Posted on 2019年6月2日

计算机控制的超声导波技术在石油管道腐蚀检测中的应用

   简述了计算机控制的超声导波检测技术在管道腐蚀缺陷检测中的重意义。介绍了计算机控制的超声导波系统的组成、导波的产生机理、检测的基本原理、模态的选取、缺陷识别、定位技术和现场检测应用效果等,最后讨论了超声导波检测技术的发展方向。 
  Abstract Summarize the significance of computer control ultrasonic guided waves technique to the detection of oil pipeline erosion defects.Introduces the components of computer control ultrasonic guided wave, the generation mechanism of guided wave, the basic principle of testing, guided wave modes selection, defect recognition,the application effect of positioning technologies and field detection. Finally discuss the future direction of ultrasonic guided wave detection technology. 
  关键词 计算机技术;石油管道;超声导波;腐蚀缺陷 
  Key words computer technology;oil pipeline;ultrasonic guided wave;erosion defects 
  中图分类号TE988.2 文献标识码A 文章编号16-4311(213)27-22-3
   引言 
  目前,我国的石油天然气输送主通过管道完成。据不完全统计,我国的石油天然气管道已达到了八万多公里,而且还在快速建设。随着使用年限的增加,管道腐蚀的因素增多,腐蚀进一步加剧,加之人为因素的影响,以及自然不可抗拒因素的破坏,管道安全运输面临严峻的考验,严重时可能引发管道安全事故。管道安全事故的发生,不仅污染生态环境,危害人的生命财产安全,也会使国家财产受到损失。因此管道的安全检测技术备受全球关注。为保证管道稳定运行,我国求定期检测在役长输管道的运行情况,服务年限越久的管道越重点检测。就现阶段国内油气管道的服务年限来看,大部分管道的服务年限均已超过规定年限的一半以上,这些管道抵御人为或不可抗力因素破坏的能力已逐渐衰退,爆管或管道腐蚀穿孔等事故发生的概率越来越高,对管道的安全检测评价已引起管道管理部门的重视1。 
  我国对长输管道腐蚀缺陷的外检测通常采用射线、超声、涡流等技术,这些检测技术应用范围有限,对于加设防腐层和保温层的管道,埋地或穿越难以接近的管道难以施测。进行管道安全检测的过程中,为了全面掌握管道缺陷分布情况,高管道安全外检测结果的准确性,检测人员目前主通过计算机控制显示的超声导波技术对目标管道段施测。超声导波检测技术不需耦合剂,工作温度求在-4℃~18℃之间,测距长,灵敏度高,目前这种新型的管道安全检测技术备受业界关注。对超声导波检测应用技术的适用性进行分析论证,客观准确地评价运输管道的安全性能具有重大的现实意义。 
  1 超声导波技术 
  1.1 超声导波概念 超声导波是一种激发能沿有限形状的结构传播的机械弹性波,并被构件边界所约束、所导向,因而称为超声导波。超声导波有纵波、扭力波、变形波、兰母波、水平剪切波和表面波等多种模态形式,应用于管道的有纵波和扭力波两种模式由于扭力波只在固体中传播,所以扭力波是油气传输管道检测的最佳模态(由于纵波在固体与液体传播,所以对于液体传输管道来说,只能选择扭力波模式)。 
  1.2 管道超声导波检测基本原理 管道超声导波检测主是通过探头产生低频超声导波,导波沿管道传播来检测管道缺陷,管道维护人员根据观测仪接收的反射回波可对缺陷的程度、部位进行准确判断,但不能对管道实际残余壁厚及最小壁厚施测。 
  由图1可以看出,超声导波并非透过管道传播,管壁作为波导的向导,引导导波沿着纵向方传播下去。如管道内存在腐蚀现象,超声导波遇到被腐蚀的管壁横截面时,会将异常信号反馈至传感器的接收探头,再由仪器放大后显示。 
  缺陷的位置可参照回波显示的位置而定。图2导波在管道减薄区域的反射示图。 
  1.3 计算机控制的超声导波检测仪器系统 当前,全球拥有超声导波检测系统的机构主有四家,其中英国有两家,一家是导波公司的WAVEMAKER导波检测仪,另一家是TWI公司研发的TELETEST超声导波检测仪。除此之外,另外两家分别是以色列SONIC公司研制的ISONIC系列导波和美国西南研究院研制的MSS导波检测仪。英国和以色列所研发的导波设备是在压电晶片超声导波(LRUT)原理的基础上研发而来,属于典型的压电晶片的超声导波控制系统见图3,美国的MSS导波则是根据磁致伸缩导波原理研发而来,典型的磁致伸缩超声导波控制装置见图4。 
  1.4 导波检测模态的选取 管道检测时首先选择正确的导波模式,这对确保检测结果的准确性非常重。倘若导波模态不符合检测求,就无法充分发挥导波检测技术的优势。一般来说,激励源会产生所有的不超出其频率带宽范围的模式,信号接收比较复杂,以致无法进行科学的分析,但完全可借助特定的激励办法对模式单一的导波进行激励。扭转模式与纵向模式是管道检测的常用方法。英国帝国理工大学3研发了一种新型管道检测技术,能够将扭转波与纵振波原理有机整合。长输管道通常 采用扭转波检测模式。图5中,T(,1)模态是当前管道检测应用频率较高的导波检测模态。这是由于L(,2)模态的导波频率在7kHz时群速度最大,但是一般不会出现较严重的频散;T(,1)模态导波在2kHz处群速度最大,其它模态信号不易干扰其运行状态。
  1.5 缺陷信号识别和定位 现阶段,业界主应用希尔波特变换、小波变换、时频分析和傅立叶变换等几种方式来处理导波信号。但是导波信号处理并非单独的频域、时域或时频的分析,而是三者之间相互融合,其中通过两者相融合的办法来处理导波信号应用频率相当高。具体操作时,先对管道裂缝或管道缺陷进行准确定位,可通过时域分析对回波信号的初始相位进行观测来完成。获得所有波包的频谱信息仅通过频域分析是无法完成的。导波检测信号属于非平稳信号,能够与时间产生关联,运用时频分析能够使这一问题得以解决。当前,导波检测反射率是基于时域波形中的振幅,但是信号所代表的能量信息无法通过振幅客观的反映出来。而频谱的反射系数恰好能通过时频分析反映出来。图6运用对比分析法对有缺陷管道与无缺陷管道的小波变换情况进行了综合分析。 
  缺陷定位技术是对缺陷轴向与周向的位置进行确定4。激励某一模态的声波,当沿轴向传播的导波遇到管道环截面局部减少时,对反射回来的模态导波进行观测便可准确定位轴向位置;周向定位就是通过局部缺陷引起管道四个象限的表面质点的不同振动来判断的,因此通过增加象限数量,便可以高周向定位精度。目前新型的缺陷定位技术—聚焦技术,利用相控阵技术将主能量集中在某一个象限,利用聚集的能量进行缺陷的准确定位5。 
  1.6 超声导波检测灵敏度 超声导波的灵敏度指的是管道腐蚀或裂纹占管道总横截面积损失量的百分比。通常在实验室情况下,检测灵敏度最高可以达到.7%;实地检测可靠检测灵敏度为2%~5%。现场检测灵敏度时,施测管道的尺寸、有无包覆防腐层等,都可能影响检测结果。 
  2 导波技术在管道腐蚀检测中的应用 
  通过MsSR 33导波设备实地检测?准219×6、用2#钢制作的、服务年限达到五年、5.598Km长的埋地输油管道。管道内无防腐层保护,外防腐保温为2道H6-4型环氧富锌底漆、3道HS52型环氧煤沥青面漆+3mm聚氨酯泡沫+2.mm聚乙烯层夹克层+强制电流区域性阴极保护。检测人员从整条管道上取16个6m×2m的检测坑。检测时,需人工剥除检测坑内六米长的管道防腐层,以确保施测结果客观、准确。部分防腐层附着在管壁难以剥除,可用装有砂轮纸或钢丝刷的打磨机将管段打磨干净,直至其显出金属本色。图7~9、表1为导波检测管道的测厚验证数据图。 
  实地检测了埋地管路后,导波可以对管道腐蚀部位进行准确定位,并借助超声波测厚仪进行验证,以说明有信号的位置管壁厚度有所减小。由上述分析得知,在与导波探头反向.4m处和1.2m处回波异常,这两处均在6点钟方向管壁厚度分别为4.62mm和4.78mm,而原壁厚为6mm,这表明这两处管壁厚度减小。 
  3 导波在使用中的局限性 
  ①防腐层会影响导波检测的准确度,因此导波检测埋地管道前,先彻底清除附着于管道壁上的防腐层; 
  ②导波检测时,必须准确定位探头位置。所选探头位置的管道壁必须无缺陷,否则会干扰导波检测结果,使导波信号波无法真实反映管道缺陷,甚至出现漏检或误判。图1为管道连续均匀缺陷,若在此处设置探头,管壁的几何变化不明显,使导波无法产生回波信号,因此很难通过导波检测出此处的管道缺陷。 
  ③环焊缝也是影响导波检测结果的一个主因素。每通过一个环焊缝导波能量就会随之衰减,焊缝后面的缺陷信号就会很弱,因此小缺陷可能无法通过导波检测出来。 
  ④螺旋焊缝会削弱导波传导的能量,进而影响导波检测结果。因此导波无法准确反映出螺旋焊缝管的缺陷。 
  ⑤导波检测可以对缺陷的轴向位置进行准确定位,但无法检测缺陷周向的位置,配备超声测厚仪可对缺陷的程度、位置进行定位。 
  4 结论 
  超声导波是一种新型的管道检测技术,其实际应用还处于试用阶段。这项技术在反应速度与扫查范围等方面处于行业领先地位,特别是对采油平台立管或穿越式的管道检测更有其独特的优势。目前服役管道检测评价中,采用导波技术检测开挖部分,对导致压力管道横截面积金属损失量超过2%的腐蚀具有较好的检测效果,不适用与应力腐蚀与腐蚀疲劳等缺陷的检测,但是可以对局部腐蚀的程度和具体位置进行准确定位。外界环境和管道构造决定了导波检测测距的长短。该技术对施测人员的专业水准和行业经验有严格的求,相关部门应该加强这方面的研究工作,才能更好地促进该技术的推广应用。 
  参考文献 
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