在 1 2 8 k Hz 下缺陷的检测精度与实际缺陷更加 吻合 ，即检测精度更高 。综合检测精度 以及缺 陷 可辨识度等实际条件 ，在对表 面腐蚀不很严重 的 管道进行检测 时，一般都选择6 4 k Hz 的频率 ，此 时综合效果更好。 表4不同检测频率下的各缺陷位置 D 1 9 2 W 1 W 2 W 3 W 4 W 5 W 6 实际位 置l n fI l 2 3 6 0 3 1 3 5 3 7 1 O 3 9 7 8 4 2 8 1 4 5 1 0 4 7 8 5 5 1 O O 6 4 k H z 检 测位 置m i ll 2 3 7 8 3 1 4 2 3 7 2 7 3 9 9 7 4 3 0 2 4 5 4 6 4 7 7 7 5 0 8 9 误差m m 1 8 7 1 7 1 9 2 1 3 6 8 1 l 检 测位 置m il l 2 3 5 0 3 1 3 3 3 7 2 2 3 9 7 2 4 2 9 4 4 5 0 5 4 7 8 1 5 0 9 0 1 2 8 k H z 误差 n l m l O 2 1 2 6 1 3 5 4 1 O 2 3 检测频率对导波定位精度的影响 对不 同频率 下的缺 陷定位精度分析结果如表 4 所示 。通过对实验数据分析，提取不同频率下检 测 的位置 与实际位置 的均方根误差 ，所得结果如 图5 所示。 图5不同检测频率下的定位精度 从 图5 可 以看 出 ，两 种频率 下的缺 陷定位精 度 都较高 ，能够 满足实际检测 条件 下的定位精度 要 求 。但 1 2 8 k Hz 的定位精度约9 mm，相 比于6 4 k H z 时要好，定位精度更高 ，即频率越大，定位精 度 越高 。然而，频率增大将使检测距离减小 ，因 此 在实际的检验 过程 中要综合考虑精度与检测距 离 ，选择合适 的检测频率。 3结语 ( 1 ) Ms S 3 0 3 0 R超声 导波检测 系统缺陷检 测精 度较高，缺陷的辨识度较好 ，基本与试验前所测的 结果相符，在该试验条件下，导波 的检测灵敏度最 高可达到0 7 ，而实 际环境的可靠检测灵敏度为 2 5 ，能够满足实际管道检测精确性的要求。 ( 2 ) 在1 2 8 k Hz 频率下缺 陷的检测精度与实际缺 陷更加吻合 ，即检测精度更高。 ( 3 ) 6 4 k H z 频率和1 2 8 k Hz 频率下的缺 陷定位精 度都较 高，都能够满足实 际检测条件下的定位精 度要求。1 2 8 k Hz 时的定位精度约9 mm，相较于6 4 k Hz 时要好，定位精度更高。 参考文献 1 张胜军，暴永铭，张贵华 Ms S 超声导波技术在高温管道 在线检测中的应用 J 无损检测 ，2 0 1 2 ，3 4 ( 8 ) ： 7 3 7 5 2 K w u n H， B a r t e l s K A Ma g n e t o s lr i c t i v e s e n s o r t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a ti o n s J U l t r a s o n i c ， 1 9 9 8 ， 3 6 ( 2 ) ： 1 7 1 1 7 8 【 3 J o s e p h L R， Y o u n h o C ， Mi c h a e l J A Ne x t g e n e r a ti o n g u i d e d wa v e h e a l t h mo n i t o r i n g f o r l o n g r a n g e i n s p e c t i o n o f p i p e s J J o t u T l a i o f L o s s P r e v ent i o n i n t h e P r o c e s s I n d u s t r i e s ， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 6 ) ： 1 0 1 0 1 0 1 5 4 】 周 正干 超 声导波 检测 技术 的研 究进展 J 无损 检测 ， 2 0 0 6 ，2 8 ( 2 ) ：5 7 6 3 5 】 P an E ， R o g e r s J ， D a t t a S e t a 1