油气管道母材的超声导波检测技术研究

超声导波技术在管道缺陷检测中的研究一、本文概述随着工业化的快速发展，管道作为各类流体输送的主要工具，其安全性和稳定性对于工业生产和社会生活至关重要。

然而，由于长期运行、外部环境和材料老化等多种因素的影响，管道往往会出现各种缺陷，如腐蚀、裂纹、焊接缺陷等。

这些缺陷如果不及时发现和处理，可能会导致严重的后果，甚至引发安全事故。

因此，对管道进行定期、有效的缺陷检测具有重要意义。

超声导波技术作为一种新兴的无损检测技术，近年来在管道缺陷检测领域受到了广泛关注。

该技术利用超声波在固体介质中传播的特性，通过对超声波的传播速度、幅度和波形等参数进行分析，可以实现对管道内部缺陷的精确识别。

与传统的检测方法相比，超声导波技术具有检测速度快、范围广、精度高等优点，且无需破坏管道结构，因此在管道缺陷检测领域具有广阔的应用前景。

本文旨在深入研究超声导波技术在管道缺陷检测中的应用。

我们将对超声导波技术的基本原理和检测方法进行介绍，包括超声波的传播特性、信号处理方法以及缺陷识别算法等。

我们将对超声导波技术在管道缺陷检测中的实际应用案例进行分析，探讨其在不同管道类型和缺陷类型下的检测效果和可靠性。

我们将对超声导波技术的发展趋势和前景进行展望，以期为管道缺陷检测领域的技术进步和实际应用提供参考和借鉴。

二、超声导波技术原理及特点超声导波技术是一种基于超声波在介质中传播特性的无损检测技术。

其原理在于利用高频振动产生的超声波在材料内部传播时，遇到缺陷或界面会产生反射、折射或散射等现象，通过接收并分析这些反射波、透射波或散射波，可以实现对材料内部缺陷的定性、定量和定位检测。

高灵敏性：超声导波技术能够检测到微小的缺陷，如裂纹、腐蚀、夹杂等，对于保障管道安全运行具有重要意义。

长距离传播：超声导波在管道中传播时，能够覆盖较长的距离，减少了检测点的设置数量，提高了检测效率。

实时在线监测：超声导波技术可实现对管道的实时在线监测，及时发现潜在的安全隐患，为管道的预防性维护提供有力支持。

超声导波检测技术在压力管道检测中的应用研究
超声导波检测技术是一种非破坏性的检测技术，可以应用在压力管道的检测中，用于
检测管道的腐蚀、裂纹和疲劳等缺陷。

本文将对超声导波检测技术在压力管道检测中的应
用进行研究。

超声导波检测技术是一种通过在管道内传播超声波来检测管道内部缺陷的方法。

它通
过在管道内表面安装多个传感器，将超声能量引导至管道内部，然后通过接收传感器捕获
的超声信号，来分析管道的内部情况。

该技术具有高效、准确、可靠、经济等优点，已经
被广泛应用于压力管道的检测中。

超声导波检测技术在压力管道检测中可以用来检测管道的腐蚀缺陷。

管道长期运行后，由于介质的作用和外界环境的影响，管道的内壁会出现腐蚀现象。

使用超声导波检测技术
可以通过检测超声波的传播时间和强度来确定管道的腐蚀情况。

通过对腐蚀的检测，可以
及时修复或更换受损管道，确保管道的安全运行。

超声导波管道无损检测技术及应用
超声导波管道无损检测技术是一种利用管道中固有传播的弹性波传递声波信号，从而检测管道内部状态的方法。

它具有高效、精确、无损、不需要管道开挖的优点，广泛应用于石油、化工、天然气、核电和航空等行业。

该技术在检测管道内部存在的裂缝、氧化、腐蚀、壁厚变化等缺陷方面具有广泛的应用。

超声导波管道无损检测技术的核心是管道内部传播的弹性波，将弹性波信号转化为电信号，并通过信号处理与分析，得出管道内部状态的相关信息。

该技术主要有三种探头类型：双向检测探头、单向检测探头和球形检测探头，以满足不同管道尺寸和形状的需求。

随着技术的发展，超声导波管道无损检测技术还可以与无损检测机器人和云计算等智能技术相结合，实现对可视化管道内部状态及历史数据的追踪和管理。

在应用方面，超声导波管道无损检测技术的主要优点是无需管道开挖或者拆除，以及高效、准确地识别出管道内部状态。

它可以精确地查找到管道壁的缺陷、管道环境内的氧化情况、均匀性变化、破损情况等，从而为维修保养、管道安全检测和材料选择提供有力支持。

此外，它还可以作为管道日常检测和维护的工具，能够节省成本、节约时间、提高效率。

综上所述，超声导波管道无损检测技术具有在管道安全、质量和效率方面带来的前所未有的优势，是现代工业的重要技术之一。

它的应用范围将会越来越广泛，并给相关工业领域带来巨大的经济效益和社会效益。

管道超声导波检测技术研究的开题报告一、研究背景随着化工、石油、能源等重要行业的快速发展，管道系统的安全问题日益引起人们的关注。

管道系统中存在的缺陷，如裂纹、腐蚀等，对管道的安全性能和经济效益造成了严重影响。

因此，在管道系统中实施有效的缺陷检测和评估技术，是维护管道系统安全的必要手段之一。

传统的管道缺陷检测方法主要是使用无损检测技术，如涡流、超声、X射线等，其中，超声检测技术作为一种基于声学能量传输的非破坏检测技术，被广泛应用于管道缺陷检测中。

管道超声检测技术主要有直接接触、水浸、干式和气压式等不同形式，但这些方法均存在着检测深度和检测精度等方面的限制。

为了克服传统超声检测技术的局限性，管道超声导波检测技术应运而生。

该技术通过在管道内部传播机械波，实现对整个管道壁厚的全局检测，具有无需接触、快速、全面、高精度等优点，成为管道缺陷检测技术中备受关注的新兴技术。

二、研究内容本文拟以管道超声导波检测技术为研究对象，探究其在管道缺陷检测中的应用。

具体研究内容如下：1. 管道超声导波检测技术原理及特点介绍超声导波检测的基本概念和原理，并重点阐述其在管道缺陷检测中的优势和应用场景。

2. 超声导波在管道中的传播特性分析分析超声导波在管道中的传播规律和特性，探究管道壁厚的影响因素以及其对导波信号的影响。

3. 管道超声导波检测信号分析及缺陷识别方法研究采集探头产生的超声导波信号，分析信号特性，并针对不同类型的缺陷，研究其对应的信号特征和识别方法。

4. 管道超声导波检测系统设计与实验验证基于前期研究成果，设计管道超声导波检测系统实验平台，通过对真实管道缺陷的检测与识别验证技术可行性和应用效果。

三、研究意义1. 对于优化传统管道缺陷检测方法、提升管道安全性有一定的实用价值。

2. 为管道超声导波检测技术的发展提供理论和实验支持，推动其在工业领域的应用。

3. 对培育高水平的无损检测技术人才，提高我国无损检测领域的科学水平具有积极意义。

第17卷　第1期2002年3月实　验　力　学JOU RNAL O F EXPER I M EN TAL M ECHAN I CSV o l.17　N o.1M ar.2002文章编号:100124888(2002)0120001209管道超声导波检测技术研究进展Ξ焦敬品,何存富,吴　斌,费仁元,王秀艳(北京工业大学机电学院,北京100022)摘要:综述管道超声导波检测技术及其应用研究进展.着重对超声导波技术和模态声发射技术在管道检测中的最新应用进行了评述,内容涉及超声导波的传播特性、实验检测方法及其数值模拟等.关键词:管道;超声导波;模态声发射;数值模拟中图分类号:O348 文献标识码:A1　引言 管道作为五大运输工具之一,在运输液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势.世界上管道主要干线已达230多万km,1994年末我国油气管道干线已达17387km,城市供水系统更是极为庞大的管道网络[1].然而管道在长期使用中受冲刷和腐蚀导致管壁减薄,常常发生泄漏事故,不仅造成经济上的巨大损失,且会污染环境影响生态平衡.据统计世界各大中城市自来水的泄漏损失率在20%左右[2].近年来有许多管道发生事故,更引起世人的极大关注.例如, 1993年委内瑞拉一条气体管道发生泄漏,气体爆炸,致使51人死亡;1994年美国新泽西州的一条管道泄漏,造成火灾,致使1人死亡50多人受伤.近年来还有其他一些国家如俄罗斯、加拿大和英国等国家的管道发生各种事故的报道.据不完全统计,截止1990年,我国仅输油管道在20年时间里,共发生大小事故628次.天然气管道也曾多次发生事故,后果特别严重,给人民生命财产造成了严重的损失[3].更为严重的是管道泄漏造成了严重的环境污染,加剧了原本已经恶化的人类赖以生存的地球空间.尽管使用常规无损检测方法(如超声检测爬机、漏磁检测爬机等)对管道检测有着众多的优势所在[4-9],如技术成熟,只需对工人稍加培训,就可以利用现有的专门设备进行检测.但常规无损检测技术都存在一个严重的不足:检测过程为逐点扫描式,因此常规无损检测方法不可Ξ收稿日期:2001205223;修订日期:2002202220基金项目:国家自然科学基金(19972003)、北京自然科学基金(3992006),北京市教委科技发展项目,教育部高等学校骨干教师资助计划项目作者简介:焦敬品(1973-),女,北京工业大学机电学院讲师,在读博士研究生.主要研究领域:结构安全监控研究.2 实　验　力　学 (2002年)第17卷　能有效的用于当前工业中广泛使用的成千上万公里的管道检测.而超声导波检测技术和模态声发射技术是解决这一问题的潜在可行的方法.本文旨在概述超声导波技术和模态声发射技术在管道检测中的最新研究进展及发展趋势.2　超声导波技术 多年以来,超声导波在空心圆柱体中传播课题的研究备受国外学者关注.Gazis[10,11]利用弹性理论求得简谐波在无限长的空心圆柱体中传播的通解.Green spon[12,13]也对弹性理论进行了研究,并且发表了有关圆柱壳弥散曲线和位移场的论文.由于工业生产中迫切需要先进的管道无损检测技术,因此出现了将导波技术应用于管道缺陷检测的研究.1979年,T hom p son 等[14]将E M A T(电磁声传感器)应用于蒸汽发电机管道的裂缝检测.Silk和B ain ton[15]利用压电超声探头在热交换管道中激励超声导波,他们也对裂纹检测进行了实验,证明了利用超声导波技术对管道检测的可能性.B rook et al[16]证明了利用柱状导波对管道进行检测的可行性,柱状导波由管道一端施加法向载荷激励.有趣的是Silk和B ain ton利用L(0,1)模式导波对管道进行检测,而B rook等利用的却是L(0,2)模式导波.这是由于不同的激励方法产生的不同的激励模式.Silk和B ain ton是从管道内部激励导波的,而B rook等是从管道一端横截面处激励导波的.这些实验证明了利用超声导波对管道检测的有效性,但是现场应用尚处于空白.根据选用导波模式数量的不同,可将管道超声导波检测技术分为单一模式导波检测技术和多模式导波检测技术两种方法.2.1　单一模式导波检测导波模式的选择是管道检测系统的一个关键问题.若不能很好解决,导波技术就毫无优势可言.通常,激励源将产生出在其频率带宽内的所有模式,导致接收信号非常复杂而无法分析.但是可通过某些特殊的激励方式激励单一模式的导波.目前,在国外超声导波管道检测中常用的单一模式导波为L(0,2)模式导波.这是因为此模式在以下几方面具有显著优势:1)在某一特定频率附近的很宽频率范围内,此模式几乎是非频散的,即群速度、相速度不随频率明显变化,因此使得信号形状在传播过程中基本保持不变;2)它是传播最快的模式,因此任何不希望出现的模式信号都在其后到达;3)它对任意圆周向内表面与外表面缺陷具有相同的灵敏度,即此模式导波既可检测内外表面,也可检测沿厚度方向的缺陷.选择的激励信号一般为一个窄带信号,如H ann ing窗调制的5到10周期的音频脉冲信号,这样的信号既能保证具有一定的强度,并且避免了在较长传播距离时的弥散.一般采用沿管道表面圆周向均匀布置的若干个压电传感器来激励信号.压电传感器的数量必须大于信号频率范围内的出现的导波模式的最高阶次(即大于在激励信号的截止频率范围内出现的导波模式的最高阶次,也就是F(n,1)模式中的n).例如,图1所示激励信号(H ann ing窗调制的10个周期的70kH z单音频脉冲)的-40dB截止频率为84kH z,而在76mm的40#钢管(管壁厚5.5mm)中下限截止频率小于84kH z的最高阶次弯曲导波模式为F(11,1)(如图2所示), 152mm的40#钢管(管壁厚7mm)为F(20,1).因此将16个和32个压电传感器分别用于76mm管和152mm的40#钢管的激励就可以满足以上要求.只有将足够数量、等间距、等特性的传感器对称、均匀地沿管道圆周向布置,才能只激励轴对称模式导波.但此时仍有T (0,1),L (0,1)和L (0,2)三个对称模式存在.利用只激励管道轴向运动的传感器可避免扭转模式T (0,1)的出现;通过相距为L (0,1)模式导波波长的两个传感器环来削弱L (0,1)模式而增强L (0,2)模式.为优化检测系统,一个很实用的方案是尽量激励向前传播的波,而使向后传播的波的能量尽可能小,这可通过在距离为激励的导波模式的1 4波长远处布置另一传感图1　H anning 窗调制的10个周期的窄带脉冲信号(a )时域(b )频域图2　76mm 直径管群速度弥散曲线[17]3第1期 焦敬品等:管道超声导波检测技术研究进展 器环(相位相差Π 2)来实现[17].超声导波在管道中传播时,遇到缺陷、端面、焊缝及弯曲处都将发生反射.同样,管道中激励的轴对称L (0,2)模式导波(或其它单一的轴对称模式导波),传播过程中遇到非轴对称的缺陷时,缺陷回波不仅含有L (0,2)模式,还会发生模式转换而产生其它模式导波.尤其是当管道中近似轴对称的焊缝中出现非轴对称的周向小裂纹时,L (0,2)模式回波能明显反映焊缝回波.当缺陷与焊缝不重合时,L (0,2)模式也能鉴别缺陷;当缺陷与焊缝重合时,L (0,2)模式的回波并不能显示出与前一种情况(只有焊缝,没有缺陷)的明显差异.而反射回波中的F (1,3)模式导波,对轴对称焊缝不敏感,却对缺陷及焊缝中的缺陷都极敏感[18].因此,对更高阶次模式的导波的研究,将更有利于对缺陷的全面检测.2.2　多模式导波检测:一种模式的导波可能只对某一种缺陷敏感,而对其它类型缺陷不敏感.在实际检测中,缺陷的类型和位置都是未知,因此有必要对多模式导波检测技术进行研究.可以通过多种方式激励所需要的多模式导波,如梳状传感器、兰姆波传感器和可变入射角度传感器方法等.图3　直径18.9mm ,壁厚1.22mm 镍管群速度弥散曲线[21]通过梳状传感器激励多模式导波时,梳状传感器可看作为相速度的筛选器[19].众所周知,当传感器的布置方式关于管道周向对称时,将只会激励轴对称的导波模式.梳状传感器由四个传感器环组成(保证关于管道周向对称),中间用窄塑料环来保证传感器环之间的距离,不同的间隔距离将产生不同模式的导波.这是因为单独一个传感器环会激励多模式导波,多个环激励的导波模式将相互作用,当环间距为某一个模式导波波长时,将只激励该波长的模式导波.而且导波波长为频率的函数,在相速度频散曲线上对应一条斜线,如图3所示.对一根直径101.6mm 、长6.4m 、外包硅酸钙绝缘层的40#钢管进行缺陷检测,利用梳状传感器激励多模式导波,并通过频率扫描不同模式的导波以识别所有类型的缺陷.实验表明:400kH z 的L (0,2)模式导波可检测出40%壁厚减薄的的人工缺陷,480kH z 的L (0,3)模式导波可检测出3×34 实　验　力　学 (2002年)第17卷　排列的焊孔.因此也表明了多模式导波检测技术较单一模式导波检测的优势:通过多种不同模式的导波可实现对多种缺陷的同时检测.专门用于管道检测的兰姆波传感器是利用市场上现有的超声传感器,通过一种新的耦合机理来实现多模式导波激励的[20].其中的一些传感器需要在超声传感器和管道之间添加耦合液体,这种传感器可以检测水平管道;另外一些传感器则使用固体耦合介质,这样的传感器可用于检测水平、垂直、倾斜管道.设计这种传感器的目的是在管道中激励不同模式的柱状导波.通过改变激励频率、倾斜角度和传感器的数量,这种基于新耦合机理的超声传感器可以在管道中激励轴对称或非轴对称的兰姆波.将这种激励多模式兰姆波技术应用于管道检测表明,即使当缺陷距离传感器较远时,传感器也可实现对缺陷的检测,并且可估计出受损程度.通过局部载荷斜入射方法激励非轴对称的多模式导波也可实现管道缺陷检测[21].对蒸汽发电机的铬镍铁合金管施加局部载荷激励,其声场分布中轴向场和周向场完全不同.虽然非轴对称模式导波的声场比轴对称模式导波的声场要复杂的多,但还是有必要对非轴对称模式导波进行研究.这是因为:由于空间的有限性和传感器的效率,通常难于激励单一轴对称模式导波;导波在缺陷处反射后也会有模式转变.通过三维调谐(距离、频率和入射角度)的方法,避免了距离、频率和入射角度单一组合可能造成的管道“盲点”处的漏检,实现管道100%范围的检测.非轴对称模式导波在长距离检测方面的较强地有效性也得以证实.为了更好地将导波技术应用于管道检测,就有必要深入地对轴对称模式导波和非轴对称模式导波在空心圆柱体中的传播进行研究[22].首先对轴对称和非轴对称面载荷激励的导波模式进行研究.为了对导波的叠加进行理论分析,引入简正模式的概念,并对每一模式导波的振幅系数随面压力载荷形状的变化进行了研究.实验利用一个梳状传感器和函数发生器在一个镍管上施加面载荷,通过改变面载荷条件,如周向加载角度、轴向加载长度、频率、相速度,来控制轴对称和非轴对称模式导波的激励.实验研究表明,可以利用非轴对称的局部载荷方法激励轴对称的导波模式,这对于周向尺寸有限的管道检测特别有用;缺陷反射回波中的弯曲模式导波包含反射物周向角度和类型、大小的特征信息.利用安放在管道内部的永久电磁铁式(PPM )电磁声传感器(E M A T )来激励和接受沿管道圆周方向传播的SH 波也可实现管道检测[23].PPM 2E M A T 装置固定在轮上,轮可以方便地沿管道轴向运动,有利于实现快速检测.在检测的每一位置,利用一个超外差式相速度灵敏探测器可以测得SH 0和SH 1模式的往返信号的幅度和相角偏移,这些信息可以反映管道表面的缺陷状况,并可提供有关轴向缺陷位置和缺陷深度的信息.实验结果表明,SH 1模式的导波的幅度和相位偏移比SH 0模式对缺陷的灵敏度更高.虽然实验管道的外包层降低了信号强度,但实验证明该方法对管道缺陷检测也较为有效.此外,在管道一端通过轴对称布置的压电传感器激励低频窄带脉冲信号,低频窄带脉冲信号的空间相位和幅度大小具有一些特殊的波传播特性,这些特性可用于确定结构中的缺陷状况.这种技术特别适用于径向不均匀和轴向各向异性的管道的缺陷检测,如由复合薄层绕成的纤维强化管道[24,25].目前,国内关于管道的超声导波检测技术的研究还鲜见报道.尤其在实验检测方面,如导波的激励方法、激励接收系统、波形模式和激励频率的选择等还未见报导.但已有此研究方向的综述[26].5第1期 焦敬品等:管道超声导波检测技术研究进展 6 实　验　力　学 (2002年)第17卷　3　模态声发射技术 声发射(A E)是本世纪五十年代后迅速发展起来的一种无损检测方法,它是指物体在形变或受外界作用时,因迅速释放(弹性)能量而产生瞬态应力波的一种物理现象.与超声、涡流等其它无损检测方法相比,声发射具有能动态监测且覆盖面大的优势,因此在材料研究、压力容器评价、飞机构件的强度监视和测定等方面已取得了较明显的效果.霍臻[27]利用声发射技术对压力管道的泄漏进行了检测,实验证明应用泄漏应力波信号检测气体和液体的泄漏是可行的,并具有较高的灵敏度,但还存在一些问题,如难于准确确定泄漏源的位置,检测灵敏度受噪声的影响很大等.因此要将声发射技术进一步推广应用,必须首先解决以下问题:1)源定位不准确问题;2)信号解释问题;3)噪声问题.模态声发射是近年来发展起来的声发射检测新技术,它克服了传统基于体波传播的共振传感器(R SP)参数声发射检测的上述诸多不足.模态声发射认为被测材料结构中的源或声发射事件在负载作用下,产生的是频率和模式丰富的导波信号,而且可以利用导波理论和牛顿力学定律将上述困扰声发射发展的问题得以解决,从理论上得到了较好的解释和表达,并通过建立简单明确的物理数学模型表征问题.模态声发射自90年代初期在美国问世以来,便迅速得到较好应用.M.Su rgeon, M.W evers[28]对CFR P薄板的声发射信号进行了模式分析,实验结果表明,利用模态声发射技术既可以对声发射信号作出合理解释,也可以实现准确的源定位和分离噪声的目的.由于充液管网的弥散特征,使得传统相关分析方法难以准确确定管网中泄漏源的位置. L ance E.R ew erts等[29]建立了管网泄漏理论模型,获得了其声发射事件的基本特征.并采用了两种算法对泄漏源定位中超声信号的弥散进行了补偿:时间—空间转换法可以准确确定模拟模型和现场实验中的噪声源;空间—频率转换的方法,理论证明可以通过一个或两个探头来确定泄漏位置,但这种方法有待实验的进一步证实.O sam a H unaid,W ing T.Chu[30]在一定实验条件下模拟塑料管道的多种泄漏形式,并对其泄漏信号的声特征进行研究.包括声信号或振动信号各频率成分的特征,即各频率成分与泄漏形式、流量、管压的关系,以及衰减率和波速与频率之间的关系.泄漏信号的特征研究对于泄漏检测如下方面将会有很大帮助:选择合适的的实验仪器、设计合适的检测系统、确定传播速度和精确确定泄漏源的位置.H.V.Fuch s[2]从事了多年的管道的泄漏检测的研究.研究表明,若能将声发射技术推广应用于管道泄漏检测,可将平均每年1000m3 km的泄漏量减小到500m3 km.目前,国内声发射研究大多基于传统共振传感器声发射研究.模态声发射研究工作较少,研究范围更为有限.刘松平等[31,32]介绍了模态声发射检测技术的原理、信号特征及信号源识别和定位,并对其在飞机疲劳裂纹的监测中的应用进行了介绍.而在泄漏声发射应力波在管道中的传播机理的研究,尤其在实验检测应用方面,如导波波形模式和频率的选择等还未见报导.可以预见模态声发射技术的研究必将会成为国内外声发射研究的一个热门方向.4　管道超声无损检测方法的数值模拟 超声波在结构(如杆、管、板等)中的传播问题,在数学上归结为处理一组偏微分方程的初值或初值-边值问题.然而实际问题中由于物体几何形状的不规则或介质的不均匀等原因,要得到问题的解析解,除了一些简单的问题外往往是十分困难的,因此常常应用各种数值方法来对弹性波在结构中的传播问题进行求解.弹性波传播问题的数值求解主要有两种途径:特征线法和半离散化法(半离散化法包括有限差分法、有限元法和边界元法).在特征线法中,偏微分方程转化为沿可能发生间断的特征方向积分,而半离散化法首先将偏微分方程在空间域上离散化,然后在时间域上沿平行线积分.由于在半离散化法中,积分路线与可能存在间断的曲面相交,因此在相同的计算效力的水平上,半离散化法的精度低于特征线法的精度.对于本来无弥散的偏微分方程,半离散化法还会引入离散化弥散.但是在许多情况下,特征线法的程序是相当复杂的,而半离散化法相对来说比较简单,并可得到期望的精度[33].在此主要对有限元法和边界元法在波传播问题中的应用进行介绍.F riedrich M o ser [34]利用有限元的方法对波导中弹性波的传播问题进行了模拟.以薄板和管状结构中弹性波传播问题为例,对其进行了有限元模拟和实验测试.有限元法求解结果和实验结果完全吻合,证明了有限元方法对于模拟波传播问题的有效性,并进一步指出有限元法对传统分析方法无法处理的复杂几何形状结构的波传播问题求解的可能性.D .N .A lleyne [35]利用有限元法对轴对称的L (0,2)模式弹性导波在管道切槽处的反射进行了研究.贯穿整个壁厚但周向长度不同的切槽的反射系数问题简化为三维薄膜有限元模型,并用一个轴对称模型来模拟沿整个圆周但深度不同的切槽的反射系数问题.有限元计算结果表明,L (0,2)模式导波的反射系数是切槽周向宽度的线性函数,是切槽深度的更高阶函数.M .J .S .L ow e [36]用有限元的方法对管道局部切槽引起的导波模式转换进行了研究.有限元模拟结果表明,轴对称的L (0,2)模式导波入射到切槽处,反射波包含L (0,2),F (1,3),F (2,3)三种模式的导波;并且当切槽长度很短时,反射得到的L (0,2)模式和F (1,3)模式数量相同.通过对比实验进一步证明了有限元法对导波传播问题求解的有效性.基于边界元的高效性和对缺陷的精确识别性,Cho [37]应用边界元法对导波散射问题进行了求解.通过边界元法确定了在任意形状缺陷处由于模式转换而产生的多模式导波的反射系数,该反射系数表示为缺陷大小、取向、波导几何形状和施加频率的函数.应用这种方法还可以估算出从缺陷处反射的多模式导波所携带的超声能量.Cho [38]利用混合边界元法对兰姆波在缺陷处的散射进行了分析,从而为解决由于波导厚度变化引起的复杂的导波模式转换问题提供了理想的数值工具.通过混合边界元法对特定模式的兰姆波入射位置和波导截面特定的能量分布问题进行研究,估计各种散射物(如波导的间断点和锥形部分等)处的散射和模式转换.并进一步通过计算散射场随入射模式、频率和散射物形状的变化,来研究单一兰姆波模式与散射物(波导厚度的变化)间的相互作用.理论计算结果对于提高无损检测的灵敏度和渗透力有很大帮助.7第1期 焦敬品等:管道超声导波检测技术研究进展 8 实　验　力　学 (2002年)第17卷　5　展望 从国外近几年的研究进展可以看出,各种超声无损检测技术发展势头强劲,尤其是超声导波技术和模态声发射技术,取得了前所未有的长足发展.管道超声无损检测可能的发展方向包括:波传播理论的深入化研究、检测技术的实用化转变、检测技术向监控技术的转化、检测信息的数量化等等.鉴于国内这方面的理论研究还很少,实验方法研究更为匮乏,因此应进一步加强国内这方面的研究工作.参考文献:[1]　唐秀家,颜大椿.基于神经网络的管道泄漏检测方法及仪器[J].北京大学学报,1997,33(3):319-327.[2]　Fuch s H V.T en years of experience w ith leak detecti on by acoustic signal analysis[J].A pp lied A coustic,1999,(33):1-19.[3]　高福庆.管道检测的必要性[J].管道技术与设备,1998,14(2):40-42.[4]　王玉忠,陈建兰.漏磁检测技术在我国管道中的应用[J].化学清洗,1998,14(5):48-50.[5]　陈积懋.管道无损检测与评价技术[J].状态检测与分析,1997,18(1):59-62.[6]　李永年等.国内外埋地管道腐蚀状况物理检测技术现状[J].岩土工程界,2000,3(9):43-45.[7]　范弘等.钢管漏磁检测的新方法[J].钢铁研究学报,2000,12(6):50-54.[8]　陈华波,涂亚庆.输油管道泄漏检测方法综述[J].管道技术与设备,2000,22(1):38-41.[9]　冉启芳.无损检测方法的分类及其特征简介[J].无损检测,1999,21(2):75-80.[10]　Gazis D C.T h ree-di m ensi on investigati on of the p ropagati on of w aves in ho llow circular cylinders.I.analyticalfoundati on[J].J.A coust.Soc.Am.,1959,31(5):568-573.[11]　Gazis D C.T h ree-di m ensi on investigati on of the p ropagati on of w aves in ho llow circular cylinders.I[J].J.A coust.Soc.Am.,1959,31(5):573-578.[12]　Greenspon J E.A nalysis of w ave p ropagati on in a cylindrical w aveguide.I[J].J.A coust.Soc.Am.,1960,32(5):571-578.[13]　Greenspon J E.A nalysis of w ave p ropagati on in a cylindricalw aveguide. 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目前来看，在我国对石油天然气进行运输的过程中，主要都是依靠管道的方式来完成整体的传输工作，根据统计的结果显示，我国石油天然气管道的累计长度已经超过8万km，而且仍然处于一个不断发展的状态，随着我国的管道数量和使用年限的逐步增加，使管道产生影响的原因也就越来越多。

因此，对管道的质量产生了十分严重的影响和伤害，除了一些人为的因素之外，同时也会遭受到一些自然中不可抗拒因素的影响，从而对整个输油管道的安全带来了十分重要考验，严重时有可能会发生爆炸。

为了保障输油管道顺利运行，我国要求对这些输油管道的运行情况要定期的进行检测，而且年限越久的输油管道，检测的内容就越为重点，就目前我国的输油管道服务来看，大部分的管道所使用的年限都已经超出了额定的标准，而这些管道对于破坏因素所产生的抵抗能力也在不断的减弱，从而导致管道内部发生腐蚀穿孔的情况越来越常见。

因此，对管道的安全检测已经成为了管道管理部门的重点工作内容。

1　超声导波技术概述在我国石油生产的过程中，输油的管道是一项十分重要的组成部分，同时也是保障整个石油运输工作顺利开展的基础，所以针对输油管道进行有效的检测尤为重要，采用现今的输油管道检测技术不仅能够有效的避免相关泄漏事件的发生，还能够保证输油管道项目的长期稳定发展。

因此，对输油管道的质量检测是一个十分重要的内容，我国对于输油管道所发生的缺陷，一般使用超声波或射线等检测技术，但是在现实生产中，这些检测技术来说也是有一定的范围，对于一些防腐层和保温层建设的管道，无法实施准确的预测。

在对管道的安全进行检测的过程中，为了对管道所发生的问题进行全方面的掌握，从根本上提升管道安全检测的准确性和科学性，目前相关的工作人员通常采取的都是超生导波技术，利用超声波传回来的波长大小对管道进行实时检测，这项检测技术不需要任何耦合剂的支撑，它的工作温度通常在零下40℃到零上180℃之间，而且它所测试的距离也较为可观，具有强烈的灵敏性，目前这种新型的管道安全检测技术，已经成为了管道行业的一个重点内容，保障超声导波安全检测技术能够在输油管道的运行中发挥出自身的优势作用。

在役油气管道超声导波腐蚀检测技术应用发布时间：2021-05-14T10:56:00.533Z 来源：《工程管理前沿》2021年第4期作者：金兆波[导读] 由于油气管道本体缺陷容易引发管道泄漏甚至爆炸事故金兆波大庆市汇通建筑安装工程有限公司黑龙江省大庆市 163311摘要：由于油气管道本体缺陷容易引发管道泄漏甚至爆炸事故，因此快速及时地对管道进行全面检测，找到管道本体缺陷，对于提高油气管道事故抢修效率意义重大。

目前应用较多的油气管道无损检测技术除常规检测RT、UT、MT、PT四项外，还有涡流检测（ECT）、声发射检测（AE）、热像/红外（TIR）、泄漏试验（LT）、交流场测量技术（ACFMT）、漏磁检验（MFL）、远场测试检测方法（RFT）、超声波衍射时差法（TOFD）、超声导波腐蚀检测等。

采用磁致伸缩低频超声导波系统，对某油田的油气管道进行腐蚀检测，结合相控阵C扫描检测检测进行验证，检测效果良好。

关键词：油气管道;超声导波腐蚀检测技术;应用;引言管道完整性管理包括数据收集与整理、高后果区识别、风险评价、完整性评价、维护与维修及效能评价六个步骤，其中完整性评价包括外腐蚀评价、内腐蚀评价及压力试验。

虽然内检测评价技术准确性相对较高，但对于大部分在役油气管道无收发球等配套装置，且在实施过程中风险较大，主要是管道本身清洁度不高，检测器在行进过程中遇到弯管或变径处容易卡堵，所以在役管道多采用外腐蚀评价技术。

超声导波检测技术在理想条件下对表面状况良好的直管段可实现约200m(探头两侧各100m)的全面扫查，针对无法实施直接检测的在役管线，往往优先选择超声导波检测技术。

1超声导波检测基本原理超声导波是一种在有限介质内平行于边界面传播的机械波，波的传输受介质的几何边界导向，其形态会受到介质的几何形状影响。

如图1将超声导波探头置于被检构件某处，由探头进行导波激发，当导波沿着构件完整处进行传播时，其相速度将与群速度保持一致。

压力管道超声导波检测技术研究摘要：压力管道广泛应用在石油化工、工业生产、热力传输等关键领域，担负着各种高温高压、易燃易爆以及有毒介质的生产输送。

因此，需要定期对压力管道进行检验检测，保障其运行安全，而传统的无损检测方法费时费力，鉴于此，本文就压力管道超声导波检测技术展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。

关键词：压力管道；超声导波检测；技术研究1.超声波检测研究概况超声波检测中，声波分为体波和导波两种。

体波是当声波在无限大或半无限大介质中传播的声波，分为纵波和横波等，体波的传播速度取决于传播介质的特性，与频率无关。

导波是声波受到界面的影响，声波会在界面来回反射，此时声波将出现频散现象，即波速与频率相关，从而导波的特性常通过频散曲线来表示，具有群速度和相速度，如图1、图2所示。

图1铝板中相速度曲线图2铝板中群速度曲线1.1国内研究概况研究者们首先对导波的群速度、相速度以及导波传播过程中的反射、折射等现象进行了探索，并用实验进行了论证。

然后研究者们逐步对导波在波导中传播的频散特性进行了研究，分析总结了导波传播中出现的模态转换现象，并给出了合理的解释。

在20世纪早期，人们开始研究超声导波在有界的不同形状的介质中传播的相关特性，并重点研究了导波在平板中的传播特性，进而通过获得的相关结论对导波在圆柱空心管中的传播进行了预测和分析，并对超声导波在无限长圆柱管中的传播特性进行了研究。

1.2国外研究概况外国学者对超声导波技术研究较早，始于20世纪初期。

国外科学家在假设导波的传播为轴对称运动的基础上，基于板壳理论对超声导波在空心圆柱壳中的传播进行了分析及研究。

另外详细分析了轴对称和非轴对称模态导波的性质和板壳理论和轴对称假设的局限性，并提出了自己的线弹性理论；同时，运用得到的频散方程对超声导波在板中和圆柱壳中的传播进行了分析和比较。

2.压力管道特点（工业管道）我国当前对工业管道所输送工业介质的不同来划分成工艺管道、公用工程管道和其它辅助管道这几大类。

超声波无损探伤在油管检测中的应用超声波无损探伤技术是一种通过声波的传播和反射来检测材料内部缺陷的技术，被广泛应用于工业领域的质量检测和安全评估中。

在石油行业中，油管作为输送石油和天然气的重要设施，其质量和安全性直接关系到整个油气输送系统的安全稳定运行。

超声波无损探伤技术在油管检测中的应用具有十分重要的意义。

本文将介绍超声波无损探伤技术在油管检测中的原理、方法和应用，并探讨其在石油行业中的发展前景。

一、技术原理超声波无损探伤技术是利用超声波在材料内部的传播和反射特性来检测材料内部缺陷的一种技术。

当超声波通过材料时，如果遇到材料内部的缺陷，如裂纹、气孔、夹杂等，超声波就会发生反射或折射，从而形成检测信号。

通过分析这些信号的特征，可以确定缺陷的位置、形状和大小，进而评估材料的质量和安全性。

在油管检测中，通常会使用纵波和横波两种超声波进行检测。

纵波是指超声波的振动方向与传播方向一致，适用于检测表面近的缺陷；横波是指超声波的振动方向与传播方向垂直，适用于检测表面远的缺陷。

通过选择合适的超声波波束和检测模式，可以实现对油管内部各种类型和位置的缺陷进行精准的检测和评估。

二、技术方法超声波无损探伤技术在油管检测中有多种方法和工艺可供选择，主要包括手持式探测、自动化探测和多通道同步探测等。

手持式探测是指检测人员用手持式超声波探测仪在油管表面逐点进行检测，适用于小范围、单一缺陷的检测。

自动化探测是指利用机械臂或机器人携带超声波探测仪进行自动化检测，适用于大范围、多点、复杂缺陷的检测。

多通道同步探测是指同时使用多个超声波探测仪对同一位置进行检测，并通过同步分析来提高检测精度和效率。

这些方法各有特点，可以根据具体的检测要求和条件进行选择和应用。

除了检测方法，超声波无损探伤技术在油管检测中还需要考虑探头的选择、声束的调节、信号的处理和分析等技术环节。

不同类型和尺寸的油管，不同类型和深度的缺陷，都需要选用合适的探头和声束，并采用适当的信号处理和分析方法，才能实现准确、全面的检测。

油气管道工程相控超声检测技术规程引言：油气管道工程是现代工业发展中不可或缺的基础设施，而相控超声检测技术作为一种高效准确的无损检测方法，对于油气管道工程的安全运行起着重要作用。

本文将围绕油气管道工程相控超声检测技术规程展开讨论，深入探究其实施流程、关键技术和质量控制等方面的内容。

一、相控超声检测技术概述相控超声检测技术是一种利用超声波在材料中传播、反射和散射的物理特性，通过对超声信号的处理和分析，实现对材料内部缺陷的探测和定位。

该技术具有精度高、全面性强、速度快等特点，因此在油气管道工程中具有广泛应用。

二、相控超声检测技术规程制定流程1. 制定规程前的准备工作：明确检测目标、确定检测标准和要求、了解管道结构和材料特性等。

2. 规程的编制：根据国家和行业相关标准，结合实际情况编制相控超声检测技术规程。

3. 规程的审核和修订：经过专家组的审核和实际应用的验证，对规程进行修订和完善。

4. 规程的发布和培训：将规程发布，并组织相关人员进行培训，确保规程得到有效执行。

三、相控超声检测技术的关键技术1. 超声波发射和接收技术：选择合适的超声传感器，确保超声波能够准确发射和接收。

2. 相控阵列技术：利用多个发射和接收元件组成的阵列，实现对管道内部的全面扫描。

3. 信号处理和分析技术：对接收到的超声信号进行滤波、增益调节、时域分析等处理，提取有用信息。

4. 缺陷检测和评估技术：根据超声波的反射和散射特性，对管道内部的缺陷进行检测和评估。

四、相控超声检测技术的质量控制1. 人员培训和资质认证：对从事相控超声检测技术的人员进行培训和考核，确保其具备相关专业知识和操作技能。

2. 仪器设备校准和维护：定期对相控超声检测仪器设备进行校准和维护，确保其准确可靠。

3. 实施标准化操作：严格按照相控超声检测技术规程的要求进行操作，避免人为误操作带来的误差。

4. 缺陷评估与记录：对检测到的缺陷进行评估，并及时记录，为后续的维修和改进提供依据。