超声导波技术在压力管道检测方面的应用
蔡国宁 徐卫
江苏省特种设备安全监督检验研究院
中国南京 210013
摘 要： 超声导波（Guided Ultrasonic Wave）是一种新的无损检测技术，现正在被广泛应用于压力管道的检测。带有保温层的管道主要用于石油和化工的物料的输送，以前管道检测的方法需要将管道的保温层拆除，成本非常贵。利用导波技术检测带保温层的管道只需拆除一段约一米的保温层，导波在管壁中转播，同时，通过发现来自缺陷的反射波找出缺陷位置和波幅的大小，这对于工业管道的检测有其积极的意义。导波研究具有科学的声学理论基础以及大量的试验支撑。本文要表达的观点是：在带有保温层的工业管道采用导波检测中，当导波模式以及基于管道壁厚的频率选择之后，管道缺陷的反射波型反映了缺陷的有无、大小和位置。通过我们的实际检测工作验证上述观点。
关键词：导波、波型、管道在线检测、验证
0 引言
超声导波检测技术对发现在役管道的腐蚀缺陷（包括腐蚀坑和均匀腐蚀）方面有着独特的优势，同时，管道焊缝中某些的缺陷（如较大的未焊透、未熔合和错口等）也是可以发现的。超声导波是一种在线检测技术，检测距离长，单方向可达80～90米，可一次性对管壁进行100％检测，检测过程简单，不需要耦合剂，在一定的温度范围内，只要剥离一小段防腐层（约1米长）以放置探头环即可。
1 机理
超声导波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。主要分为圆柱体中的导波以及板中的SH波、SV波、兰姆波和漏兰姆波等。[1]根据Silk和Bainton的理论，圆柱体中的导波分为轴对称纵向模式、轴对称扭转模式和非轴对称弯曲模式。[2]超声导波检测采用两种模式――扭曲波和纵向波进行管道缺陷检测。两种模式的检测波形各有特点，具体检测特点见表:
扭曲波模式纵向波模式
液体填充物影响很小在装满液体的管道上难以使用对纵向较深的缝隙和横截面积损失灵敏度高对管道上横截面积损失灵敏度高需要两排传感器进行测量需要四排传感器进行测量
可以在较宽频率范围内使用仅在较窄频率范围内使用可以将探测环安装在离法兰很近位置进行测试探测环必须安放在距离法兰1米之外位置上使用在实际工业管道检测中使用的轴对称扭转（曲）波模式。Wavemaker导波检测系统采用有限元法处理导波的散射问题，可处理各向同性和非均匀的各向异性材料，适用于传播介质千差万别的工业管道。[3] 超声导波的模式和频率的选择对管道的评价和缺陷的检出有较大的影响，同时还会影响到对缺陷大致尺寸判断和导波长距离转输能力。[4]基于采用英国的导波检测设备Wavemaker SE16，我们提供的管道缺陷检测服务都是扭曲波[T（0、1）]模式。目前检测频率属于低频（20～100KHz）范畴，转播距离较远，但分辨率受到一些影响。
2 导波检测实例与验证：
（1）管道的局部腐蚀坑的导波特征
图1 腐蚀坑导波波型（图号：＃089168.ts2）
图2 现场拍摄的管道腐蚀坑的像片
这些腐蚀坑发生在保温层下被检测管道的外表面，呈现断续的坑状，深度在1～2mm之间。管道规格Φ159×5mm，管道支撑为鞍座式结构。管道中介质正在传输，管道表面温度约40℃。腐蚀坑表现为不连续或孤立的脉冲波型，并且能够正确显示焊缝和支撑波型。
（2）管道的均匀腐蚀的导波特征
图3 均匀腐蚀导波波型（图号：＃089156.ts2）
图4 现场拍摄的管道均匀腐蚀的相片
管道均匀腐蚀的导波波型与腐蚀坑的导波波型呈现非常不同的特点。管道均匀腐蚀的波型表现为草状杂波，幅度大致相等，无法正确显示焊缝波和支撑波。与整条管道外表面腐（锈）蚀的实际情况吻合。特别注意：管道表面与探头环接触部位需要平整光滑，如果接触不好或柔性环气囊内气压（1.5kg/cm2）过低，也会有反射特征。
（3）管道焊缝中的缺陷的导波特征
图5 直管导波检测有问题的焊缝
图6 为上图有问题的焊缝使用“对称性按钮”的效果
图7 X光片拍的该道焊缝内部的结果
焊缝中有明显的未焊透的显示，如果管道壁厚较大而缺陷较小时，无明显显示易漏检。有时需要和正常焊缝显示进行比较。比较后我们有以下导波特征：
正常焊缝 焊缝内有缺陷 判断缺陷的位置 焊缝内疑似缺陷
图8 焊缝内缺陷判断
以上对称波形，波形圆滑。导波检测系统对于管道支撑部位的缺陷判断较困难一些，需要根据现场的具体情况，以及支撑类型（焊接支撑、鞍座支撑、夹具支撑）确定。
其它管件的导波特征：
焊接支撑 弯头 三通管 法兰
图9 管道其它构件的导波特征
导波检测系统对检出缺陷尺寸的描述。首先导波检测系统是使用管道的截面积缺损（ECL）来描述缺陷大小的。工业管道导波检测一般为3％，陈旧的管件多的管道可能达不到。其次必须正确的调整距离波幅曲线（DAC）曲线，包括噪声导波检测系统的、信号的、焊缝的和法兰的DAC等四条曲线。其三将计算机鼠标箭头点击某一个特征曲线（黑波）的顶部，这时屏幕上会显示截面积缺损ECL的数值，这个数值越大就反
映管道的截面积缺损越严重，腐蚀就越严重（焊缝内的缺陷不能用这种方法来判断，除非管道焊缝被磨平了）。同时还要看红波幅度，它反映了缺陷的集中程度。
结论
根据我们从2004年以来对石化公司的管道进行导波在线检测服务的情况看，这些管道介质不同、管径不同、新旧程度不同、壁厚不同，但使用导波检测系统对工业管道进行缺陷检测时，导波显示的波型是有一定形状的，我们据此可以判断管道中的缺陷。包括管道各种腐蚀和焊缝中较大的缺陷，对于具体的缺陷还要通过其它无损检测技术来描述它的大小和危害程度。例如使用测厚仪或c扫描仪等设备找出壁厚减薄最厉害的位置，或用X射线机对焊缝内缺陷进行验证。以满足工业企业对管道安全性的要求。
参考文献
[1] 刘镇清，超声无损检测中的导波技术[J]，无损检测，1999，21（8）：367－369.
[2] Silk M G，Bainton K F. The propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to Lamb
waves[J].Ultrasonics，1979，17（1）:11-19.
[3] 周正干，冯海伟.超声导波检测技术的研究进展[J].无损检测，2006，28（2）：57－63.
[4] M. J .S. Lowe，D. N .Alleyne，P. cawley. Defect detection in pipes using guided waves. Ultrasonics 36（1998）
147-154.
[5] J. L. Rose，S. P. Pelts，M. J. Quarry. A comb transducer model for guided wave NDE. Ultrasonics 36（1998）
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