陈 诚，邸艳秋，刘殿川

（大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司，辽宁 大连 116000）

1 管道腐蚀的超声导波检测的研究背景

超声导波检测是一种近些年广受企业设备用户青睐的新型检测方法，该种检测方法利用超声导波在传播时受几何边界导向影响的性质，可以检测出被检件一定范围内的材料损失。超声导波检测主要广泛应用在管道的检验中，可以对管道横截面的母材损失量给出分析[1]。

大型石油化工厂存在部分长期处于高温、高压状态下运行且存在较强腐蚀的管道，部分储油库存在部分地下埋地管段等使用过程中难以通过常规手段检测的管段。然而这些管道的腐蚀情况在3 年以上的检修周期中难以监测，此时管道的实际安全状况成为企业无法忽略却难以解决的问题。本项目对管道在线监测提出了超声导波检测的方法，通过对管道固定位置布置铁钴带及探头，定期对其进行检测，在理想状态下可以一次检测约100 m 管道，在大部分情况下一个监测点即可以满足石油化工厂一条管道的整体腐蚀情况监测。

2020 年某原油存储单位就在一段长约10 m 的埋地段发生了一次泄漏事故，腐蚀管段的管道形态见图1。其腐蚀位置为弯头对接焊缝起始的管道埋地水平段最低点位置，为一般意义上的积垢位置。在一般情况下，认为原油库区管道属于风险性较低的压力管道，然而由于各产油地的原油质量差异、管道结构、介质流速等多方面原因共同造成了此次泄漏事故[2]。如果在管道使用过程中有一种合理的监测手段，对管道的腐蚀状态进行有效的监测，则可以避免事故的发生。

图1 腐蚀管段的管道形态

MSsR3030R 超声导波检测系统是基于铁磁性材料的磁致伸缩及其逆效应的检测方法。其通过激发多种模态的超声导波，选取合适的波形及频率，对管道进行检测。由于超声导波检测有着对缺陷无法定性、无法精确定量和定位的特点，在实际应用中属于一种筛查型的检测方法，在检测出具结果后一般仍需进行缺陷的验证。本文进行的实验研究是模拟在管道腐蚀加深的情况下对管道进行定期监测，通过监测信号的变化，可以直观反映管道缺陷的腐蚀加深情况，在管道使用单位的安全管理过程中对管道的腐蚀发展情况进行评估。

2 实验的过程

2.1 实验的准备

实验研究使用的钢制管道结构见第108页图2；管道的各项主要参数见第108页表1；管道各部位长度见第108页图3，其中所有弯头均为90E（L）弯头。

表1 管道的各项主要参数

图2 实验研究使用的钢制管道结构

图3 管道各部位长度示意图

采集管道原始状态数据后，再进行缺陷加工，缺陷加工位置见图4；缺陷加工规格及方式见表2；各缺陷管壁截面损失百分比见第109页表3。

表2 缺陷加工规格及方式 （mm）

表3 各缺陷管壁截面损失百分比

图4 缺陷加工位置示意图

2.2 实验的主要理论基础

通过对同一位置的腐蚀加深模拟，观察超声导波信号的变化，判断超声导波检测对管道在线监测的有效性。在超声导波检测技术中，超声导波检测范围R 的计算公式[3]为

式中：STX为发射信号信噪比，dB，一般取50 dB；SRX为接收信号信噪比，dB，一般取6 dB[4]；ΔA 为缺陷尺寸，即缺陷截面的截面积损失量百分比；α为衰减系数，dB/m；R 为检测范围，即超声导波的有效检测距离，m。

由式（1） 可知，超声导波的有效检测距离在衰减系数不变的情况下与缺陷尺寸呈指数增加的关系。同时，由于实验所采用的管道为地上裸露钢管，其衰减系数比较低，由一般工程经验可知其为0.03 dB/m 左右，而本次检测的最大距离约为10 m，因此总衰减基本可以忽略，对于实验结果的影响在可接受范围内。

2.3 实验仪器设备参数设置

本次实验均采用32 kHz，64 kHz，128 kHz 3 个频率进行信号采集，因为较高频率的激发信号可以在较近的裸露钢管显示更精确的波形图像，故而一般采用128 kHz 进行波形分析，部分采用128 kHz与64 kHz 进行对比波形分析。所有采集均使用扭转波，脉冲回波模式，循环次数为2，振幅为50%，增益为20 dB，采样率为1 000 kHz，脉冲重复频率为8 Hz，测量距离为10 m。

3 检测结果及评价

信号特征英文代号与中文对应如下：EP 为管道端面；MsS 为信号激发点；X 为一次反射信号；Y 为多重反射信号；EW 为弯头对接焊缝；W 为对接焊缝；D 为缺陷信号；PS 为管道支架。在信号评价时，均设置EW1 信号参考值为15%。不锈钢管的腐蚀情况与碳钢管不同，且通过对不锈钢使用铁钴合金带激发信号进行检测，依然信号幅度较低，检测结果不明显，因而监测意义不明显。

3.1 对螺旋焊接管的检测结果及分析

图5 为螺旋焊接管波形图；第110页表4 为螺旋焊接管数据图；第110页图6 为螺旋焊接管缺陷信号理论实际对比图。从图5 的4 个波形图可以看出典型的螺旋焊接管多重反射信号，并且随着缺陷的加深，多重反射有明显的增加趋势，单次反射X1，距离信号加载点的距离与管道端面EP1 基本相近，显然是管道端面的反射信号，紧临信号加载点的支架在未加工缺陷时和第一次缺陷加工时并不能反射出明显的信号，而随着缺陷的加深其信号有增大的趋势，在本次模拟情况下的弯头为超公称壁厚使用，可以看出在缺陷加工较大的情况下才发生一定的缺陷信号反射[5]。由图6 可以看出，缺陷1的信号特征随着加工缺陷的加深，呈现与实际缺陷当量不同幅度的变化；缺陷2 的信号特征会在一定程度上与多重反射重合，出现了信号增强的情况；缺陷3 由于弯头的厚度大于公称壁厚，在缺陷增长至一定程度后才会出现信号反射。通过本次实验发现，对于螺旋焊接管缺陷的发现十分不易。由于螺旋焊接管一般在信号加载后会发生较规律的多重反射，多重反射会掩盖一些较小的缺陷信号，并且随着缺陷的加深，缺陷信号的增强，会产生更加多的反射信号，因此对于单次的腐蚀情况检测来说，超声导波检测对于螺旋焊接管的单次腐蚀检测有着较大的局限性，但是在监控条件下，随着缺陷的加深，波形会发生十分明显的变化，可以在很大程度上监控螺旋焊接管的缺陷变化。

图6 螺旋焊接管缺陷信号理论实际对比图

表4 螺旋焊接管数据图

图5 螺旋焊接管波形图（续）

图5 螺旋焊接管波形图

3.2 对无缝大钢管的检测结果及分析

第111页图7 为无缝大钢管波形图；第112页表5 为无缝大钢管数据图；第111页图8 为无缝大钢管缺陷信号理论实际对比图。通过对图7 与图5的对比，可以明显地发现超声导波在无缝钢管中传播时的波形与螺旋焊接管相比，多重反射大幅度减少。对表5 的数据进行对比，结合图7，可发现如下3 个特征：一是在无缝大钢管条件下，特征信号位置较稳定，EW1 最大误差为0.02 m，EW2 最大误差为0.03 m，W1 最大误差为0.13 m，可以明显看出，随着距离的增加，距离误差有所增大。二是在缺陷实际测量时，由于均设置为EW1 信号反射为15%，因此理论值信号与实际值信号必然会有一定误差，同时从第二次缺陷波形、第四次缺陷波形可明显发现，EW2 相较于EW1 有明显的衰减，在处理数据时对第二次缺陷数据及第四次缺陷数据进行能量增幅[6]，使得EW2 相较于EW1 的衰减幅度与无缺陷加工时数据相近，通过数据可以直观发现，对于缺陷4 能够十分明显地发现缺陷，虽然图像显示缺陷不合理曲线，但是根据缺陷和临近特征信号与支架信号幅度的比值，可以发现第一次至第三次该缺陷与临近支架2 的信号幅度比值分别为0.727、1.777、1.785，可以看出明显的信号幅度增加；对于缺陷5 的变化，由于其起点为弯头对接焊缝EW2，通过图8 可以直观发现其近似线性的变化；对于缺陷6，依然表现出了对弯头的低百分比缺陷的不敏感，由于弯头回波较为复杂，在缺陷不明显的情况下，确实难以分辨缺陷和多重反射。三是无缝大钢管的多重反射现象明显少于螺旋焊接管，并且缺陷的加工变化和多重反射之间的影响明显低于螺旋焊接管。

表5 无缝大钢管数据图

图7 无缝大钢管波形图

图8 无缝大钢管缺陷信号理论实际对比图

3.3 对无缝小钢管的检测结果及分析

第112页图9 为无缝小钢管波形图；第113页表6 为无缝小钢管数据图；第113页图10 为无缝小钢管缺陷信号理论实际对比图。通过对图9 和和图7 的对比，可以发现，在管径变小的情况下，64 kHz 的信号准确度大幅度提升，并且对缺陷的灵敏度和准确度也有着极大的提升。特征信号EW1 位置偏差最大值为0.02 m，特征信号EW2 位置偏差最大值为0.03 m，特征信号W1 位置偏差最大值为0.01 m，信号总体位置偏差极小，信号稳定。同时W1 的几次信号幅度接近，总体衰减差距极小。缺陷7 的信号幅度变化较小，但是同时支架2 的信号幅度呈现类似于理论缺陷幅度的线性变化；缺陷8在低幅度下依然体现出难以检测的特点，然而在理论值达到2.6%时，是可以明显检测出连续的缺陷波形[7]。通过对特征信号EW1 和W1 幅度的对比，可以发现在φ159 mm 的管道检测中信号衰减极小，整体信号置信度更高。

表6 无缝小钢管数据图

图9 无缝小钢管波形图（续）

图9 无缝小钢管波形图

图10 无缝小钢管缺陷信号理论实际对比图

4 结论

由于不锈钢管道检测时信号较低，同时因为不锈钢相较于碳钢具有较好的耐腐蚀性，因此在线监测的意义较小；φ325 mm×5 mm 的螺旋焊接管的检测效果一般，监测效果较好，螺旋焊接管在检测时的多重反射较多，在检测埋地段、带保温架空段管道时，由于不清楚其特征信号位置，易将多重反射误判为特征信号或者缺陷；通过本次缺陷加工实验可明显发现，如不知缺陷具体位置，从单次的检测结果上来看，易发生误判，但从多次缺陷加工的信号变化来判断缺陷的变化情况，是可行的；φ325 mm×8 mm 的无缝大钢管检测效果良好，单次检测的结果优良，监测效果较佳；φ159 mm×8 mm的无缝小钢管检测效果较好，单次检测的结果较佳，监测效果极好。从缺陷位置来看，弯头缺陷不论在弯头大于公称壁厚的情况下，还是弯头等于公称壁厚的情况下，缺陷检测都不理想，同时受多重反射和弯头内外弯面壁厚不等、内外弯面路程不同等多方面因素影响，缺陷信号判断较难；临近焊缝缺陷在缺陷加深至超声导波检测设置的门槛（2%）后才能明显检测出，同时受弯头及弯头两侧对接焊缝的多重反射影响，缺陷容易被多重反射信号掩盖，需要较多的缺陷判断经验才可以有效甄别缺陷；远离特征信号的孤立缺陷检测效果优良，较易发现缺陷且缺陷信号幅度较为精准。

超声导波检测的局限性依然十分明显，无法对缺陷精确定量，即便是对已加工缺陷的检测，依然有着不小的误差；检测结果受检测人员操作影响较大，主要是耦合和磁化在手动条件下无法精确量化，通过本次实验可以看出，在同一位置的检测，因为检测人员磁化的变化出现了较大的数据变化。

综上所述，通过本次实验验证了超声导波检测的部分局限性，同时也明确了其在在线监测时的适用性，能够有效对实验管道进行缺陷加深的监测。