不同涂层管道超声导波检测传播特性研究

魏松林 章强 娄骁 刘朝 黄红科 方江

1.中核武汉核电运行技术股份有限公司 湖北武汉 430000

2.中核核电运行管理有限公司 浙江海盐 314300

超声导波（导波）检测技术是一项非常有吸引力的管道检查方法，该技术利用导波在管道介质中传播速度快、能量衰减小、频散较稳定等特点，可一次实现远距离的管道检测；另外，由于导波在管壁内、外部和中部均有质点的振动，声场遍及整个壁厚，因而可实现对管道内、外壁缺陷同时检测[1]。导波检测虽然可以一定程度判断缺陷的大小，但主要还是用于定性的快速扫查，在带有“黏性”包覆层或运输介质的管道中超声导波的能量衰减的很快[2]。

为了尽量发挥该技术的优势，减少局限性影响，需要明确不同包覆涂层管道中的导波传播特性（包括衰减规律、灵敏度与最大传播距离等），以制定针对性的检测方案，实现工程应用价值的最大化。本文通过分析不同涂层管道的导波实验结果，给出了不同涂层管道的导波检测局限性以及优化建议，有助于评估特定应用场景中的导波的检测能力及合理编制检测方案，避免漏检、错检。

1 实验设计

本实验选择站场直埋管道和管廊管道中常用的涂层开展对比实验，包括3PE、四油三布、环氧树脂三种涂层及裸管，如图1(a)、(b)、(c)、(d)所示。涂层依据国标制备，真实模拟现场环境，四油三布干膜总厚度为900～950μm，3PE涂层最小厚度2mm，环氧树脂干膜厚度为20～40μm。在管道上预制了相同的管体缺陷，缺陷制备采用电火花切割，如图1（e）所示，控制管道截面损失率（CSA）为9%，如图1（f）所示。管材、规格、缺陷均保持一致，实验管道参数如表1所示。管道段长度均为10m，焊接连接，实验管道按东西方向布置在管道支架上。

以表1中所列样管为实验对象，在东端对每根管道施加T（0,1）模态的导波，按起始频率20kHz，终止频率100kHz，阶梯1kHz添加频率扫查区间，分别获取不同频率条件下距离-幅值曲线，并记录管道各缺陷、焊缝、管端对应的距离、信号幅值、信号衰减系数（dB/m）。

2 实验结果与分析

2.1 衰减规律研究

管道是很好的波导，导波在管道中的衰减比较小，而涂层是导波离开管道的路径，是导波衰减的重要来源[3]。

图1 不同涂层管道导波实验现场

管道结构特征、缺陷的回波幅值是研究导波传播特性的重要参数之一，管道导波衰减系数也是影响导波检测距离的重要参数，可用下式（1）表示。本文根据不同涂层样管在缺陷处的回波幅值的对比及衰减系数对比，来研究涂层状况下管道中导波的衰减规律[4]。

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

不同涂层样管在3m处9%缺陷回波幅值对比如图2所示，不同涂层样管衰减系数对比如图3所示，从图2、图3可得出：

（1）3PE、四油三布对导波信号衰减很大，焊缝后缺陷已不能从噪声信号中区分，而环氧树脂和裸管的信噪比很好；

（2）3PE、四油三布样管衰减速率的范围在2dB/m～5dB/m，且随着频率的升高，衰减速率增大；在3PE、四油三布涂层包覆状态下，受涂层衰减的影响，操作频率往低频移动，回波幅值随频率的增高而降低；

（3）对于3PE、四油三布、环氧树脂三种不同涂层，环氧树脂清漆回波幅值与裸管回波幅值接近，环氧树脂回波幅值最大，3PE回波幅值最小，缺陷反射回波强度排序如下：环氧树脂>四油三布>3PE。这说明涂层是导波衰减的重要来源，最重要的考虑因素是涂层和管道之间的粘合状态和厚度，3PE与管道粘合最紧密且涂层最厚，所以回波幅值最小且衰减也很大。

表1 实验管道参数

表 2 不同涂层管道T波检测最大传播距离

图2 不同涂层样管在3m处9%缺陷回波幅值对比图

图3 不同涂层样管衰减系数对比

2.2 灵敏度与最大传播距离研究

导波检测的目的是评估管道总体状况，主要是壁厚减薄和腐蚀，均属于体积性检查，其沿管道轴向在管壁都有投影，所以横截面积损失率（CSA）适用于度量导波的检测能力[5]。规定信噪比SNR≥2可以检测到给定尺寸的缺陷，最大距离是该尺寸缺陷的检查范围。导波的最大传播距离Xm可以表示为：

式中：STX为发射信号的信噪比；SRX为接收信号的信噪比；r为可检测缺陷的大小，等于缺陷横截面积百分比；a为管道衰减系数。本文中实验仪器为Teletest Focus+压电式导波检测仪，发射信号的信噪比统一按50dB进行实验，最大传播距离接收信号的信噪比规定为6dB。

通过对不同涂层管道进行导波检测实验，获取导波衰减系数，计算出不同缺陷大小的最大传播距离，计算结果如表2所示。对于裸管和环氧树脂清漆，3%检测灵敏度的单向检测距离可达30m以上。3PE、四油三布对导波信号衰减很大，3%检测灵敏度的单向检测距离约为3m，双向检测距离为6m；9%检测灵敏度的单向检测距离约为6m[6-7]。

3 结论与建议

以预制了相同截面损失率的管体缺陷，不同涂层类型（裸管、环氧树脂、3PE和四油三布），直径为219mm（壁厚6mm）的碳钢样管为对象，开展了导波检测实验，获得以下结论：

（1）3PE、四油三布对导波信号衰减很大，3PE、四油三布样管衰减速率的范围在2dB/m～5dB/m；受涂层衰减的影响，操作频率往低频移动，较佳缺陷检出能力的操作频率区间为27kHz～36kHz（T 波）；

（2）对于裸管或薄漆管道，检测灵敏度可达3%的管道横截面积；对于厚涂层管道，涂层会限制导波到达缺陷位置的能量，降低检测灵敏度，检测灵敏度为9%的管道横截面积；

（3）对于裸管或薄漆管道，单向有效检测距离可达30m以上；对于3PE、四油三布管道，单向有效检测距离约6m左右；

（4）按照现有的导波检测能力，对于紧密粘合的厚涂层管道（如3PE、四油三布）很难保证100%缺陷的识别，所以应持续改进导波检测技术。