压力管道超声导波检测技术研究

庹钊

摘要：压力管道广泛应用在石油化工、工业生产、热力传输等关键领域，担负着各种高温高压、易燃易爆以及有毒介质的生产输送。因此，需要定期对压力管道进行检验检测，保障其运行安全，而传统的无损检测方法费时费力，鉴于此，本文就压力管道超声导波检测技术展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。

关键词：压力管道；超声导波检测；技术研究

1.超声波检测研究概况

超声波检测中，声波分为体波和导波两种。体波是当声波在无限大或半无限大介质中传播的声波，分为纵波和横波等，体波的传播速度取决于传播介质的特性，与频率无关。导波是声波受到界面的影响，声波会在界面来回反射，此时声波将出现频散现象，即波速与频率相关，从而导波的特性常通过频散曲线来表示，具有群速度和相速度，如图1、图2所示。

图1铝板中相速度曲线

图2铝板中群速度曲线

1.1国内研究概况

研究者们首先对导波的群速度、相速度以及导波传播过程中的反射、折射等现象进行了探索，并用实验进行了论证。然后研究者们逐步对导波在波导中传播的频散特性进行了研究，分析总结了导波传播中出现的模态转换现象，并给出了合理的解释。在20世纪早期，人们开始研究超声导波在有界的不同形状的介质中传播的相关特性，并重点研究了导波在平板中的传播特性，进而通过获得的相关结论对导波在圆柱空心管中的传播进行了预测和分析，并对超声导波在无限长圆柱管中的传播特性进行了研究。

1.2国外研究概况

外国学者对超声导波技术研究较早，始于20世纪初期。国外科学家在假设导波的传播为轴对称运动的基础上，基于板壳理论对超声导波在空心圆柱壳中的传播进行了分析及研究。另外详细分析了轴对称和非轴对称模态导波的性质和板壳理论和轴对称假设的局限性，并提出了自己的线弹性理论；同时，运用得到的频散方程对超声导波在板中和圆柱壳中的传播进行了分析和比较。

2.压力管道特点（工业管道）

我国当前对工业管道所输送工业介质的不同来划分成工艺管道、公用工程管道和其它辅助管道这几大类。工业管道的分级也有严格标准，主要是对应其输送介质的不同，比如GC1级为输送毒性程度为极度危害介质、高度危害气体介质和工作温度高于标准沸点的高度危害液体介质的管道，或者输送火灾危险性为甲、乙类可燃气体或者甲类可燃液体（包括液化烃）的管道，并且设计压力≥4.0MPa的管道以及输送流体介质并且设计压力≥10.0MPa，或者设计压力≥4.0MPa且设计温度≥400℃的管道。GC3级为输送无毒、非可燃流体介质，设计压力≤1.0Mpa，且设计温度＞-20℃、＜185℃的工业管道，而GC2级则为除GC1级和GC3级以外的工业管道。由此可见工业管道的特点是应用领域广、操作参数范围宽、输送介质多样化、行业管理部门相对较多，对其的标准要求也较为严格。

3.检验检测内容

3.1宏观检验

管道宏观检验一般是用来确定管道表层、绝热层、涂层、覆盖层等与之相关的金属构件具体状况，并检验管道是否有偏离和震动以及泄漏的安全隐患，主要是以客观检验和配合器具查验的方法。宏观检验主要是以检验人员的视觉、触觉和听觉，对其进行可接触表面的直观检验，看其是否本身有问题或者缺陷的地方。检验人员在通过视觉来检验管道内时应提前准备好手电筒，放大镜甚至内窥镜等，对不同环境下的管道，也能够做到符合规定标准的检验效果。在肉眼不确定的情况下，通过放大镜和内窥镜进行进一步观察。在检验波纹管膨胀节是否有异常甚至有位移偏差情况时，还要用到具有测量性质的器具来对其进行相应的测量工作，以检验并确定管道的问题情况。以上是管道检验中的宏观检验方法，也是沿用时间最长的一种管道直接检验法。

3.2管道壁厚测量

由于管道内输送介质以及管道外部所处的环境的影响，可能会导致管道金属发生腐蚀减薄，通过对管道壁厚进行测量来判定管道能否满足设计壁厚要求，能否继续使用。由于管道内介质的冲蚀作用，一般管道壁厚的测量，都是在管道弯头处或者三通处进行测厚，测点数量应满足相应规范的要求。以上是管道壁厚测量方法，结合前文所阐述的宏观检验方法，这两种方法其实算是管道检验方法中，最基础也最重要的两种检验方法，是确定其余检验检测方法的前提和依据。

4.超声导波检测技术研究

4.1一般导波检测方法

利用一般导波检测方法观察压力管道模型，即在管道端面周向均匀加载激励信号于端面48个节点上，在离端面最近的一圈节点上读取监测节点的位移信号，数值模拟获得的位移信号相关数据结果。同样的激励作用下，压力一定时，随环境温度的升高，管道模型端面反射回波的幅值减小；在恒定温度下，端面反射回波的幅值随压力的增大近似线性增大。这说明，利用导波对管道进行无损检测时，环境温度和压力的改变对检测信号的主要影响体现在回波信号波包的幅值的改变。其次，在含不同缺陷的各管道模型上，通过计算缺陷回波反射率，即缺陷反射回波波包幅值与激励波包幅值的比值，观察缺陷反射回波波包幅值的变化。采用一般导波检测法，当环境温度恒定时，随管道内压值增大，缺陷回波反射率近似线性减小；当承压管道的内压值稳定时，随周围环境温度的升高，缺陷回波反射率也呈近似线性减小的趋势。这表明在环境温度和内压的变化下，裂纹型缺陷和孔型缺陷针对温度变化和内压值的改变呈现出相同的变化趋势。

4.2基于时间反转的导波检测方法

时间反转是指接收传感器阵列接收声源发射的时域信号，将这些信号进行时间反转后，再由相应的接收传感器重新激励出去，它是声互易性原理的应用之一，可以实现能量在空间、时间上的聚焦，从而获得声源位置并实现声源信号的重构。基于时间反转的导波检测方法，将缺陷看作一个新的被动导波源，利用沿管道圆周均匀分布的时间反转传感器，将接收到的被动波源的信息经时间反转后在接收位置重新激励，就可以实现能量在缺陷位置的聚焦，提高小缺陷造成的微小回波幅值的变化，便于进一步判断环境温度变化对承压管道检测的影响。

5.超声导波检测在压力管道中的应用

超声导波检测相比传统的无损检测方法具有检测速度快和无需直接接触被检测部位的优点，可以一次性完成数十米长压力管道的检测，对局部腐蚀，冲蚀，机械损伤以及环向裂纹等缺陷比较敏感，能够较好的检测出这些缺陷。因此，超声导波检测技术可以在不破坏设施及管道防腐保温层的前提下，对埋藏在地下或架在高空中的管道，被保温材料包覆的管道以及各种人无法到达场所敷设的管道进行快速检测，大大减少了企业的成本，节约了时间。

结语

我国压力管道的检验检测技术，虽然起步较晚但其整体的发展速度很快，随着科技的不断进步和提高，未来的压力管道检验检测技术也会更加完善。

参考文献：

[1]谭畅.超声导波检测在压力管道检验中的应用与实践[J].科技创新与应用，2017（26）：154-155.

[2]沈奕欧.锅炉压力管道裂纹检验分析[J].黑龙江科技信息，2017（15）：99.