管道低频导波检验技术

张伯莹　王羽楠

摘要：低频超声导波检验技术是近年来提出来的一项管线缺失检测的新兴技术，对实现管道的长距离面检测有着重要的意义，通过对超声导波技术发展现状及检验机理的分析研究，论证低频超声导波技术在管道检测中的优势及局限性。

关键词：低频超声导波；管道检验；截面缺陷损失

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）11-0083-02

低频超声导波检验技术是近年来提出来的一项管线缺失检测的新兴技术，对实现管道的长距离面检测有着重要的意义，本文旨在论述低频超声导波技术在管道检验中的工作原理和应用技术。

1 国内外技术概况

国外对超声导波检测技术方面的研究很重视，起步较早，可以追溯到19世纪后期20世纪早期，英、美、加、日、德等国的对超声导波在激励及传播的机理和信号的处理技术，特别是超声导波在结构件里的传播机理及与特征信号相互作用的机理方面进行了深入研究，取得了一定的成果，并在管道检验实用性检验技术方面取得了突破。目前，世界上用于管道缺陷检测的超声导波检测技术主要有两种：一种是以压电效应为基础的多晶片探头卡环式超声导波检测技术，是英国帝国大学的研究成果，主要产品有两家：英国导波公司（GUL）公司的WaveMarker和英国焊接研究所（TWI）下属的PI公司的Teletest；另一种是以铁磁性材料的磁致伸缩效应及其逆效应为基础的条带式MsS超声导波检测技术，是由位于美国德克萨斯州的美国西南研究院（SwRI）研发。这两种超声导波检测技术应用了相同的原理：激发出来的都是机械弹性超声导波，都能够沿着一定几何结构快速传播，并被结构边界所约束。只是在信号激励方式上有所不同。

而国内对超声导波检测技术的研究起步较晚，也没有相应成型的仪器或设备，但近年来在许多学者的努力下，国内对该项技术的研究已取得了一定进展。何存富、李衍等对超声导波在管道中的检测进展进行了综述，对国内学者对该领域的认识和研究起到了一定的促进作用。何存富等对纵向模态在管道中的传播特性及缺陷检测进行了研究。他得安等研究了传播距离对管道中超声导波传播特性的影响。由中国机械工业联合会提出，中国特检验院、华中科技大学起草的导波检测标准《无损检测磁滞伸缩超声导波检测方法》（GB-20090011-T-469）已经通过中国无损检测标准化委员会审核，即将发布实施。

2 低频超声导波检验机理

通过对导波频散曲线的研究，导波在管道中传播，具有多种模态，对管道检验有实际效用的有以下三种：纵向模态：L（0，m）、扭转模态：T（0，m）、弯曲模态：

F（n，m）。

在设备激励下发出的超声导波信号，可以是一种模态或者是多种模态的组合，在传播过程中，如果管道壁厚发生改变，将会有一部分能量反射回设备传感器。其他能量继续传播，直到损耗完。在管道检验过程中，最主要的壁厚变化来自于焊缝和腐蚀，声波遇到这些变化后，会发生散射，导致声波的模态和频率都会发生变化，并通过反射，将这些变化的信号反馈到检验设备，通过分析反射声波信号的变化，包括频率变化、曲线变化，可以判断壁厚损失量，从而确定缺陷的位置和大小等信息。通常，检验仪器的探头是覆盖整个管道截面的径向区域，并沿轴向传播，可以实现对整个管道的全面检测。

研究人员在对频散曲线的分析发现，频率为70kHz的轴对称的纵向模态L（0，2），具有传播速度快、传播过程中能量泄露少且传播距离远、具有非频散的特性，可以被用作管道缺陷检测。同时，对于扭转模态T（0，1），是比较特殊的传播模态，速度不会随着频率的变化而变化，是非频散的，也用于管道缺陷检测。

对于L波模式测量中，发射L（0，2）波，遇到管道中壁厚局部有变化的时候（即管道产生金属损失时），就会返回F（1，3）波；在T波模式测量中，发射T（0，1）波，遇到管道中壁厚局部有变化的时候（即管道产生金属损失时），就会返回F（1，2）波。通过检测F（1，3）波、F（1，2）波的信号大小，根据L（0，2）波和T（0，1）波的传播速度，即可确定缺陷的位置和大小，如图1

所示。

在实际管道的检测中，焊缝、法兰、腐蚀是管道中存在的几个重要特征，其中，其对于低频导向超声波产生的影响使周向的壁厚增加，因此会返回L（0，2）波，即轴对称模式的波，在图中用黑色信号线表示；同时伴随生成幅值较低的T（1，3）波，即扭转模式波。根据在周向不同位置分布的探头接受的波形信号，又可分为垂直扭转波模式和水平扭转波模式。如果在一个位置接受到高的垂直扭转波，则表示在垂直方向上有金属损失；反之接受到高的水平扭转波，则表示在水平方向上有金属损失。如果遇到了一个类似焊缝的强高波信号，则表示所有的超声波全部反射了回来，即遇到了法兰。

3 低频超声导波检验精度定义

超声波检测都是相对量，低频导向超声波测量的也是一个相对量。在这里，低频导向超声波的检测精度定义为截面缺陷损失率，即截面积内金属损失的总和占总体截面积的百分比：缺陷损失率%=100（A1+A2+A3+A4）/πDt。

从这里可以看出，低频导向超声波检测的是总体截面积内金属损失总和的百分比，因此不能区分是内表面缺陷还是外表面缺陷。

需要指出的是：目前低频超声导波检测技术的作用是提供一种快速的扫描手段，快速、准确地对缺陷进行定位，从而改变以往检测作业的盲目性。但是不能提供壁厚损失的直接数据，因此我们讨论的精度是对缺陷的发现能力以及对存在位置定位的精确度。

根据上述公式计算，50%t（t表示管线壁厚）、面积为D/2×D/2（D表示管线直径）的缺陷损失率约为9%；50%t、面积为3t×3t的缺陷损失率约为3%。

同时，测量精度还取决于缺陷的深度和面积，这是由于管道横截面面积的降低会影响导向超声波延管壁的传播情况。

4 低频导波检验技术在管道检验中的优势及局限性

低频导波检测技术检测腐蚀等体积型缺陷中有着很大优势，可以实现管道100%的全面快速面扫查，具有检出率高、适应性面广等特点，具有广泛的开发应用前景。

同时，低频导波检测技术有如下局限性：

（1）只能测量壁厚的相对变化量，不能得出壁厚的实际数值，需要借助其他方法进行验证。

（2）不能区分缺陷、损伤在管壁内侧还是外侧，也不能准确定义缺陷的几何尺寸等定量信息。

所以，低频超声导波检测技术适合于对于管线状态的整体状态定性扫查，不能单独使用，需要辅助以其他检测方式共同进行，如通过超声波测后确定壁的厚实际厚度和腐蚀量，通过超声波检验，确定缺陷的具体形状。

作为一项新技术，有关低频超声导波的理论特性和特性验证、有关导波信号的激励和缺陷信号的分析，是需要继续研究和解决的问题。

参考文献

[1]CawleyP.，Alleyne D.N. The use of Lamb Waves for the long range inspection of large structures. Ultrasonics，1996.

[2]Li Zongbao，Y. H. Berthelot. Propagation of transientultrasound in thick annular waveguides： modeling，experiments and application. NDT&E;， 2000.

[3]Peter Cawley. Practical long range guided wave inspection-Applications to pipes and rail. NDE2002 predict. assure.improve. National Seminar of ISNT Chennai，2002.

作者简介：张伯莹（1973—），男，河北人，供职于中海石油技术检测有限公司，研究方向：海洋石油设施设备检验；王羽楠（1980—），男，浙江人，供职于中海石油技术检测有限公司，研究方向：无损检验。

（责任编辑：刘 晶）