超声导波对不同类型管道腐蚀检测的适用性研究

　　1　前言

　　压力管道在使用中可能产生腐蚀、疲劳、蠕变、材质劣化等多种破坏形式,其中腐蚀破坏最具普遍性。尤其在炼油、化工等领域使用的压力管道,因其介质腐蚀性强,并且常伴有高温、高压力、磨损等恶劣的工况,腐蚀破坏的事故时有发生。因此加强压力管道腐蚀的检测,对保障连续生产,防止安全事故发生有着重要意义。超声导波技术作为在过去20年中迅速发展起来的新型无损检测技术,在压力管道腐蚀检测中的重大优势日益凸显。然而,超声导波技术对不同类型管道腐蚀检测的适用性存在差异。

　　2　超声导波技术

　　2. 1　导波的概念以及传播模式

　　导波指在有限界质内平行于它的边界线平面传播(比如管件、板件、棒等)的超音速或音频的机械波(或弹性波)。因为波是受介质的几何边界导向的,所以几何体对波的行为有很强的影响。与以固定速率传播的传统超声波检测相比:导波的速率随着介质的几何体和导波频率的变化而有很大的变化。另外,以一个给定的频率,导波可以以不同形式的模式和顺序传播。导波能以三种不同波模式在压力管道中传播———纵波(L),弯曲(F)和扭力波(T)[1]。些不同形式的波的粒子位移是不同的。纵波的轴向位移是沿着管道的长度,以恒定速度沿着管道的圆周(轴向对称)运动。纵波的粒子位移可以存在于管道的轴向和径向两种方向上(沿着管道的半径)(见图1)。

　　弯曲(F)波的位移是围绕着管道的圆周变化而变化的。弯曲波的位移可以有三个垂直方向———轴向、径向和圆周方向上,呈直交分布(见图2)。

　　扭力波是沿管道长度传播的剪切波,其位移是以恒定速度绕着管道的圆周运动(见图3)。

　　2. 2　超声导波检测中的传播模式

　　对于超声导波检测,脉冲回波技术被用于一个一定模式和中心频率的导波传感器所发出一个短脉冲,沿着管道传播,遇到管道中缺陷反射回来,被管道上一个固定位置传感器所接收(见图4)

　　当选择一种导波模式时,在这个脉冲频谱范围内它的波群速度不是恒定不变的,在波传播的过程中,所询问的脉冲波包(也包括从管道中不规则物体反射回来的脉冲信号)随着波的传播距离加大而变宽,这种变宽削弱了信号的瞬时分辨率且降低了检测信号的信噪比(SNR)。为了避免这个问题,应该选择最佳的导波模式和操作频率,使导波不分散

　　或波包上的分散效应最小。图5为不同的传播模式在某一固定材质和壁厚压力管道内的散射情况,可以发现只有扭力波模式T(0, 1)是基本无散射的,它的性能与管道的半径和壁厚无关。因此在超声导波管道检测应用中,扭力波T(0, 1)是首选导波传播模式。