冷冻水管道腐蚀缺陷超声导波检测

马 柯，张胜军，曹建群

（广州市特种承压设备检测研究院，广州510663）

中央空调冷冻水管道由于保温不良或环境湿度过大等原因，会产生凝露现象，导致外壁发生腐蚀［1］。冷冻水管道通常安装于管井或楼层天花内，管道表面包覆保温层，缺陷难以发现。常规检测手段如超声波测厚、涡流检测等，只能采用逐点检测的方式进行，不能完全揭示整条管道上的腐蚀缺陷［2］。

超声导波检测技术近年来在无损检测领域，尤其在管道无损检测领域得到了广泛的应用［3］。通过在管道局部安装导波信号发射装置和接收装置，激励导波信号并使其沿管道传播，在遇到缺陷时产生回波信号，以此实现对整条管道上缺陷的检测，范围甚至可以达到100m以上，检测灵敏度高，缺陷定位准确，能够有效检出管道存在的孔洞、损伤、腐蚀等缺陷，特别适合包覆保温层，采用高空架空、埋地、管井、管沟铺设，常规方法难以检测的管道［4］。

图1 常规无损检测与超声导波检测原理对比

本工作通过在冷冻水管道局部位置激励脉冲导波，采集回波信号并进行标定，拆除保温层对缺陷进行验证，实现了对管道腐蚀缺陷的有效检测。并计算了管道缺陷位置的周向减薄率，对照回波图像，对影响回波信号的因素进行了深入的讨论。

1 试验

1.1 试验设备

目前通用的导波检测技术分为两种［5］：一种为磁致伸缩（MsS）技术；另一种为压电晶片技术。相对压电晶片技术而言，在本工作中采用MsS导波检测，具备以下优势：（1）待测冷冻水管道外径仅为89mm，管道曲率较大，压电晶片探头与管道接触面很小，布置探头数量有限，直接影响了探头信号向管道的传递、强度与对称性，而MsS探头不受管道尺寸的限制，铁钴条长度可根据现场管道周长制作，信号传递效果好；（2）冷冻水管道安装于管井内，且与其他管道并行铺设，压电晶片技术因探头自身几何尺寸限制，无足够空间安装，而MsS线圈则不受空间位置的影响。

本工作采用美国西南研究院MsSR 3030R超声导波检测系统，由检测主机设备、信号激励线圈（同时也是接收线圈）、磁致伸缩铁钴合金条、数据传输线、适配器、数据采集和分析软件组成，见图2。

图2 MsSR 3030R超声导波检测系统

1.2 信号激励装置安装

选定线圈安装位置，拆除管道保温层，采用角磨机去除管道表面腐蚀层，并尽量将尺寸较小的腐蚀凹坑磨平。待管道露出金属光泽，截取合适长度的铁钴条并磁化，用耦合胶粘贴于待测管道上，并用橡胶带固定8～10min，待耦合胶干透后，用卡具将线圈紧固于铁钴条之上。若管道外表光滑，无腐蚀及凹坑等缺陷，可直接用双面胶粘接铁钴条，无需使用耦合胶。铁钴条长度应比管道周长短3～5mm，以便形成完整的闭合磁路，并激励周向对称的信号。

试验选取外径89mm，编号为P1与P2的两条冷冻水进水管道进行检测试验。两条管道均竖直安装在管井内，在上下穿越楼层处与大小头焊接而改变尺寸，P1管上有一连接支管，距测试线圈下方约0.4m。两段管道的结构与测试现场图片见图3，图4。

图4 P2管结构示意图与测试现场

1.3 试验参数选择

导波检测中，通常要根据选用的导波模态，在频散曲线图中选择试验频率，以避开波包的频散区域［6］。MsS导波系统一般采用T（0，1）扭转模态进行管道检测，因为T（0，1）模态导波在所有频率范围内具有非频散特性，波速不随频率变化，且不受管道尺寸以及管内介质流动的影响，产生附加模态倾向较小［7-8］，因此本工作选取T（0，1）模态作为检测模态，激励信号频率为64kHz。

2 结果与讨论

2.1 回波图像分析

图5为P1管导波回波图像，对其中反射回波强度（回波与发射信号幅度的比值）超过2%的各反射信号进行标定。图5中T位置与EP位置对应图3（a）中的支管与管顶的大小头。在支管下方，距线圈-1.0m处，另一个大小头在图中并未发现回波信号的存在，这主要是因为-0.4m处的支管尺寸较大，对导波信号产生的阻挡与分流，并且导致波包分解和发散［9-10］，只有少部分原始模态的测试信号能够到达大小头位置，而大小头产生的回波信号在返回过程中，再一次受到支管的阻挡，使得线圈接收到的反射信号几乎可以忽略不计。

图5 P1管回波图像

P1管中测试起点正方向，回波波形呈幅度高低不均的草状回波形态，这与管道产生腐蚀缺陷的波形吻合［11］，D1位置无其他管道结构特征，为疑似缺陷信号。

图6为P2管导波回波图像，图中两处EP位置分别对应管道两端的两个大小头。D1，D2，D3为三处疑似缺陷信号。沿检测正方向，信号强度在整体上呈现逐渐下降的趋势，各缺陷信号之间，分布着强度值低于2%的草状回波。

图6 P2管回波图像

测试的负方向，大小头EP左侧，回波表现为一系列强度在5%附近的反射信号，在整个长度方向上较为均匀，此区间范围内的支管、支架等结构都未能在回波图像上反映出来，这是因为导波信号在穿过大小头时，管道结构尺寸在整个管道周向发生突变，导致导波模态分解和波形发生转变，各模态信号传播速度不同，系统不能鉴别真实的缺陷回波信号，使得跨过大小头的区域，成为导波检测的盲区。

2.2 缺陷验证与分析

拆除管道保温层，对P1与P2管的疑似缺陷位置进行验证。如图7（a），P1管状况较好，表面仅有轻微锈蚀现象，对应回波信号图7中的D1位置，在管道上发现一处腐蚀凹坑，宽5mm，深度约为2mm。P2管表面则发生了较为严重的腐蚀，图7（b）中虚线圈注位置为3处明显的腐蚀减薄区域，分别对应图6中的D1，D2，D3三处位置。记录各腐蚀缺陷位置与回波强度，测量P2管三处腐蚀减薄区域周向最大长度与剩余厚度（周向多点测量取平均值），估算管道周向腐蚀减薄率，结果见表1。

图7 缺陷验证

表1 P2管反射信号分析

由表中数据可知，在导波的有效检测范围内，管道上的腐蚀缺陷在回波图像上都得到了反映，缺陷回波位置准确对应了真实缺陷距探头的距离。采用T（0，1）模态的导波检测，回波强度的大小与管道周向腐蚀减薄率密切相关［12］，而表1中缺陷的回波强度与腐蚀减薄率却无这种对应关系，D1与D3两处缺陷具有相近的腐蚀减薄率，但D3对应的回波强度仅为D1的一半，这主要是P2上附着较厚的腐蚀层，导波信号在管道表面腐蚀产物的吸收作用下，产生明显的衰减，以致回波强度大大降低。

2.3 试验结果讨论

导波检测过程中，线圈通过接收缺陷反射信号，对缺陷进行定位。支管连接、大小头、等管道结构都将对导波的传播产生影响，导波波包在受到阻挡的同时，还会发生模态的转变与分解，使得此后的区域成为导波检测盲区，回波图像不能真实反映管道的缺陷状况。管道腐蚀缺陷在导波回波图像上表现为锥状或齿状的草波形态，管道上附着的腐蚀层对导波信号有较强的吸收作用，腐蚀情况越严重的管道，检测有效距离越短。

检测前了解待检管道的结构，有助于快速识别缺陷信号；超声导波一般只能对管道腐蚀缺陷进行定位与简单的定量，不能进行定性分析，检测过程中应采用其他常规无损检测手段，如涡流、超声等对缺陷进行验证。

3 结论

（1）超声导波无损检测方法，能够实现在不拆除保温层的条件下，对整条管道腐蚀缺陷进行快速检测，缺陷定位准确。

（2）导波信号在穿越支管、大小头等管道结构突变处，波包会发生模态转变与分解，使得此后的区域成为导波检测盲区，回波图像不能真实反映管道的缺陷状况。腐蚀缺陷信号在导波回波图像上呈现锥状或齿状的草波形态，随着测试距离的增加，导波信号在腐蚀层的吸收作用下迅速衰减，导波回波信号强度降低。

（3）采用超声导波检测方法对疑似缺陷进行定位，并结合其他无损检测手段，如超声、涡流等进行复检与验证，是实现管道腐蚀缺陷检验与评价最佳的方式。

［1］吴顺宝.空调系统冷冻水管道凝漏浅析［J］.广东科技：2007，170（3）：296-297.

［2］张俊哲.无损检测技术及其应用（第二版）［M］.北京：科学出版社，2010.

［3］Kwun H，Kim S Y，Light G M.The magnetostrictive sensor technology for long-range guided-wave testing and monitoring of structures［J］.Mater Eval，2003，61（1）：80-84.

［4］孙士彬，孙乾耀.采用超声导波技术对埋地管道进行腐蚀缺陷的检测［J］.无损探伤，2007，31（4）：6-9.

［5］Ajay Raghavan，Carlos E S Cesnik.Review of guidedwave structural health monitoring［J］.The Shock and Vibration Digest，2007，39（1）：91-114.

［6］他得安，刘镇清，贺鹏飞.管材超声检测中导波模式及频厚积的选择［J］.同济大学学报，2004，32（5）：696-700.

［7］Kwun H，Keith A B，Dynes C.Dispersion of longitudinal waves propagating in liquid-filled cylindrical shells［J］.Acoustical Society of America，1999，105（5）：2601-2611.

［8］Kwun H，Kim S Y，Choi M S，et al.Torsional guidedwave attenuation in coal-tar-enamel-coated，buried piping［J］.NDT＆E International，2004，37（3）：663-665.

［9］Wilcox P，Lowe M，Cawley P.The effect of dispersion on long-range inspection using ultrasonic guided waves［J］.NDT＆E International，2001，34（1）：1-9.

［10］Demma A，Cawley P，Lowe M J S.The reflection of the fundamental torsional mode from cracks and notches in pipes［J］.J Acoust Soc Am，2003，36（1）：114-115.

［11］蔡国宁，章炳华，严锡明.超声导波技术检测管道腐蚀的波形特征与识别［J］.无损检测，2007，29（7）：372-374，381.

［12］钟丰平，叶宇峰，程茂，等.超声导波对不同类型管道腐蚀检测的适用性研究［J］.压力容器，2009，26（2）：11-15.