超声导波检测技术原理

1、超声导波检测技术超声导波（Ultrasonic Guided Wave）检测技术利用低频扭曲波（Torsinal Wave）或纵波（Longitudinal Wave）可对管路、管道进行长距离检测，包括对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测。超声导波（也称为制导波）的产生机理与薄板中的兰姆波激励机理相类似，也是由于在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥散形成的。但是对于管道检测，在一般管壁厚度下要产生适当的波型，则需要使用比通常超声波探伤低得多的频率，导波通常使用的频率f100KHz，因此导波对单个缺陷的检出灵敏度与通常使用频率在MHz级别的超声检测相比是比较低的，但

2、是导波检测的优点是能传播2030米长距离而衰减很小，因此可在一个位置固定脉冲回波阵列就可做大范围的检测，特别适合于检测在役管道的内外壁腐蚀以及焊缝的危险性缺陷。低频导波长距离超声检测法用于管道在役状态的快速检测，内外壁腐蚀可一次探测到，也能检出管子断面的平面状缺陷。超声导波应用的主要波型包括-扭曲波（Torsinal Wave，也简称为扭波）和纵波（Longitudinal Wave）。扭曲波的特点是能够一边沿管子周向振动，一边沿管子轴向传播，声能受管道内部液体影响较小（在导波检测时，液体在管道中流动是允许的），回波信号能包含管轴方向的缺陷信息，通常能得到清晰的回波信号，信号识别较容易，在应用

3、中需要换能器数量少，重量轻、费用省、因管内液体介质而产生的扩散效应较小，波型转换较少，检测距离较长，对轴向缺陷灵敏度高。 纵波特点是一边沿管子轴向振动，一边沿管子轴向传播，回波幅度与缺陷性状关系不大，回波信号不如扭波清晰，因为受管内流体流动的影响，也受探头接触面的表面状态影响较大（油漆、凹凸等）受被测管内液体介质流动的影响很大。超声导波检测装置主要由固定在管子上的探伤套环（探头矩阵）、检测装置本体（低频超声探伤仪）和用于控制和数据采样的计算机三部分组成。探头套环由一组并列的等间隔的环能器阵列组成，组成阵列的换能器数量取决于管径大小和使用波型，换能器阵列绕管子周向布置。探伤套环的结构按管道尺寸采

4、用不同节环-可以是一分为二，用螺丝固定以便于装拆（多用于直径较小的管道），或者充气式环（柔性探头套环），靠空气压力紧套在管子上（多用于直径较大的管道）。接触探头套环的管子表面需要进行清理但无须耦合剂，亦即除安放探头环的位置外，无需在清除和复原大面积包覆层或涂层上花费功夫，这也是超声导波检测的优点之一。超声导波探头套环上的探头矩阵架在一个探测位置，就可向套环两侧远距离发射和接收100KHz以下的回波信号，从而可对探头环两侧各2030米的长距离进行全面检测，可对整个管壁作100%检测，可检测难以接近的区域，如有管夹、支座、套环的管段，也可检测埋藏在地下的暗管，以及交叉路面下或桥梁下的管道等，因而减

5、少因接近管道进行检测所需要的各项费用常规做法是在经过表面清理的管道外表面逐点逐点地进行超声测厚、抽检，而超声导波检测（又称长距离超声遥探法）让声波从一个探头环位置发射，沿管壁内外向远处传播，就能覆盖长距离的管壁，在一定范围内100%检测管壁，从而对安全、经济具有重大价值，目前已经广泛应用于直径501200mm的管道现场检测。超声导波检测的工作原理：探头阵列发出一束超声能量脉冲，此脉冲充斥整个圆周方向和整个管壁厚度，向远处传播，导波传输过程中遇到缺陷时,缺陷在径向截面上有一定的面积,导波会在缺陷处返回一定比例的反射波,因此可由同一探头阵列检出返回信号-反射波来发现和判断缺陷的大小。管壁厚度中的任

6、何变化，无论内壁或外壁，都会产生反射信号，被探头阵列接收到，因此可以检出管子内外壁由腐蚀或侵蚀引起的金属缺损（缺陷），根据缺陷产生的附加波型转换信号，可以把金属缺损与管子外形特征（如焊缝轮廓等）识别开来。导波的检测灵敏度用管道环状截面上的金属缺损面积的百分比评价（测得的量值为管子断面积的百分比），导波设备和计算机结合生成的图像可供专业人员分析和判断超声导波检测得到的回波信号基本上是脉冲回波型，有轴对称和非轴对称信号两种，检测中以法兰、焊缝回波做基准，根据回波幅度、距离、识别是法兰或管壁横截面缺损率的缺陷评价门限等以及轴对称和非轴对称信号幅度之比可以评价管壁减薄程度，能提供有关反射体位置和近似尺

7、寸的信息，确定管道腐蚀的周向和轴向位置，目前超声导波检测灵敏度可达到截面缺损率3%以上，即一般能检出占管壁截面39%以上的缺陷区以及内外壁缺陷。缺陷的检出和定位借助计算机软件程序显示和记录，减少操作判断的依赖性（避免了操作者技能对检测结果的影响），能提供重复性高、可靠的检测结果。应当注意超声导波检测不提供壁厚的直接量值，但对任何管壁深度和环向宽度范围内的金属缺损都较敏感，在一定程度上能测知缺陷的轴向长度，这是因为沿管壁传播的圆周导波会在每一点与环状截面相互作用，对截面的减小比较灵敏。超声导波检测的局限性：需要通过实验选择最佳频率，需要采用模拟管壁减薄的对比试样管；（据目前最新技术资料介绍，采用

8、扫频技术，即在设定频率范围内进行全频扫查，通过比较后确定最合适的实验频率，可以大大提高缺陷的检出率）；因为在检测中是以法兰、焊缝回波做基准，因此受焊缝余高（焊缝横截面）不均匀而影响评价的准确程度；多重缺陷会产生叠加效应；对于外壁带有涂防锈油的防腐包覆带或浇有沥青层等的管道，超声导波可检范围将明显缩短，这是因为防腐带（层）能引起导波有较大的衰减；导波通过弯头后使回波信号的检出灵敏度和分辨力受到影响，因为导波在圆周方向声程发生变化或者由于壁厚有变化而发生散射、波型转换和衰减，因此在一次检测距离段不宜有过多弯头；对于有多种形貌特征的管段，例如在较短的区段有多个T字头，就不可能进行可靠的检验；最小可检

9、缺陷、检测范围随管子状态而异，对于有严重腐蚀的管道，检测的长度范围有限；导波检测数据的解释要由训练有素、特别是对复杂几何形状的管道系统有丰富经验的技术人员来进行。因此，最好把超声导波检测用作识别怀疑区的快速检测手段，对检出缺陷的定量只是近似的，因此在有可能的条件下还应采用更精确但速度较慢的NDT方法进行补充评价确认。亦即采用两步法：先用导波快速检测管子，发现腐蚀减薄区，然后用普通直探头纵波法进行定量测定，取决于需要的精度以及壁厚减薄的局部性或普遍性，也可直接用导波遥控法定量测定壁厚。对管道进行超声导波检测的缺陷圆周方向位置定位是以象限划分的，过去以四象限，目前最新采用的聚焦技术能够选择性地对重

10、点区域进行进一步检测，已能达到816象限，从而更明确缺陷在管道环向上的分布，采用聚焦技术更有利于确定缺陷的尺寸和形状。不同的超声波模式（导波技术中使用的三种主要波型为纵向波、扭转波和弯曲波）对管道的腐蚀缺陷特征有不同的灵敏度，因此新发展的超声导波技术采用多模式（多探头模块）检测，即同时进行例如纵向波和扭转波操作，可以收集到被检测管道更全面的信息而不致发生漏检。对于长距离管道超声导波检测，每次可以检测多长的管线，这要考虑超声导波在管道中传输的距离，它取决于管道的表面状况（例如是否为裸管、保温层、防腐层以及埋地情况等）、管道的几何形状（分支、弯管、支撑和法兰的情况）、管道中流通的介质（气体、液体或

11、固体），还有管道本身的腐蚀情况等，这些都会造成超声波传播的能量损失，减少其传播距离。据目前最新技术资料介绍，在理想状态下的单点双向可以检测到360米，典型情况下单点双向可检测60米。长距离管道超声导波检测系统的检测精度一般是指管道横截面积的损失量，包括可达到精度（也称检测精度，但是是指可以部分检出，不能达到100%检出）和可靠精度（100%可以检出），两者是有重要区别的。目前已见报道的关于超声导波检测技术应用的实例包括：带有保温层的氨水管道、埋地水管、无保温层的输送CO与H合成烃类的淤浆管道、石油化工厂的交叉管路、储槽坝壁的管道、道路交叉口地下管道、天然气管道、炼油厂火焰加热器中的垂直管路、带

12、岩棉保温介质和漆层的架空液化气管道等。超声导波检测的回波信号显示示意图英国超声导波仪 Wavemaker SE16及柔性探头套环目前制造超声导波检测装置的厂家例如英国超声导波应用公司（GUL Co.）的管道专用超声导波检测装置（检测频率自动设定，电池工作），另外还有韩国MKC CHINA公司采用磁致伸缩传感器(MsS)技术的MsSR-2020 AD 制导波检验系统（多用途）。MsSR-2020 AD 制导波检验系统利用磁致伸缩换能器与相应仪器在钢管中产生与探测用的低频制导波(5250 kHz)：*高灵敏度(比正常状态下发现缺陷提高23%)*用于检验碳钢和合金钢管材可达40英寸直径，壁厚可达1.

13、5英寸*可在高温下工作（居里温度在钢中770，镍中354，在管道系统检验中应用带式线圈可达105）*传感器与被检验材料表面距离2英寸*该技术是把一个带式线圈传感器围绕在大的圆柱结构上，或者是用棒型探头放置在平板构件上，通过线圈的电流脉冲使被检验构件中感应产生超声波传播，当超声波遇到裂纹或缺陷时，部分信号反射并由传感器拾取*最适于长射程的球形构件检验和监视大型结构，仪器可容易地检验位于包括含水或弯曲的,或者埋入混凝土或地下的构件中的缺陷，例如输气管线，可从一个暴露端起检验100米。检验范围取决于构件的形状与埋入状态，当用于检验热交换器管时，可检验整个管长度，包括U形部分。平板金属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头进行检验。对于钢缆，可检验100mm2的钢缆达100米*也可以监视运送有毒或酸性介质的危险管道的腐蚀，它们常常是隐藏在绝缘材料下而难以接近，带式传感器或板型传感器可以固定安装在管道周围并通过多路器连接到MsSR仪器上