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摘 要 管道运输是气体和液体介质运输中一种常用方式，具有稳定可靠，连续性强的特点，不过，管道一般采用的多是地埋敷设的方式，一旦出现问题和缺陷，很难及时发现，从而影响其运行安全。超声导波技术属于无损检测技术，检测距离长、检测速度快，成本低廉，对于常规检测方法无能为力的套管或者地埋管有着良好的检测效果。本文从超声导波技术的内涵和原理出发，对其在管道缺陷检测及评价中的应用进行了分析和讨论。
关键词 管道缺陷；检测；评价；超声导波技术；实践
中图分类号 TH878 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0205-01
对于市政给排水管道、天然气管道以及长距离油气管道的检测，从安全性考虑，一般都要求无损检测技术，即在不造成管道人为损害的前提下，对管道中存在的缺陷和问题进行检测和分析。而当前许多管道的检测距离较长，沿线障碍物众多，想要单纯的依靠宏观目视检测基本不可能，在这种情况下，就需要一种能够实现长距离大范围检测的无损检测方法来保证管道检测的
效果。
1 超声导波技术概述
超声导波技术，是一种运用低频扭曲波或者纵波进行缺陷检测的技术，可以实现对管道的长距离检测，不需要开挖就可以明确地埋管道的实际状态。超声导波产生机理与薄板中兰姆波机理类似，主要是在受限空间中，经往复反射并产生复杂叠加干涉和几何弥散形成。在管道检测中，导波对于单个缺陷的检出灵敏度并不算很高，不会其可以在传输较长的距离而不会出现严重衰减，配合固定脉冲回波阵列，就可以实现大范围检测，在管道内外壁腐蚀和焊缝缺陷检测中有着良好的适用性。尤其是低频导波长距离超声检测，可以实现管道内外壁腐蚀状况的同步检测，也可以及时发现管道断面中存在的平面状缺陷[1]。
结合超声导波技术进行管道缺陷检测，需要先在管道周边均匀安装传感器环，利用传感器环发出超声脉冲，使得脉冲能够遍布管道的圆周方向，囊括整个管壁厚度，沿管道向远处传播。而当超声脉冲传播时，如果管道壁存在腐蚀或者其他原因造成的缺陷，就会产生反射信号传感器阵列在接收到反射信号后，会根据缺陷波形对信号进行转换，从而识别出管道的外形特征和金属缺损。
2 超声导波在管道中的传播特性
波动衰减与其自身频率密切相关，频率越高，衰减越严重。而无论是体波还是导波，衰减的方式完全一致，无外乎吸收和散射，而在管道中，部分声波能量可能通过管道内壁挥着外壁泄漏。尤其是在运输介质的管道或者附带有黏性包覆层的管道，超声导波的能量衰减速度非常快。
在介质中，导波的传播如果遭遇裂纹、孔洞等缺陷，就会出现模式转换或者散射问题。在不同介质的分界处，声阻差决定了声波能量反射值，两者成正比关系。同时，如果波的传播速度出现变化，会引发折射和反射问题[2]。
管道中的导波在遇到几何形状变化或者不连续时，会出现传播速度的改变。例如，当管道焊接位置存在缺陷时，会导致回波信号的理想性变差。在经过弯管后，于圆周方向，导波会出现明显声场变化，如果管道本身壁厚均匀性差，会造成导波的衰减、散射或者波形变换，影响回波信号的检出灵敏度。传输在管道内的介质会吸收部分声波能量，导致声波衰减，影响实际检测距离。因此，在运用超声导波技术对管道缺陷进行检测时，应该对所有可能存在的影响因素进行全面分析，保证检测结果真实可靠。
3 管道超声导波检测实验
3.1 实验装置
在实验中，管道缺陷检测系统包括了计算机、电源、传感器、主机以及通讯电缆等。传感器需要设置在管道周边，形成并列等间隔传感器阵列，根据管道直径和导波模态确定传感器的数量。实际检测环节，需要利用压缩空气来驱动卡环，保证传感器与管道表面的可靠接触；如果需要采用低频超声，只需要对管道表面进行清理而不需用到耦合剂。无论是探头卡环的安置，还是后续的调整，都应该将时间控制在20min以内[3]。
3.2 现场实验
选择普通低碳钢管作为实验管材，不设置包覆层，不过表面喷涂有防腐防锈漆层。实验管道外直径为203mm，壁厚7.1mm，全长24.65m。在距离管道端部0.45m的位置，设置传感器阵列，对安装位置的管道外表面进行清理，确保其与管道表面接触良好。从方便数据分析的角度，将激励导波原点设置在传感器环中心位置，管道上人为设置弯曲、焊缝和凹槽等缺陷。以轴对称纵向L（0，2）模态及扭转T（0，1）模态超声导波对管道缺陷进行检测，分析导波在遇到法兰、焊缝、凹槽等缺陷时的能量衰减及反射情况。
3.3 结果分析
在距离-幅值曲线（DAC曲线）中，设置有4条曲线，将法兰信号反射幅度设置为100%（0dB），焊缝反射幅度20%（-14dB），由此确定导波信号衰减率。-26dB为报告水平线，与9%横截面蚀失缺陷响应当量对应；-32dB可以对信噪比进行检验，也可以对小缺陷灵敏度进行限定，与3%管壁减薄对应[4]。
结合相应实验结果分析，DAC曲线在12-14m位置存在信号异常，不过异常信号相似，无法有效区分。检测到的焊缝信号在幅值上虽然都超过了-26dB警戒线，但是卻没有能够达到-14dB的焊缝水平线。22m后，可以从模态上对信号类型进行区分，不过信号幅值较弱，表明导波穿越的焊缝不止一个，能量衰减严重。而在扭转导波试验中，DAC曲线包含6个周期，能够清楚的看到每一条焊缝的反射回波，也可以检出12.25m和13.85m的缺陷。在传播距离达到20m后，扭转导波的能量衰减严重，之后的信号与背景噪声混杂，无法为缺陷分析提供有效支持。
对照理论分析，实验结果可靠。不同模态导波在连续通过焊缝、能量衰减严重的情况下，同样可以对大部分焊缝及缺陷进行检测和准确定位，表明在管道中，超声导波的传播距离较长，不过经过焊缝时能量会大大衰减。而对照不同模态导波的DAC曲线，纵向导波DAC曲线的波形更加复杂，在检测图中存在叠加现象，有大量振荡波存在。在相同截面中，短深腐蚀区域相比较宽浅腐蚀区域产生的回波信号更大[5]。
4 结论
在管道运输中，受各种因素的影响，容易出现各种各样的缺陷和问题，如腐蚀、锈蚀、扭曲、凹陷等，影响管道的运行安全，需要管道管理部门的重视。超声导波技术是管道无损检测技术的一种，可以在不接触管道的情况下完成检测工作，检修效率高且成本低廉，还可以对管壁整个厚度进行检测，在高架管道、海底管道等的检测中有着良好的适用性。在实际应用环节，超声导波的模态不同，在管道中的传播距离和衰减率各不相同，对于缺陷的识别能力也有所差异，需要技术人员根据管道的长度以及缺陷的类型和性质，对导波的模态和频率进行选择，确保检测结果的准确性。
参考文献
[1]张艳红.基于超声导波技术的电厂炉外管道缺陷检测[C]//中国钢铁年会，2013.
[2]孙立瑛.超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用[J].天津城建大学学报，2011，17（3）：216-220.
[3]石小何，井然，严有琪.超声导波检测管道缺陷的试验研究[J].化工装备技术，2014，35（1）：58-60.
[4]姜秀娟.管道焊区裂纹缺陷的超声导波检测研究[D].北京：华北电力大学，2010.
[5]赵洪波，黄长辉，刘文斌.管道中面积型缺陷超声导波检测技术运用研究[J].科技信息，2012（23）：131.
关键词 管道缺陷；检测；评价；超声导波技术；实践
中图分类号 TH878 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0205-01
对于市政给排水管道、天然气管道以及长距离油气管道的检测，从安全性考虑，一般都要求无损检测技术，即在不造成管道人为损害的前提下，对管道中存在的缺陷和问题进行检测和分析。而当前许多管道的检测距离较长，沿线障碍物众多，想要单纯的依靠宏观目视检测基本不可能，在这种情况下，就需要一种能够实现长距离大范围检测的无损检测方法来保证管道检测的
效果。
1 超声导波技术概述
超声导波技术，是一种运用低频扭曲波或者纵波进行缺陷检测的技术，可以实现对管道的长距离检测，不需要开挖就可以明确地埋管道的实际状态。超声导波产生机理与薄板中兰姆波机理类似，主要是在受限空间中，经往复反射并产生复杂叠加干涉和几何弥散形成。在管道检测中，导波对于单个缺陷的检出灵敏度并不算很高，不会其可以在传输较长的距离而不会出现严重衰减，配合固定脉冲回波阵列，就可以实现大范围检测，在管道内外壁腐蚀和焊缝缺陷检测中有着良好的适用性。尤其是低频导波长距离超声检测，可以实现管道内外壁腐蚀状况的同步检测，也可以及时发现管道断面中存在的平面状缺陷[1]。
结合超声导波技术进行管道缺陷检测，需要先在管道周边均匀安装传感器环，利用传感器环发出超声脉冲，使得脉冲能够遍布管道的圆周方向，囊括整个管壁厚度，沿管道向远处传播。而当超声脉冲传播时，如果管道壁存在腐蚀或者其他原因造成的缺陷，就会产生反射信号传感器阵列在接收到反射信号后，会根据缺陷波形对信号进行转换，从而识别出管道的外形特征和金属缺损。
2 超声导波在管道中的传播特性
波动衰减与其自身频率密切相关，频率越高，衰减越严重。而无论是体波还是导波，衰减的方式完全一致，无外乎吸收和散射，而在管道中，部分声波能量可能通过管道内壁挥着外壁泄漏。尤其是在运输介质的管道或者附带有黏性包覆层的管道，超声导波的能量衰减速度非常快。
在介质中，导波的传播如果遭遇裂纹、孔洞等缺陷，就会出现模式转换或者散射问题。在不同介质的分界处，声阻差决定了声波能量反射值，两者成正比关系。同时，如果波的传播速度出现变化，会引发折射和反射问题[2]。
管道中的导波在遇到几何形状变化或者不连续时，会出现传播速度的改变。例如，当管道焊接位置存在缺陷时，会导致回波信号的理想性变差。在经过弯管后，于圆周方向，导波会出现明显声场变化，如果管道本身壁厚均匀性差，会造成导波的衰减、散射或者波形变换，影响回波信号的检出灵敏度。传输在管道内的介质会吸收部分声波能量，导致声波衰减，影响实际检测距离。因此，在运用超声导波技术对管道缺陷进行检测时，应该对所有可能存在的影响因素进行全面分析，保证检测结果真实可靠。
3 管道超声导波检测实验
3.1 实验装置
在实验中，管道缺陷检测系统包括了计算机、电源、传感器、主机以及通讯电缆等。传感器需要设置在管道周边，形成并列等间隔传感器阵列，根据管道直径和导波模态确定传感器的数量。实际检测环节，需要利用压缩空气来驱动卡环，保证传感器与管道表面的可靠接触；如果需要采用低频超声，只需要对管道表面进行清理而不需用到耦合剂。无论是探头卡环的安置，还是后续的调整，都应该将时间控制在20min以内[3]。
3.2 现场实验
选择普通低碳钢管作为实验管材，不设置包覆层，不过表面喷涂有防腐防锈漆层。实验管道外直径为203mm，壁厚7.1mm，全长24.65m。在距离管道端部0.45m的位置，设置传感器阵列，对安装位置的管道外表面进行清理，确保其与管道表面接触良好。从方便数据分析的角度，将激励导波原点设置在传感器环中心位置，管道上人为设置弯曲、焊缝和凹槽等缺陷。以轴对称纵向L（0，2）模态及扭转T（0，1）模态超声导波对管道缺陷进行检测，分析导波在遇到法兰、焊缝、凹槽等缺陷时的能量衰减及反射情况。
3.3 结果分析
在距离-幅值曲线（DAC曲线）中，设置有4条曲线，将法兰信号反射幅度设置为100%（0dB），焊缝反射幅度20%（-14dB），由此确定导波信号衰减率。-26dB为报告水平线，与9%横截面蚀失缺陷响应当量对应；-32dB可以对信噪比进行检验，也可以对小缺陷灵敏度进行限定，与3%管壁减薄对应[4]。
结合相应实验结果分析，DAC曲线在12-14m位置存在信号异常，不过异常信号相似，无法有效区分。检测到的焊缝信号在幅值上虽然都超过了-26dB警戒线，但是卻没有能够达到-14dB的焊缝水平线。22m后，可以从模态上对信号类型进行区分，不过信号幅值较弱，表明导波穿越的焊缝不止一个，能量衰减严重。而在扭转导波试验中，DAC曲线包含6个周期，能够清楚的看到每一条焊缝的反射回波，也可以检出12.25m和13.85m的缺陷。在传播距离达到20m后，扭转导波的能量衰减严重，之后的信号与背景噪声混杂，无法为缺陷分析提供有效支持。
对照理论分析，实验结果可靠。不同模态导波在连续通过焊缝、能量衰减严重的情况下，同样可以对大部分焊缝及缺陷进行检测和准确定位，表明在管道中，超声导波的传播距离较长，不过经过焊缝时能量会大大衰减。而对照不同模态导波的DAC曲线，纵向导波DAC曲线的波形更加复杂，在检测图中存在叠加现象，有大量振荡波存在。在相同截面中，短深腐蚀区域相比较宽浅腐蚀区域产生的回波信号更大[5]。
4 结论
在管道运输中，受各种因素的影响，容易出现各种各样的缺陷和问题，如腐蚀、锈蚀、扭曲、凹陷等，影响管道的运行安全，需要管道管理部门的重视。超声导波技术是管道无损检测技术的一种，可以在不接触管道的情况下完成检测工作，检修效率高且成本低廉，还可以对管壁整个厚度进行检测，在高架管道、海底管道等的检测中有着良好的适用性。在实际应用环节，超声导波的模态不同，在管道中的传播距离和衰减率各不相同，对于缺陷的识别能力也有所差异，需要技术人员根据管道的长度以及缺陷的类型和性质，对导波的模态和频率进行选择，确保检测结果的准确性。
参考文献
[1]张艳红.基于超声导波技术的电厂炉外管道缺陷检测[C]//中国钢铁年会，2013.
[2]孙立瑛.超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用[J].天津城建大学学报，2011，17（3）：216-220.
[3]石小何，井然，严有琪.超声导波检测管道缺陷的试验研究[J].化工装备技术，2014，35（1）：58-60.
[4]姜秀娟.管道焊区裂纹缺陷的超声导波检测研究[D].北京：华北电力大学，2010.
[5]赵洪波，黄长辉，刘文斌.管道中面积型缺陷超声导波检测技术运用研究[J].科技信息，2012（23）：131.