超聲導波檢測技術原理

2024年3月7日發(作者：甘之如飴造句)

超聲導波檢測技術

超聲導波（Ultrasonic Guided Wave）檢測技術利用低頻扭曲波（Torsinal Wave）或縱波（Longitudinal

Wave）可對管路、管道進行長距離檢測，包括對于地下埋管不開挖狀態下的長距離檢測。

超聲導波（也稱為制導波）的產生機理與薄板中的蘭姆波激勵機理相類似，也是由于在空間有限的介質內多次往復反射并進一步產生復雜的疊加干涉以及幾何彌散形成的。但是對于管道檢測，在一般管壁厚度下要產生適當的波型，則需要使用比通常超聲波探傷低得多的頻率，導波通常使用的頻率f＜100KHz，因此導波對單個缺陷的檢出靈敏度與通常使用頻率在MHz級別的超聲檢測相比是比較低的，但是導波檢測的優點是能傳播20~30米長距離而衰減很小，因此可在一個位置固定脈沖回波陣列就可做大范圍的檢測，特別適合于檢測在役管道的內外壁腐蝕以及焊縫的危險性缺陷。低頻導波長距離超聲檢測法用于管道在役狀態的快速檢測，內外壁腐蝕可一次探測到，也能檢出管子斷面的平面狀缺陷。

超聲導波應用的主要波型包括-扭曲波（Torsinal Wave，也簡稱為扭波）和縱波（Longitudinal Wave）。

扭曲波的特點是能夠一邊沿管子周向振動，一邊沿管子軸向傳播，聲能受管道內部液體影響較小（在導波檢測時，液體在管道中流動是允許的），回波信號能包含管軸方向的缺陷信息，通常能得到清晰的回波信號，信號識別較容易，在應用中需要換能器數量少，重量輕、費用省、因管內液體介質而產生的擴散效應較小，波型轉換較少，檢測距離較長，對軸向缺陷靈敏度高。

縱波特點是一邊沿管子軸向振動，一邊沿管子軸向傳播，回波幅度與缺陷性狀關系不大，回波信號不如扭波清晰，因為受管內流體流動的影響，也受探頭接觸面的表面狀態影響較大（油漆、凹凸等）受被測管內液體介質流動的影響很大。

超聲導波檢測裝置主要由固定在管子上的探傷套環（探頭矩陣）、檢測裝置本體（低頻超聲探傷儀）和用于控制和數據采樣的計算機三部分組成。

探頭套環由一組并列的等間隔的環能器陣列組成，組成陣列的換能器數量取決于管徑大小和使用波型，換能器陣列繞管子周向布置。

探傷套環的結構按管道尺寸采用不同節環-可以是一分為二，用螺絲固定以便于裝拆（多用于直徑較小的管道），或者充氣式環（柔性探頭套環），靠空氣壓力緊套在管子上（多用于直徑較大的管道）。接觸探頭套環的管子表面需要進行清理但無須耦合劑，亦即除安放探頭環的位置外，無需在清除和復原大面積包覆層或涂層上花費功夫，這也是超聲導波檢測的優點之一。超聲導波探頭套環上的探

頭矩陣架在一個探測位置，就可向套環兩側遠距離發射和接收100KHz以下的回波信號，從而可對探頭環兩側各20~30米的長距離進行全面檢測，可對整個管壁作100%檢測，可檢測難以接近的區域，如有管夾、支座、套環的管段，也可檢測埋藏在地下的暗管，以及交叉路面下或橋梁下的管道等，因而減少因接近管道進行檢測所需要的各項費用

常規做法是在經過表面清理的管道外表面逐點逐點地進行超聲測厚、抽檢，而超聲導波檢測（又稱長距離超聲遙探法）讓聲波從一個探頭環位置發射，沿管壁內外向遠處傳播，就能覆蓋長距離的管壁，在一定范圍內100%檢測管壁，從而對安全、經濟具有重大價值，目前已經廣泛應用于直徑50~1200mm的管道現場檢測。

超聲導波檢測的工作原理：探頭陣列發出一束超聲能量脈沖，此脈沖充斥整個圓周方向和整個管壁厚度，向遠處傳播，導波傳輸過程中遇到缺陷時,缺陷在徑向截面上有一定的面積,導波會在缺陷處返回一定比例的反射波,因此可由同一探頭陣列檢出返回信號-反射波來發現和判斷缺陷的大小。管壁厚度中的任何變化，無論內壁或外壁，都會產生反射信號，被探頭陣列接收到，因此可以檢出管子內外壁由腐蝕或侵蝕引起的金屬缺損（缺陷），根據缺陷產生的附加波型轉換信號，可以把金屬缺損與管子外形特征（如焊縫輪廓等）識別開來。

導波的檢測靈敏度用管道環狀截面上的金屬缺損面積的百分比評價（測得的量值為管子斷面積的百分比），導波設備和計算機結合生成的圖像可供專業人員分析和判斷

超聲導波檢測得到的回波信號基本上是脈沖回波型，有軸對稱和非軸對稱信號兩種，檢測中以法蘭、焊縫回波做基準，根據回波幅度、距離、識別是法蘭或管壁橫截面缺損率的缺陷評價門限等以及軸對稱和非軸對稱信號幅度之比可以評價管壁減薄程度，能提供有關反射體位置和近似尺寸的信息，確定管道腐蝕的周向和軸向位置，目前超聲導波檢測靈敏度可達到截面缺損率3%以上，即一般能檢出占管壁截面3~9%以上的缺陷區以及內外壁缺陷。

缺陷的檢出和定位借助計算機軟件程序顯示和記錄，減少操作判斷的依賴性（避免了操作者技能對檢測結果的影響），能提供重復性高、可靠的檢測結果。

應當注意超聲導波檢測不提供壁厚的直接量值，但對任何管壁深度和環向寬度范圍內的金屬缺損都較敏感，在一定程度上能測知缺陷的軸向長度，這是因為沿管壁傳播的圓周導波會在每一點與環狀截面相互作用，對截面的減小比較靈敏。

超聲導波檢測的局限性：

需要通過實驗選擇最佳頻率，需要采用模擬管壁減薄的對比試樣管；（據目前最新技術資料介紹，采用掃頻技術，即在設定頻率范圍內進行全頻掃查，通過比較后確定最合適的實驗頻率，可以大大提高缺陷的檢出率）；

因為在檢測中是以法蘭、焊縫回波做基準，因此受焊縫余高（焊縫橫截面）不均勻而影響評價的準確程度；

多重缺陷會產生疊加效應；

對于外壁帶有涂防銹油的防腐包覆帶或澆有瀝青層等的管道，超聲導波可檢范圍將明顯縮短，這是因為防腐帶（層）能引起導波有較大的衰減；

導波通過彎頭后使回波信號的檢出靈敏度和分辨力受到影響，因為導波在圓周方向聲程發生變化或者由于壁厚有變化而發生散射、波型轉換和衰減，因此在一次檢測距離段不宜有過多彎頭；

對于有多種形貌特征的管段，例如在較短的區段有多個T字頭，就不可能進行可靠的檢驗；

最小可檢缺陷、檢測范圍隨管子狀態而異，對于有嚴重腐蝕的管道，檢測的長度范圍有限；

導波檢測數據的解釋要由訓練有素、特別是對復雜幾何形狀的管道系統有豐富經驗的技術人員來進行。

因此，最好把超聲導波檢測用作識別懷疑區的快速檢測手段，對檢出缺陷的定量只是近似的，因此在有可能的條件下還應采用更精確但速度較慢的NDT方法進行補充評價確認。亦即采用兩步法：先用導波快速檢測管子，發現腐蝕減薄區，然后用普通直探頭縱波法進行定量測定，取決于需要的精度以及壁厚減薄的局部性或普遍性，也可直接用導波遙控法定量測定壁厚。

對管道進行超聲導波檢測的缺陷圓周方向位置定位是以象限劃分的，過去以四象限，目前最新采用的聚焦技術能夠選擇性地對重點區域進行進一步檢測，已能達到8~16象限，從而更明確缺陷在管道環向上的分布，采用聚焦技術更有利于確定缺陷的尺寸和形狀。

不同的超聲波模式（導波技術中使用的三種主要波型為縱向波、扭轉波和彎曲波）對管道的腐蝕缺陷特征有不同的靈敏度，因此新發展的超聲導波技術采用多模式（多探頭模塊）檢測，即同時進行例如縱向波和扭轉波操作，可以收集到被檢測管道更全面的信息而不致發生漏檢。

對于長距離管道超聲導波檢測，每次可以檢測多長的管線，這要考慮超聲導波在管道中傳輸的距離，它取決于管道的表面狀況（例如是否為裸管、保溫層、防腐層以及埋地情況等）、管道的幾何形狀（分支、彎管、支撐和法蘭的情況）、管道中流通的介質（氣體、液體或固體），還有管道本身的腐蝕情況等，這些都會造成超聲波傳播的能量損失，減少其傳播距離。據目前最新技術資料介紹，在理想狀態下的單點雙向可以檢測到360米，典型情況下單點雙向可檢測60米。

長距離管道超聲導波檢測系統的檢測精度一般是指管道橫截面積的損失量，包括可達到精度（也稱檢測精度，但是是指可以部分檢出，不能達到100%檢出）和可靠精度（100%可以檢出），兩者是有重要區別的。

目前已見報道的關于超聲導波檢測技術應用的實例包括：帶有保溫層的氨水管道、埋地水管、無保溫層的輸送CO與H合成烴類的淤漿管道、石油化工廠的交叉管路、儲槽壩壁的管道、道路交叉口地下管道、天然氣管道、煉油廠火焰加熱器中的垂直管路、帶巖棉保溫介質和漆層的架空液化氣管道等。

超聲導波檢測的回波信號顯示示意圖

英國超聲導波儀 Wavemaker SE16及柔性探頭套環

目前制造超聲導波檢測裝置的廠家例如英國超聲導波應用公司（GUL Co.）的管道專用超聲導波檢測裝置（檢測頻率自動設定，電池工作），另外還有韓國MKC CHINA公司采用磁致伸縮傳感器(MsS)技術的MsSR-2020 AD 制導波檢驗系統（多用途）。

MsSR-2020 AD 制導波檢驗系統利用磁致伸縮換能器與相應儀器在鋼管中產生與探測用的低頻制導波(5~250 kHz)：

*高靈敏度(比正常狀態下發現缺陷提高2~3%)

*用于檢驗碳鋼和合金鋼管材可達40英寸直徑，壁厚可達1.5英寸

*可在高溫下工作（居里溫度在鋼中770℃，鎳中354℃，在管道系統檢驗中應用帶式線圈可達105℃）

*傳感器與被檢驗材料表面距離2英寸

*該技術是把一個帶式線圈傳感器圍繞在大的圓柱結構上，或者是用棒型探頭放置在平板構件上，通過線圈的電流脈沖使被檢驗構件中感應產生超聲波傳播，當超聲波遇到裂紋或缺陷時，部分信號反射并由傳感器拾取

*最適于長射程的球形構件檢驗和監視大型結構，儀器可容易地檢驗位于包括含水或彎曲的,或者埋入混凝土或地下的構件中的缺陷，例如輸氣管線，可從一個暴露端起檢驗100米。檢驗范圍取決于構件的形狀與埋入狀態，當用于檢驗熱交換器管時，可檢驗整個管長度，包括U形部分。平板金屬或埋藏在混凝土或地下的工字梁和H梁也可以使用棒型探頭進行檢驗。對于鋼纜，可檢驗100mm的鋼纜達100米

*也可以監視運送有毒或酸性介質的危險管道的腐蝕，它們常常是隱藏在絕緣材料下而難以接近，帶式傳感器或板型傳感器可以固定安裝在管道周圍并通過多路器連接到MsSR儀器上，可實時監視管道狀況

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MsSR-2020 AD 制導波檢驗系統

參考文獻：

[1] 《無損檢測》雜志2006年第2期：超聲導波檢測技術的研究進展（周正干 馮海偉）

[2] 《無損檢測》雜志2005年第3期：超聲導波在液化氣管道檢測中的應用（蔡國寧）

[3] 《無損探傷》雜志2004年第1期：埋管超聲導波長距離檢測新技術（李衍）

[4] 《無損探傷》雜志2002年第4期：管道長距離超聲導波檢測新技術的特性和應用（李衍 強天鵬）

[5] 韓國MKC CHINA公司產品資料