长输管道是石油石化业进行油气输送的主要载体，对长输管道进行定期检测是保证管线正常稳定运行的一项重要工作。长输管道大多使用直焊缝、螺旋焊缝管材，并且表面常有较厚防腐层。
中国石化销售有限公司华南分公司的刘胜等科研人员针对长输管线中所用直焊缝、螺旋焊缝管材，进行导波传输特性的模拟与仿真，根据仿真的导波传输特性，指定相应的实验方案，利用杭州浙大精益机电技术工程有限公司开发的MSGW磁致伸缩超声导波检测仪，进行实验以及现场的管线检测应用，表明磁致伸缩超声导波无损检测技术在长输管道检测应用中的可行性。
1 磁致伸缩超声导波检测原理
磁致伸缩超声导波检测，是利用导波探头激励出相应频率的超声导波，导波以一定的速度在被检测的物体中传播，遇到几何特征（缺陷、焊缝、法兰、端面等）发生反射，反射的导波被导波探头感应到后，根据导波激励和感应的时间差，计算几何特征距离导波探头的位置实现几何特征的定位。选取已知特征（通常是焊缝）的导波信号为参考，可以估计其它几何特征（腐蚀、缺陷等）的大小。
磁致伸缩超声导波利用扭转磁致伸缩效应即威德曼效应产生超声导波激励源。魏德曼效应是指磁致伸缩材料在径向及轴向相互垂直的两磁场作用下，在圆周方向会产生机械作用力，使径向扭转变形。这种扭转以固体中超声波的速度向两端传播，形成扭转波。当圆形铁杆置于环形磁场中，对杆件施加外力使其拉、压或扭曲，放在杆圆周方向上的线圈会有感应电流产生，这种由于杆件扭曲或纵向力而产生输出电动势的现象被称为逆威德曼效应。利用这种磁致伸缩效应就可以实现电-机械-电之间的能量转换。图1是MSGW磁致伸缩超声导波换能器结构。
图1 磁致伸缩超声导波换能器结构
2 长输管线导波传输特性
超声导波具有多模态及频散的特性。在不同的应用中，需要根据实际的需求，选择正确的导波模态，以及根据实际的频散特性选择正确的导波频率，才可达到比较理想的检测效果。超声导波的多模态和频散效应，也使得超声导波的应用比超声体波更加复杂。
在空气中的空心钢管，导波会产生三种模态：纵向、扭转模态和弯曲模态。纵向模态和扭转模态是轴对称模态，弯曲模态是非轴对称模态。超声导波除了模态多样，还具有频散特性。如图2～4是外径100mm，壁厚4mm的钢管仿真群速度曲线、相速度曲线和质点位移分量。
频率(kHz)
图2 群速度曲线
频率(kHz)
图3 相速度曲线
归一化位移
图4 位移曲线
图2 群速度曲线
频率(kHz)
图3 相速度曲线
归一化位移
图4 位移曲线
从以上的导波模态及频散计算中，可以看到扭转模态中的T(0,1)模态群速度和相速度都是恒定的，不受导波频率影响，而除T(0,1)之外的扭转模态群速度和相速度都随频率变化。如果要避开导波频散效应，选择T(0,1)模态是比较合适的。
根据导波的频散曲线，在频率400kHz以下，扭转模态只存在T(0，1)，没有其他的扭转模态，这样只要在400kHz以下激励出导波，会明显降低多种模态间的相互影响。
3 超声导波实验及应用
如图5利用MSGW磁致伸缩超声导波检测仪对直径530mm，壁厚8mm的直焊缝管进行检测。将磁致伸缩探头布置在管子一端，在直焊缝管体上分别刻a、b、c、d、e、f、g共7个人工伤，伤的大小及位置如表1。控制超声导波的频率为128kHz，得到的检测波形如图5（b）。从图中可以清楚地看到7个不同大小刻伤的回波信号，7个伤中最小的是0.3%。
(a) 管道实物
(b) 检测波形
图5 管道实物图片与（直径530mm，壁厚8mm）直焊缝管检测波形
表1 直径530、壁厚8mm直焊缝管缺陷列表
| 缺陷序号 | 缺陷大小 | 缺陷离左端面的距离∕m |
| a | 0.5% | 4.53 |
| b | 0.3% | 5.27 |
| c | 1% | 5.6 |
| d | 0.4% | 6.54 |
| e | 2.7% | 6.66 |
| f | 0.4% | 7.71 |
| g | 1.5% | 8.25 |
利用MSGW磁致伸缩超声导波检测仪还进行了现场管道的检测，管道直径710mm、壁厚8mm，表面带10mm左右厚的沥青防腐层。检测时，首先将布置探头位置的沥青防腐层打磨掉，然后布置探头，在3米左右的位置发现一个异常信号，如图6所示。由于这根管道当时还在工作，暂未进行复验。
图6 直径710mm，壁厚8mm螺旋焊管检测数据
图7是对某原油管线检测的现场照片。为了排除此原油管线存在的安全隐患，将部分埋地管段进行开挖，管体表面都抱有沥青防腐。在局部区域将沥青剥离，安装好超声导波探头，在5米左右位置发现异常信号，进一步剥离管子表面进行确认后，发现了管体表面腐蚀区域。
图7 大直径直管段输油管线检测现场
经过多种应用场合的检测应用，结果表明超声导波检测方法可以在大管径、长管线、埋地管线等多种管网中得到较好的应用效果。利用超声导波单点激励大范围检测的特点，可以提高长输管线的抽检区域，提高故障点的排查效率。
4 结语
磁致伸缩超声导波无损检测技术可以单点激励，实现长距离检测。通过对长输管道导波的模态与频散特性分析， T(0，1)扭转模态超声导波及128kHz激励频率可以适用于长输管道的检测；利用MSGW磁致伸缩超声导波检测仪，针对实验室样管与现场管道进行了导波数据实测，可以达到截面变化量1%以上的检测灵敏度，给长输管道的长期稳定运行提供了较有力的技术保障，并提高长输管道的定期检测效率。
节选自《无损检测》2015年第6期
作者：刘胜，中国石化销售有限公司华南分公司高级工程师，主要从事无损检测及仪器方面的研究工作。
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