超声导波检测在压力管道检验中的应用与实践

谭畅

摘 要：超声导波技术作为新型的无损检测技术，因为其具有检测距离长、速度快、成本低并且可以检测到一般常规检测器无法检测的地方，例如有套管或者埋地管道等特殊管道。此文章先介紹管道超声导波检测技术的一些基础理论知识，提出这一检测技术的应用关键，对此，为以后人们能广泛应用管道超声导波技术提出合理化的建议。

关键词：超声导波技术；压力管道；应用；实践

中图分类号：TV698.1+5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0154-02

1 概述

管道作为五大运输工具之一，其在运输气体、液体等方面具有得天独厚的优势。在全世界管道运输干线总计已经达到240多万km，1995年末我国管道运输干线总计已经达到27839km，主要应用于城市供水系统中。虽然管道带来很多便利，但由于经过长时间的冲刷和侵蚀导致管道壁变薄，时常发生泄漏事件，不单单造成巨大的经济损失，而且还造成环境污染影响生态平衡。据调查，世界各国自来水泄漏损失率达到25%左右。近年来管道造成的人身伤害更加引起了广大人民群众的关注。比如：1994年老挝一条气体管道泄漏造成爆炸，致使50人死亡；2005年美国华盛顿的一条天然气管道泄漏，产生静电发生了火灾，造成2人死亡100人受伤。近几年还有其他国家，例如日本、韩国、加拿大等国家都发生过管道泄漏事件。据不完全统计，截止2010年，我国仅在油管运输上已经发生了389件事故。天然气管道也曾发生过多次事故，后果极其严重，给人们的人身、生活、财产带来威胁。而更严重的是管道泄漏会造成环境污染，加剧了原始生态环境的恶化，威胁了人们赖以生存的环境[1]。

虽然一般常规无损检测器（超声检测爬机等）在管道检测中有着很多优点，比如技术成熟、便于操作，只要对操作人员进行简单的培训，就可以很快运用专业设备进行操作。但常规无损检测技术都存在一个致命弱点：检测过程都是逐点扫描式，所以常规无损检测技术不能有效地应用于工业管道长达上千公里的检测中去。而超声导波检测技术和模态声发射技术可以有效解决这一问题。

2 超声导波技术

2.1 基本原理

导波原理好像平板中的板波。它发出的超声波频率比板波更低，它横穿整个管壁，并可以继续沿管壁传播上百米。当在传播过程中碰到缺陷、结构变化的地方，脉冲波会发生反射并沿管壁传播到传感器而被接收。这一特殊的工作原理决定了管道超声波可以应用于工业企业中大范围、远距离的检测中去，实现全覆盖管道壁[2]。

2.2 导波检测技术的应用范围、优缺点

应用于：管道、管状设备等。

检测管道类型：无缝管、纵焊管等。

优点：（1）一般常规超声波检测只能检测到管壁一个点的腐蚀情况，而管道导波检测技术可以利用一个检测点，从两个方向检测到几米甚至上百米管道腐蚀情况。（2）可以检测到常规检测技术无法检测到的地方，如埋地管道等特殊管道。（3）检测速度快、效率高、全方位覆盖，无漏检。（4）可敏感地感应到横截面检测面的金属损失，检测深度也达到管道横截面的4%。

缺点：（1）超声导波不能对缺陷准确定性，定量也是不准确的，对可疑地方只能再根据其他检测方法进行进一步检测。（2）超声导波检测技术很难将单个点状缺陷和轴向条状缺陷

检测出来。（3）焊接处的管道因为结构发生变化影响整个检测的长度和准确度。

3 超声导波检测方法

经过这么多年的发展，超声导波检测技术在压力管道中进行检测的技术得到了国内外很多研究机构的关注与研究。因为在实际生产作业中非常需要利用先进的检测技术对压力管道检测管道情况，所以超声导波技术逐渐浮出水面，成为管道检测的一大技术。从上世纪八十年代开始，电磁学技术应用在了检测管道裂纹方向，后来有些学者利用实验证实了超声导波技术是可以对管道进行检测的，虽然不同的学者利用的不同的方法，分别利用了L（0，1）模式和L（0，2）模式两种方法都进行了验证，但是这些仅限于实验室情况，都还未在现场进行应用，这是今后需要着重研究的热点方向。根据导播模式的个数不一样，超声导波技术可以分成单一模式和多模式、模态声发射等检测方式，下面将对这三种方式进行概述。

3.1 单一模式导波检测

一般来说，激励源产生的波是处于其所在频域范围内所有的模式，是很复杂的，几乎是没办法直接利用这种信号直接进行分析的。但是如果利用一些特定的激励形式把复杂的信号转化成具有单一模式的信号，这样将大大减少工作强度。当前在国外研究领域，超声导波检测经常使用的单一模式导波是L（0，2）的模式。采用L（0，2）模式的导波的优点在于：（1）在某个固定的频率带宽内，这种模式下的信号基本都是非频散的，意思就是导波的群速度和相速度都不会随着频率的变化而发生巨大变化，所以这样当导波进行传播时是相对稳定的，几乎不发生变形；（2）这种模式下的导波的传播速度是最快

的，这样会使其他杂乱的、不需要利用的信号处在后面；（3）这种方法对内表面和外表面的灵敏度都很高，因此这种模式的导波不但可以检测内外表面的损伤，还可以沿径向方向进行检测。

超声导波在管道中传送时，当其遇到缺陷断裂、端面、缝隙和拐弯处等都会产生反射，因此，在管道中传送具有轴对称性质的L（0，2）模式导波时，如果遇到缺陷时，因为缺陷一般是非对称的，所以在回波里面不但有传回的L（0，2）模式的信号，还有其他模式的信号。特别是当管道中在近乎对称的焊缝里有非对称形式的裂纹时，L（0，2）模式的回波中会很容易发现这个焊缝的回波，从而准确发现裂缝[3]。如果损伤和焊缝不重合的时候，这种导波也会发现损伤的；如果两者重合的话，此模式的回波中是不能很明显的显示出损伤的信号变化，但是在反射回的回波的F（1，3）模式的导波信号会对这种情况表现出非常敏感的变化。所以如果要对管道进行全方位的检测，采用更好阶次的导波将产生更好的结果。endprint

3.2 多模式导波检测

因为一种模式的导波只能检测出一种缺陷类型，但是实际工程中的缺陷却是多种复杂原因结合在一起的，因此利用多模式导波检测可以同时对多种缺陷进行检测。另外，可以根据激励信号的空间相位和幅度的特殊性对一些结构中的缺陷进行检测。比如可以利用低频窄带脉冲信号的特殊性检测管道，这样的方法很适合应用在径向和轴向不均匀特点的管道缺陷。

3.3 模态声发射技术

声发射技术是近五十年才发展起来的，但是因为其有很大的优势所以发展很迅速。这种技术是利用其在发生作用的时候可以快速释放能量对管带物体进行检测的，它的优势在于能够形成动态检测，而且覆盖面广。

4 超声导波检测的应用

从现在来看，管道铺设方法有架空和埋地两种。因为使用时间较长，管道的腐蚀也比较严重。针对于腐蚀情况的检测，如果继续运用一般常规检测技术还需要利用手脚架、拆除管道外壁的保温层、大面积，长距离的挖沟等长时间，大工作量的前期辅助工作，无疑是增加了检测技术的检测成本。而经过大的变动之后能否正常进行检测，检测是否准确这些也是应该考虑的地方。检测后的管道能否正常运作也会直接影响到正常的生产工作。

而现实生活中有很多架空管道和横穿河流、道路的管道，进行检测时很难接触到管道，如果继续使用一般常规检测技术则需要增加许多辅助设备，辅助工作量大，检测成本较高。但是，利用超声导波检测技术则利用其超声波的优点，利用管道平台或直接选取一个比较接近地面等比较方便的地方，设置一个检测点，就可以顺利检测到自检测点开始到几百米甚至上千米的地方，不仅方便、省力、省事、节约成本，还降低了检测的困难度。

5 结束语

目前，长距离的超声波技术是方便有效快速的扫描技术，可以处理在检测中局部因为厚度等方面的原因，不能准确进行检测提出更合理化的检测意见，提出较为合理的检测方法。目的是根据扫描给出的结论，针对不同管道采用不同的检测方法，对检测区进行有效、快速的检测。这样，不仅可以避免在整个管道检测中因逐点检测技术带来的高成本、低效率等缺点，还可以不断提高准确率，减少人工成本。

目前，超声导波检测技术在我国还处于起步阶段，应用范围不广。很多学者也只是从理论及实验的角度进行研究，要让该技术得到大范围的应用，还应从以下几个方面进行研究：

（1）提高实验技术。在实验中，学者们应注重多采用单一模态导波的应用、不断提升激励装置的设计水平。（2）信号分析技术。对不完整的信号，不单利用现已有的谱分析、逆谱分析等信號分析手段的基础上，还应采用先进的信号分析方法，比如小波变换技术等新型技术。

参考文献：

[1]焦敬品，吴斌，王秀彦.管道超声导波检测技术研究进展[J].实验力学，2002，17（1）：1-9.

[2]李衍，强天鹏.管道长距离超声导波检测新技术的特性和应用[J].无损探伤，2002（4）：2-5.

[3]董绍华，费凡.超声导波技术及应用[J].中国国际油气管道，2005：15-19.

[4]林朋飞.超声导波管道缺陷检测专利分析[J].科技创新与应用，2015（21）：63.endprint