基于磁致伸缩超声导波技术的管道局部腐蚀检测研究--《石油化工设备》2015年06期
基于磁致伸缩超声导波技术的管道局部腐蚀检测研究
【摘要】：近年来,国内管道腐蚀失效的事故频繁发生,而有关地下铺设、地面架空以及高温在线等特殊工况下压力管道局部腐蚀的检测尚无相应的检测规范和成熟方法。介绍了磁致伸缩超声导波检测技术的检测原理和主要影响因素。为了研究磁致伸缩超声导波技术在管道局部腐蚀检测中的可靠性和准确性,以磁致伸缩导波检测技术理论为基础,对制作有不同缺陷类型的2种样管进行了导波检测试验。检测试验结果表明,磁致伸缩导波检测技术对压力管道局部腐蚀有较高的检出率和准确性。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TE988.2【正文快照】：
近年来,随着高硫、高酸原油的输送炼制,压力管道的腐蚀问题日益严重。腐蚀会直接造成设备损耗,引起腐蚀穿孔,严重时造成停工、停产或重大火灾事故,可能导致人身伤亡,给企业带来严重的经济损失和不良的社会影响。腐蚀的停产检测与在线监测一直是炼油与化工企业完整性管理中最重
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&一、检测原理：　　TTF 采用低频导波技术，操作频率刚好在可听频率以上，声波从固定在管道周围的探头环发射。这些低频（属超声波范畴）必须以适当的声波模式产生。该频率范围不需要液体进行耦合，采用机械或气体施加到探头的背面以保证探头与管道表面接触，从而达到超声波良好的耦合。管道环向的超声波探头均匀的间隔排列，使得声波以管道轴芯为对称传播。　　导波的传播主要被声波的频率和材料的厚度控制，在遇到管道壁厚发生变化的位置，无论增加或减少，一定比例能量被反射回到探头，因此为检测不连续性提供了机理。在这种情况下，管道的特征如环行焊缝、壁厚的增加在管道周向是对称的，因此上升的环向波峰被均匀的反射回来。而反射的声波也是对称的，由特优良的相同的声波模式作为入射波，在有腐蚀的区域，厚度的减少将被集中，导致入射声波的散射附加到反射并发生模式转换。因此组成的反射波模式加上模式转换组份。模式转换声波由于不统一的声源趋于产生管道弯曲波，该信号的出现是不连续的强烈显示，如腐蚀。TTF 能够检测和区分对称波和弯曲波，并且能显示这两种声波。被显示的反射作为提纯的信号，在幅度与距离的A扫描显示中，与常规的超声波显示相似，但是测量的时间基为几十米，而不是厘米。&A 扫描显示　　在A扫描的的信号被解释之前，DAC曲线被放到显示器上，随距离逐渐的衰减来自管道的环焊缝的信号，制作了真实的反射器，设置DAC曲线。根据经验，我们知道环焊缝（有正常的焊高）反射比管道的端部（即全反射）弱14dB（5的系数），此外，经验也给出了管道壁厚9%截面损失产生比环焊缝远小于12dB的信号，26dB水平线被作为评价信号的门槛。在A扫描上，有4个DAC曲线：0 dB 曲线：　　管道端部或法兰为近全反射，在试验室的单根长管上可以证实，可以被作为设置绝对参考灵敏度，该参考一般为0dB反射。如果显示在A扫描显示上，DAC曲线是黑色的曲线。-14 dB 曲线：　　现场的环焊缝典型地提供20%（-14dB）管道端部的当量反射率，同时从焊缝到焊缝有少量的变异，该前提在实践中没有很好的把握住。在A 扫描图上-14dB的DAC曲线是蓝色的线。-26 dB 曲线：　　管道壁厚截面损失的9%与管道端部反射率的5%（-26dB）相当，在A扫描的图上，该门槛水平是绿色的线，判为异常线。异常接近但没有超过-26dB曲线，一般被判定为小缺陷，超过-26dB曲线为中等曲线，大于-26dB线直到-14dB线为严重缺陷。-32 dB 曲线：　　&32dB 曲线为有效的测试范围的决定因素，该因素使得可重复的异常有一个6dB的或更好的信噪比。为了有效的解释测试数据以及对于小异常充当测试范围和灵敏度，知道信噪水平是必要的。&二、报告　　TTF 的操作者为解释目的，使用A扫描显示。对于一般的服务工作，客户得到的仅仅是由TTF 软件生成的报告。为在报告中记录信号，操作者简单的使用屏幕的箭头在A扫描图中选择有关的信号即可。程序自动的测量信号的峰值，作为在-14dB DAC曲线的上或下的数值，从探头的中心线测量信号前沿距离。如果允许，可以从测量距离的已知基点，给定一个坐标偏移，要比从探头位置测量距离更好。TTF 的报告也包含关于测试的信息，该信息进入程序设置的&用户信息&页，例如管道识别号码测试位置和管径，图4 显示了报告的格式。这些报告通常由在每个测试点采集的几个处理数据文件的一个产生，所以报告可以利用不同的测试参数的其它的处理数据文件的观察结果，例如测试频率的范围。缺陷分级：　　对于检测到的异常可定性为&小的&&中的&&严重的&，同时从理想的缺陷的反射幅度和其尺寸之间，有单一的关系，如大缺陷产生大的反射，真实缺陷的对应关系非常复杂。因此大的缺陷好像有大的响应，反过来将不是必然的，因为缺陷的形状和取向也影响响应的幅度。　　-26dB 线是报告水平线，如果信号超过该线，对应的是一个理想的9%的区域缺陷响应当量。TTF 是一个扫描工具，因此响应的分级为&中的&&严重的&，在对它们的解释的选择中，对该区域的检测有更多的说明。&严重的&级别表示响应的幅度是可能的大缺陷；&小的&级别表示定义一个被观察的信号，但是没有超过报告水平线；记录这样的显示，对于某些应用，对检测到的这些小缺陷需要适当的监测，观察该区域是否随时间增长。对于&小的&指示为练习提供了有价值的基础。　　TTF 的信号解释要求充分理解影响试验输出的因素，和其它任何高级的新的测试方法一样，都需要解释结果的丰富经验，英国皮艾公司提供系统操作和结果解释培训。&&TTF长距离管道超声导波聚焦检测系统&　　TTF仪器应用低频导波技术，用于检验管道的腐蚀或冲蚀，能够100%覆盖管道壁厚。仪器在一个测试点可以沿着管道向两端发射低频超声导波，可以传播很长的距离，甚至在保温层下面传播，反射的回波由仪器接收，由此评价管道的腐蚀情况。该技术正在被广泛的接收为管道和管网评估的有效工具，尤其在对其实验检验很困难的或因实施检验的费用昂贵的场合，更易发挥其技术优势。&&&一、技术优势：　　&& 管道100%快速检测，覆盖管道所有检测区域；　　&& 高效检测，在同一位置可以检测几十米到上百米的距离，并可双向检测更长的距离；　　&& 检测灵敏度高，对管道内外腐蚀具有同样的灵敏度；　　&& 无法到达区域的检测，如套管、穿公路、过河等埋地管线、水下管线；　　&& 降低检测成本，除探头安装区域外，可不开挖、不拆保温层；　　&& 自动识别纵波和扭转波，可区分管道的腐蚀情况和管道的特征（焊缝、支撑、弯头、三通等）；　　&& 模块式探头，将探头组合到相应管径的膨胀圈上，高适用性和性价比，最大检测管径达72英寸；　　&& 高灵敏度、低噪音，定位准确；　　&& 与计算机高速通讯，能够进行实时的采集和快速自动特征分析，自动生成检测报告；　　&& 无需液体耦合，采用气泵给探头施加压力保证探头与管道充分接触。&二、技术参数：　　&& 检测管道类型：无缝管、纵缝管、螺旋焊管等。　　&& 管道情况：埋藏管道、水下管道、高架管道、带有套管的管道、垂直水平管道、岩棉保温层、环氧树脂层、沥青环氧树脂涂层、PVC涂层、油漆涂层等。　　&& 管道直径：2-48&为商业化型号，48-72&可定做。　　&& 使用温度范围：5-160℃。　　&& 缺陷定位类型：外部腐蚀、内部腐蚀或冲蚀、环向裂纹、焊缝错边、焊接缺陷、疲劳裂纹。　　&& 最高精度：管道横截面积的1%，增加导波聚焦功能，最高精度可达0.5%。　　&& 可靠精度：管道横截面积的3%。　　&& 定位精度：&10cm。　　&& 检测距离：理想状况&180米。&三、TTF设备组成：1、TTF长距离超声波检测主机　　主机为新设计的24通道多模式的系统，是在以前的性能优良的12通道的基础上改进型号，与12通道具有相同的操作方式，但是其能力却增加了50%以上，为更大的检测距离和更高的精度提供强大的电压。　　该设备能够产生导波技术中使用三种主要的波形，纵向、扭转和弯曲波。同样被设计作为相控阵，使其超声声束聚焦到一点以提高缺陷的检测和鉴别能力。通过发射一个不对称的信号进入弯头，将以与直管相同的方式检验管道的弯头，超声波可以被聚焦到弯头的某一点上。2、电池供电 　　TTF系统的高能量输出意味着需要外接的电力系统，但是，对于流行的需求，英国皮艾公司已经研制使用电池块供电，使用时间可达8个小时，独特的技术确保了最小的尺寸和最轻的重量。典型充电时间为6小时，并且适合空运。<span style="color: #、膨胀圈 　　新型的膨胀圈比原来的要薄，重量是目前的25%，更加柔性，既可以平板放置，也可以卷成需要的圈放置。4、多模式模块 　　新设计的模块可以安装五个传感器，两个用于产生T波，三个用于产生L波。因此，使得在发射一个模式的同时可以接收相同或不同的模式，极大的增加了缺陷的检出率和减少伪陷的误判率。<span style="color: #、高温能力　　新设计的圈和模块使得使用温度可以高达160度，比原来的125度高很多。<span style="color: #、新软件 　　2.0版本的软件与新的硬件相匹配，当然也可以使用在现有的设备上，操作环境为Windows& 2000/XP ，并且能够进行实时的采集和快速地自动特征分析，尤其是适合于多频应用，还有自动报告生成功能，大大的提高检验效率。&&&&&四、TWI集团目前（05-06年）正在研究的方向1、增加导波方法，改善埋藏管道检验性能，总投资117万欧元　　1）改善导波方法，提供大量的异常数据并分析解释；　　2）引进新的波束聚焦技术，提高灵敏度和检验范围。2、开发相控阵与扫频技术，应用于评估管道腐蚀，总投资101万欧元　　1）增加导波试验方案（相控阵、多谱勒和扫频技术），并推广到应用现场；　　2）验证这些技术；　　3）使波的模式（接受/发射）和试验频率最优化；　　4）提高缺陷鉴别能力；　　5）应用导波适用于检验复杂的管网，如压缩站；　　6）提高导波方法，应用于检验沥青包裹和埋藏于严实的土壤中的管道。3、 开发下一代导波检测系统，投资56万欧元　　开发高性能的硬件，应用于检测铁路和扩大导波的在管道检验方面的应用范围。4、 采用压电晶体产生弹性波&小结构的诊断，投资300万欧元。基于压电产生的波的传播特点，开发新的结构诊断环境。　　1）研究长距离波产生技术，基于先进的低频压电探头　　2）研究新的信号处理系统，确定缺陷位置和影响弹性波传播强度的因素等。5、 应用导波断层技术，在不倒空罐的情况下，检验大型石油和化工储罐，总投资200万欧元　　开发导波（UGW）技术，沿着油罐底板发射低频超声波，该技术目前处于&幼年&阶段，将应用于检验直径大于100米的油罐底板的腐蚀和缺陷。6、 开发检验系统，应用于检验埋藏于水泥、水下或有防腐层的金属管道，总投资200万欧元　　开发超声波导波技术，增加测试范围，在一个测试点达到检验100米的埋藏管道7、开发导波检测技术，应用于海洋平台结构的监测，投资290万欧元　　1）开发监测疲劳裂纹技术，从一个100米远的检验点，使检验精度达到截面积的1%。　　2）通过改善信噪比、探头设计、波的模式选择和信号滤波，将检测范围从10米增加到100米。　　3）通过使用多谱勒波和频扫技术，改善裂纹鉴别能力。　　4）增加在&粘&的防腐层和水泥下的管道的测试距离，使用低频和扭转波代替纵向波。&&&Perm-A-MountTM远距离检测装置&?& 检测设备的局限性驱使一款新的永久性安装前置检测工具的产生，这个工具被称为Perm-A-MountTM远距离检测装置。这种装置由一个可直接放置在管道表面的传感器阵列组成。这种装置具有所有导波远距离检测的优势，并且不用考虑被检材料表面的情况。&应用：?&&这项技术主要应用于以下检测：?&&☆ 埋地或者埋入河道的管道?&&☆ 高架管线?&&☆ 绝缘管线?&&☆ 近海梯级竖板?&&☆ 埋地管线?&&☆ 海底管线（进一步的开发）?&&这个装置由英国焊接研究所公司的表面腐蚀部门研发，并且通过测试，此装置不会成为管道系统中的新腐蚀源。?&&检测的探头通过一个外部连接盒连接在远距离检测装置上，这个外部连接盒可以安装在距离探头20米的地方。此远距离检测装置的检测数据的采集执行起来非常方便，并且可以由CSWIP培训的检测人员进行远距离操作。&&优点：?&&☆ 点击三个鼠标按钮即可对检测的信号进行自动采集。?&&&&&经过CSWIP培训的检测人员可以在现场对检测信号进行分析，也对信号进行远程分析。?&&☆ 低成本?&&☆ 多种波形显示形式：传感器的阵列极大的优化了管道直径，壁厚以及容量的检测能力。?&&☆ 极好的数据稳定性和重复性?&&&&&在管道检测中，高速重复传递传感器的信号的过程中可以允许检测的环境有微小的变化。?&&☆ 使用温度范围广?&&&&&Perm-A-Mount远距离检测装置的温度适用范围为：-40&C～+125&C。?&&☆ 被检管道的尺寸范围：2～36（美国机械工程师协会制定）?&&☆ 每个检测装置都有单独的唯一的序列号?&&☆ 提升了检测的能力?&&&&&扫描的覆盖范围提高了分析能力和检测能力?&&☆ 便携：此检测工具仅有15mm 厚、150mm 长。?&&☆ 仪器的高性能?&&&&&经过410万次疲劳测试，此检测工具的性能并没有下降。?&&☆ 适用于任何检测环境?&&&&&经过盐水喷雾试验，检测信号没有减弱。?&&Perm-A-Mount是一款价格低廉，使用寿命长的装置，它可用于处于恶劣环境、危及人生安全或者难以接近被检材料等情况下的管道系统的定期检测。&&&&&
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