管道衰减系数对超声导波检测距离的影响

刘 争,李 扬

(中油管道检测技术有限责任公司,廊坊065000)

管道衰减系数对超声导波检测距离的影响

刘 争,李 扬

(中油管道检测技术有限责任公司,廊坊065000)

采用磁致伸缩超声导波技术对管道衰减系数与导波检测距离的关系进行了研究,针对不同埋设环境、不同衰减系数的管道,合理评估导波检测距离及检测成本,减少复杂环境下导波检测性能降低导致的检测费用增加、检测工期延长等问题的出现,从而更加合理地编制导波检测方案。首先对衰减系数与检测距离的关系进行了初步探讨,根据检测缺陷大小和衰减系数可计算出导波的检测距离;然后分别对地上管道、半埋地管道、埋地管道进行导波检测。检测结果表明,高衰减对导波检测距离有强烈的影响,不同埋设环境的管道,导波的衰减系数及检测距离有明显的差异。

超声导波;埋地管道;检测;衰减系数;灵敏度

导波检测技术是在20世纪90年代才发展起来的新的管道腐蚀检测技术,与传统的检测技术相比,具有快速筛查管道腐蚀及缺陷,进行初步评价的能力,并可检测工厂架空管道、水下管道、被保温层包覆管道、难以接近或受限区域的管道等传统检测难以实施的区域。

按照激励方式的不同,导波检测系统主要分为两种[1]:一种是以压电晶片为基础的导波系统;另一种是以磁性材料的磁致伸缩效应(MsS)及其逆效应为基础的导波系统。笔者利用磁致伸缩效应及其逆效应的MsSR3030R超声导波系统,对不同衰减环境下的管道进行了导波检测。

1 磁致伸缩超声导波检测系统

MsSR3030R超声导波检测系统是美国西南研究院基于磁致伸缩效应及其逆效应,开发的低频导波检测设备,通常使用10 k Hz～128 k Hz频率段,以及T(0,1)扭转模态对管道进行检测,主机信噪比为50 dB(信号是噪声信号的300倍),具有检测灵敏度高,检测距离长,并可进行高温检测及监测等特性。

笔者采用MssR3030R检测系统对不同埋设环境的管道进行了检测试验,研究不同衰减环境对导波检测距离的影响,针对不同埋设环境、不同衰减系数的管道,合理评估导波检测距离及导波检测成本,减少复杂环境下导波检测性能降低导致的检测费用增加、检测工期延长等问题的出现,从而更加合理地编制导波检测方案。

2 导波基本特性及参数

2.1 灵敏度

因导波对管道横截面上的变化较为敏感,导波的检测灵敏度用缺陷面积占管道总横截面积的百分比来评价,图1为缺陷截面与管道截面示意,图中缺陷(红色)区域面积总和与总面积(蓝色与红色区域面积之和)的百分比来评价。如当前的导波设备检测水平可达3%,即当缺陷总面积达到管道横截面积的3%时便可检出。

图1 缺陷截面与管道截面示意

导波能够检测到比波长小许多的缺陷,关于导波灵敏度的研究结果在较早的刊物上就已发表过[2－4]。导波能检测出缺陷的位置及反射百分比,量化时不能保证缺陷的具体形状,如需精确量化,要采用其他无损检测方法(如内腐蚀缺陷用C扫描检测)。

2.2 模态选择

导波的传播特征取决于结构的几何学特征以及介质的声学性能,频散曲线对于导波技术检测管道是非常重要的,图2显示了一个114 mm外径的钢管在0～100 k Hz频率范围的频散曲线[5－6],图中的每一条曲线都代表一种可能的导波模态。实际检测时应用的频率范围内同时存在几种模态,而使用多种模态所带来的复杂性将极大地削弱导波技术的实用性,所以为了达到管道检测的目的有必要对检测结果进行简化,检测时仅选择采用某种模态[7－8]。

导波在管道中有三种模态形式存在:纵向模态、扭转模态、弯曲模态。图3为114 mm外径管道不同状态下的衰减系数,如图2中群速度频散曲线所示,只有模态为T(0,1)的群速度不随导波频率的改变而改变,因此,该模态长距离传播时不频散,波形不会发生畸变,有利于管道的长距离检测。MsSR3030R系统采用的是T(0,1)扭转模态进行导波检测。

图2 114 mm外径钢管(壁厚8.6 mm)的群速度频散曲线

图3 114 mm外径管道不同埋深下的衰减系数

2.3 导波的衰减

导波的衰减可降低可检信号的信噪比,从而影响导波的检测质量。衰减系数是影响导波检测距离的重要参数,可用下式表示:

式中:Z1、Z2为距导波探头处的不同位置;A1、A2为在Z1、Z2位置处导波的幅值。

一般来说,频率的增加和管道埋深的增加都会引起衰减增高。管道的外防腐层对衰减有较大影响,在32 k Hz检测频率下,在光的或涂漆的管线上,理想情况下典型的衰减值接近0.03～0.06 dB·m－1,而煤焦油防腐层管道的衰减值为1 dB·m－1[9]。

外径114 mm、防腐类型为煤焦油磁漆的管道,在不同埋设深度时的衰减系数如图3所示[10]。以30 k Hz检测时,衰减系数从无土壤覆盖的1 dB·m－1到有1.7 m厚土壤覆盖的3.66 dB·m－1,衰减系数增加2.6倍;以10 k Hz检测时,衰减系数从无土壤覆盖的0.27 dB·m－1到有1.7 m厚土壤覆盖的1.5 dB·m－1,衰减系数增加了4.5倍。在固定检测频率下,衰减系数随着埋深的增加而增大。

2.4 检测距离

规定好最低可检测缺陷大小的条件下,导波的检测距离Rα可以表示为[11]:

Rα＝[STX－SRX＋20·lg(d%)]/2 (2)式中:α为衰减系数;d为可检测缺陷的大小,等于相对于总管壁横截面积的百分比缺陷尺寸;STX为发射信号的信噪比;SRX为接收信号的信噪比。

例如:MsSR3030R导波检测系统发射的信号振幅比噪声高大约300倍,即STX为50 dB;MsSR3030R导波检测系统对缺陷的检测阈值为6 dB,即信号振幅比噪声振幅高2倍,即SRX为6 dB;d为可检测缺陷的大小,当d分别取1～20时,检测距离与衰减系数乘积和缺陷大小关系如图4所示。

图4 检测距离与衰减系数乘积和缺陷大小关系曲线

如图4所示,Rα随着d(缺陷尺寸)的增大而呈对数的增大,对于指定的缺陷大小d,Rα为固定值。当了解了管线的防腐层材料、埋设情况、变形及附属物特征时,可以对衰减系数进行估计,从而可计算出检测不同缺陷大小时的检测距离。

地上裸露管线的特征衰减系数为0.03 dB·m－1、埋地管道的特征衰减系数为3 dB·m－1,假定要求最小可检测出2%或5%的缺陷,可计算出导波的可检测距离,结果如表1所示。

表1 不同缺陷大小、不同衰减系数对检测距离的影响

通过以上例子可得出:在同样检测精度的条件下,埋地管道比地上裸露管线的可检测距离要短的多,高衰减对导波检测范围有强烈影响,埋地管线内导波的高衰减现象是导波技术在埋地管线上的检测范围比在地面裸露管线上要短得多的基本原因。

3 导波检测案例

虽然导波检测在埋地、沥青防腐管道中的高衰减特性,会降低导波设备检测距离和识别小缺陷的能力,但对不具备智能内检测器检测条件的油田老旧埋地集输管网,超声导波检测技术为其提供了可行的解决方案。

分别对地上管道、半埋地管道、埋地管道进行了导波检测实践,计算出不同埋设环境下的衰减系数。因频率及防腐层对导波检测精度及检测距离具有较大影响,为使检测结果具有可参考性,排除其他因素对检测结果的影响,现场试验中均使用273 mm管外径、3PE防腐层的管道,检测频率均使用32 k Hz。

使用MsSR3030R超声导波设备进行数据采集及分析。探头与管道采用胶水进行耦合,探头的安装、设备的连接及数据采集较为简单。

3.1 地上管道导波检测

检测管道为地上新建管道,管外径273 mm,壁厚5.6 mm,具有3PE防腐层。探头安装在管道端头处,探头处防腐层剥离并打磨后涂抹耦合剂,探头与钢材耦合良好。地上管道导波检测及分析结果如图5所示。

图5 地上管道导波检测及分析结果

利用最近的两条焊缝信号反射幅值来计算衰减系数,检测频率32 k Hz时导波的衰减系数α为0.29 d B·m－1。

将计算出的衰减系数代入检测距离公式,可计算出具有3PE防腐层的地上管道的不同缺陷大小时的单向可检测距离,因导波可双向传播,实际检测距离为单侧检测距离的两倍,计算结果如图6所示。

通过计算,对3PE防腐层的地上管道,特征衰减系数为0.29 dB·m－1。对5%的缺陷,单向有效检测距离为31 m,双向可检测距离为62 m;对10%的缺陷,单向可检测距离为43.4 m,双向可检测距离为86.8 m。

3.2 半埋地管道导波检测

检测管道为半埋地管道,外径273 mm,壁厚5.6 mm,具有3PE防腐层,入土端埋深1.5 m。探头安装在管道端头处,探头处剥离防腐层并打磨后涂抹耦合剂,探头与钢材耦合良好,检测结果如图7所示。

图6 地上管道的不同缺陷大小时的单向可检测距离

图7 半埋地管道导波检测及分析结果

利用最近的两条焊缝信号反射幅值来计算衰减系数,检测频率32 k Hz时导波的衰减系数α为0.43 dB·m－1。

将计算出的衰减系数代入检测距离公式,可计算出3PE防腐层的地上管道在不同缺陷大小时的单向可检测距离,因导波可双向传播,实际检测距离为单侧检测距离的两倍,计算结果如图8所示。

图8 半埋地管道的不同缺陷大小时的单向可检测距离

通过计算,对3PE防腐层的半埋地管道,未入土段的特征衰减系数为0.43 dB·m－1。对5%的缺陷,单向有效检测距离为20.9 m,双向可检测距离41.8 m;对10%的缺陷,单向有效检测距离为27.9 m,双向可检测距离55.8 m。

3.3 埋地管道导波检测

检测管道为埋地管道,外径273 mm,壁厚5.6 mm,3PE防腐层,埋深3.3 m。探头安装在管道端头处,探头处防腐层剥离并打磨后涂抹耦合剂,探头与钢材耦合良好,其检测结果如图9所示。

图9 埋地管道导波检测及分析结果

因管道埋设较深(3.3 m),现场未检测出焊缝信号,无法利用焊缝信号计算衰减系数α,在图9的数据分析结果中,PS1为管道入土处,导波入土后迅速衰减,传播距离较短,检测主要针对未全部入土段管道,单侧检测距离共约3 m。

3.4 小结

通过对不同埋设条件下的管道进行导波检测,计算出相应的衰减系数及不同缺陷大小时的可检测距离,结果如表2所示。

表2 不同埋设条件下管道的导波衰减系数及可检测距离

对试验结果进行分析可知:地上管道衰减系数最小仅为0.29 dB·m－1;半埋地管道的衰减系数为0.43 d B·m－1;埋地管道的导波衰减最大,导波入土后迅速衰减,传播距离较短,在实际应用中不建议对埋地管道进行导波检测。

4 结语

通过对不同埋设环境下的管道进行导波检测可以得出:在管道类型相同,检测频率固定的条件下,地上管道的衰减系数最小仅为0.29 d B·m－1,5%缺陷大小时双向检测距离62 m,10%缺陷大小时双向检测距离86.8 m;半埋地管道的衰减系数为0.43 d B·m－1,5%缺陷大小时双向检测距离41.8 m, 10%缺陷大小时双向检测距离55.8 m;埋地管道的导波衰减最大,导波入土后迅速衰减,传播距离较短,在实际应用中不建议对埋地管道进行导波检测。

不同埋设环境下的管道,衰减系数及检测距离都有较大的变化,所以建议在实施导波检测前,首先对管道进行现场分析,根据分析结果对管道衰减系数进行合理估计,计算出不同缺陷大小时导波的可检测距离,避免因经验不足造成对高衰减环境下检测精度及检测距离的判断失误,为合理编制导波检测施工计划提供依据。

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图11 熔合面夹杂缺陷超声检测和实物解剖结果

(2)设计了聚乙烯热熔对接接头超声相控阵检测装置,通过试制的包含气孔、熔合面夹杂等典型缺陷的试样接头,对超声检测技术和装置进行了可靠性测试和工艺试验,试验结果表明,提出的超声相控阵技术和设计的检测装置能可靠地检测聚乙烯热熔对接接头中的气孔、熔合面夹杂等各类典型缺陷。

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Effect of Pipeline Attenuation Coefficient on Ultrasonic Guided Wave Inspection Range

LIU Zheng,LI Yang
(China Petroleum Pipeline Inspection Technologies Co.,Ltd.,Langfang 065000,China)

The effect of attenuation on inspection range was studied experimentally by using the magnetostrictive ultrasonic guided wave technology,aiming to help the pipeline manager to assess the rang of inspection and the price of inspection,and to make proper inspection plan before carry out guided wave test,because the pipelines in complicated surroundings can cost more inspection time and inspection price.First,the relationship between attenuation and inspection range had been researched,then the range of inspection under known value of attenuation coefficient could be calculated.Three pipeline inspection experiments were undertaken in different surroundings (above ground pipeline,half-buried pipeline and buried pipeline).The experimental result shows that high attenuation strongly affects the range of inspection and a significant change in the attenuation coefficient and inspection range exists for different surroundings.

Guided wave;Buried pipeline;Inspection;Attenuation coefficient;Sensitivity

TG115.28

:B

:1000-6656(2017)01-0061-05

10.11973/wsjc201701015

2016-06-22

刘 争(1981－),男,工程师,主要从事管道完整性专业方向的研究工作。

刘 争,E-mail:541732847＠qq.com。