大庆地区管道腐蚀的超声波内检测的研究

张欣艳，左春英，赵达

（黑龙江八一农垦大学文理学院，大庆 163319）

管道运输是输送石油、天然气和水最经济、最安全有效的方式之一，[1]管道因腐蚀破坏而造成的穿孔泄漏事故时有发生，随之引起的的腐蚀污染不仅会带来巨大的经济损失，还会严重地污染环境并破坏生态。因此，必须对管道定期进行内检测。管道内腐蚀检测技术主要是针对管壁的变化情况进行测量和分析，得出被腐蚀管道的相关数据。目前，国内外检测技术中取得了良好效果的主要包括：漏磁检测技术、超声波检测技术、涡流检测技术、射线检测技术、基于光学原理的无损检测技术。超声波检测技术具有造价低、可随时随地进行等优点，越来越多地得到重视。

1 大庆地区水域特点

大庆地区属于典型的盐碱地质，同时具有丰富的石油资源。典型的注水式的石油开采方式使得输水管道遍布整个辖区。根据王卫东对选定大庆地区10个纳污水体的水体环境水生生物调查结果显示，区域内的水体均受到油污污染，污染程度有差异[2]。张锦民等对大庆地区水中元素的探测表明，水中含有铁和铝的成分[3]。地区输水管道腐蚀情况进行探测及分析，必将对当地管道安全监测工作带来巨大的便利。

2 超声波检测理论依据

能将其它形式的能量转换成超声振动能量的方式都可以用来发生超声波。例如压电效应、磁致伸缩效应、电磁声效应和机械效应等。目前普遍使用的是利用压电效应来产生和接收超声波。图1为脉冲反射式探腐蚀原理图。由脉冲发生器发出的电脉冲直接加到探头上，转换成声脉冲进入试样。这个电脉冲同时又输入到示波器，在荧光屏上出现一个发射脉冲。当超声波与试样背面或缺陷相遇时，会产生反射，声波返回探头又产生一个交变电信号输入到示波器形成荧光屏上的第二个脉冲。这个过程每秒钟要重复几百次，在荧光屏上看到的是一系列连续波形图。根据试样厚度、声速等对示波器扫描速度适当调节后，就能用荧光屏上的测距标度立即读出发射脉冲至回波脉冲的距离，也就是反射面至探头的距离。已知探头在介质中的声速，通过测量声波传播的时间，则可测量出腐蚀厚度。其中，L、L0分别为钢管腐蚀厚度、原厚度，C是介质中声速。

图1 脉冲反射式探伤仪原理图Fig.1 Schematic diagram of detector of pulse reflection

3 实验

3.1 实验装置及材料

超声波试验仪（JDUT-2型超声波实验仪）、示波器、游标卡尺、耦合剂、待测腐蚀钢管样品等。

3.2 测试零点选择

实验中，调节发射频率及扫描TIME/DIV，使始波脉冲处于最佳状态，如图2。

3.3 直探头脉冲反射法探测腐蚀

绝对探测法是通过直接测量反射回波时间，根据声速计算出缺陷的深度，如图3。利用试块底面的二次回波测量直探头的延迟时间；计算出腐蚀的深度。

图2 射频、检波脉冲波型Fig.2 Pulse waveform of radio frequency and detection

图3 直探头探测腐蚀深度示意图Fig.3 Graph of corrosion depth detected by normal probe

4 实验结果

4.1 耦合剂选择实验

运用超声波测腐蚀时，接触面为平面时测量效果最佳，当对管道进行测量要求管道曲率不能过小，即在其它条件不变的情况下，管道曲率越大效果越佳，而在曲率不变的条件下，恰当的耦合剂则对测量起到至关重要的作用，图 4（a）（b）（c）是分别以水、机油、甘油为耦合剂时测定的效果图。明显看出，以甘油为耦合剂时脉冲反射回波的相对强度是最大的。

4.2 超声波对输水管道内腐蚀检测结果

考虑到不同区域的水域成分的不同必然对管道腐蚀有不同的效果，选取大庆市萨尔图、龙凤、让胡路及红岗四个区域的管道进行测试，图5为萨尔图区管道测试的脉冲回波曲线。

管道壁厚4.50 mm，管道内声波传播速度59 ms-1。根据公式C=导出钢管腐蚀厚度，结果表明，大庆市地区输水管道腐蚀程度随地域不同而不同，腐蚀程度由小到大排列依次为让胡路、龙凤、萨尔图、红岗，服役五年腐蚀厚度依次为0.35、0.37、0.43、0.44 mm。腐蚀程度随管道服役时间呈现非线性递增趋势。

图4 超声波对测腐蚀对不同耦合剂的反应Fig.4 Diagram of ultrasonic response of corrosion measurement of different coupling agents

图5 萨尔图区管道腐蚀超声波检测脉冲回波Fig.5 Pipeline corrosion diagram of pulse echo in Saertu district using ultrasonic detection

表1 大庆市各地区管道服役五年腐蚀径向脉冲回波时间表Table 1 Time schedule of corrosion radial pulse-echo of pipeline in service for five years from various regions of Daqing City

表2 萨尔图区管道腐蚀随服役年限变化的径向回波脉冲时间表Table 2 Time schedule of radial pulse-echo of the changes of pipeline corrosion with the years of service from Saertu district

钢管腐蚀主要是因为不均匀的钢管表面与水接触会构成许多微小的电池，在电池的阴极区域发生氧的还原反应；在阳极区域，发生氧化反应电子在钢管本体内部不断从阳极转移至阴极区域，形成不断的反应过程。由于水中电解质的存在以及水的流动作用使得反应产物不断迁移出反应区，形成去极化作用，生成F（eOH）2，氧气充足则氧化生成黄色FeOOH、Fe2O3·H2O等；氧气不足则生成水合四氧化三铁或黑色的Fe3O4。

水管中长期沉积下来的杂质、泥沙、污油堆积处，容易形成充气不均匀型“闭塞腐蚀电池”[5]。沉淀物堆积处的下方较为闭塞，氧气长期供应不足，成为闭塞腐蚀电池的阳极区域；沉淀物外部供氧充分而成为成为阴极区域。一旦的浓差组成的腐蚀电池形成，就会导致闭塞区内氯离子浓度升高等一系列自催化过程，这样就会使得沉淀物下的腐蚀速度一直保持大于外表面腐蚀的速度。

5 结论

大庆地区盐碱地质和石油污染导致未软化水质污染严重，管道腐蚀现象明显，对管道输运安全带来巨大隐患，研究结果表明，各地区腐蚀情况不同，油区腐蚀较为严重，居民用水区腐蚀相对较轻，并随时间呈现非线性递增趋势。运用超声波测管道腐蚀效果与管道曲率有关，曲率越小效果越好，以甘油为耦合剂的效果大于以水或机油为耦合剂的情况。分析腐蚀成因主要源于两个方面，一是碳钢表面的不均匀性与水接触时形成许多微小的腐蚀电池；二是在原油和泥沙堆积的地方，容易形成充气不均匀型“闭塞腐蚀电池”。

［1］戴波，盛沙，董基希，等.原油管道腐蚀内检测技术研究［J］.管道技术与设备，2007(3)：15-18.

［2］王卫东，李钟玮，李京，等.大庆地区水体环境水生生物调查结果与评价［J］.油气田环境保护，1997，1(7)：34-36.

［3］张锦民，姜亦庆，潘文科.大庆地区水中多元素分析—ICP部分.大庆石油地质与开发［J］.1991，10(2)：11-15.

［4］邹中坚，张连生，朱相荣.黄岛原油码头管道腐蚀的原因分析［J］.海洋科学，1990，3(3)：44-47.

［5］陈自强，薛永爱，程广兴.软化水输水管道腐蚀原因的探讨［J］.化学清洗，1995，11(4)：22-25.