站场埋地管道超声导波检测技术应用

摘要：站场埋地管道是我国对关键能源与物质运输的重要通道，其安全问题对场站的平稳运营及人身财产的安全具有重要意义。现有的射线检测、目视检测、超声波等检测手段存在辐射危害大、检测费用高、对操作人员技术水平要求高、适用范围有限等问题。因此，探索一种高效、准确、低成本的管道检测技术显得尤为重要。超声导波检测技术是一种新型的管道无损检测方法，具有衰减小、检测距离长、对缺陷分辨率高等特点，非常适用于长距离管道的健康监测。本篇文章致力于探讨超声导波检测技术在站场地下管道检测中的运用，目的是为管道安全运行提供技术支撑。

关键词：站场；埋地管道；超声导波；检测

Abstract: Underground pipelines in stations are important channels for the transportation of key energy and materials in China, and their safety issues are of great significance for the smooth operation of stations and the safety of people and property. The existing methods of radiation testing, visual testing, ultrasonic testing, etc. have problems such as high radiation hazards, high testing costs, high requirements for the technical level of operators, and limited applicability. Therefore, exploring an efficient, accurate, and low-cost pipeline inspection technology is particularly important. Ultrasonic guided wave testing technology is a new type of non-destructive testing method for pipelines, which has the characteristics of low attenuation, long detection distance, and high defect resolution. It is very suitable for health monitoring of long-distance pipelines. This article is dedicated to exploring the application of ultrasonic guided wave detection technology in the detection of underground pipelines in stations, with the aim of providing technical support for the safe operation of pipelines.

Keywords: station yard; Buried pipelines; Ultrasonic guided waves; detection

站场埋地管道铺设复杂、管径不一、弯头和三通数目众多，且直管段长度偏小。地下管道的防腐涂层通常无法在工厂内进行加工，但由于目前的工程环境，难以对涂层质量进行有效地控制。另外，主要管道的锈蚀检查变得更加复杂。当前，场埋地管道腐蚀检测普遍采用全面开挖后，利用传统的无损检测方法对管道壁厚和焊缝等部位进行检测的方法，开挖工作成为检测的主体，存在工期长、费用高、效率低等问题。超声导波具有检测范围广、可对管道进行100%无损检测等优势，受到了广泛的应用。由于站场埋地管道的特性，超声导波检测技术检测范围受限，而采用超声导波检测技术可以显著降低基坑开挖工作量，节省工程造价[1]。

一、超声导波检测技术原理

超声导波是一种特殊的波动形式，是一种沿着介质结构长度方向传播并受到其本身几何边界的有效导向和约束的弹性机械波。该波动模式在管道等细长结构中的传播方式是轴向方向，它的传输性质不仅与声波的频率有关，还与介质的厚度有关。随着管道的截面积减薄或增厚，超声导波在传输中将遇到这些不均匀性，并由此引发一系列的反射、散射等复杂物理问题。在此过程中，总有一定比例的导波能量通过不连续性反射回传感器上。在管道或结构中，这些回波信号是进行缺陷尺寸及定位的主要参考。通过准确地分析反射信号，可以获得有关缺陷的大量信息。另外，在实际应用中，除了有直接的反射回波外，还会引发附加的波形转换信号等复杂的回波信息。这些附加信息为有关金属缺损和管道外形特征，提出了进一步的建议。通过对回波信息的深度解析，能够更加精确地确定缺陷的类型、尺寸和位置，从而为管道和结构的安全做出综合评估[2]。超声导波检测技术原理如图1所示。

图1：超声导波检测原理的示意图

二、站场埋地管道超声导波检测技术的应用

（一）超声导波现场检测流程

站场埋地管道的超声导波检测技术检测一般可分为前期准备、设备安装和数据采集三个阶段。1.在施工前的准备阶段，要对施工现场进行细致的调查，对施工现场的材料、管径、壁厚、埋深、周边情况等有充分的认识，保证施工方案的合理性与可靠性。并针对管道的特点，选用适当的仪器及探针。2.设备安装阶段，须将导波传感器安装于管道内，一般通过磁吸附或机械夹具的方式将传感器与管道连接，以保证传感器与管道的充分接触。3. 在数据采集阶段，利用超声导波设备发射的低频率的超声波信号，信号沿着管道传递，再被传回感测器，设备记录下这些反射信号。实践证明，利用超声导波进行管道中缺陷的检测是一种非常有效的方法。例如，某站场埋地管道的检测数据显示，采用超声导波检测技术对管壁厚度超过10%的腐蚀缺陷进行检测，其检测精度达到了±10 mm。另外，这种方法的检测距离可以达到100m，极大地提升了检测的效率。与传统检测方式相比，超声导波检测技术具有明显优势[3]。

（二）超声导波检测实施

为了保证检测结果的准确、可靠，应严格遵循施工规范。一方面，检测人员要清理管道上的锈斑、涂层等障碍物，保证传感器与管道的接触。同时，选取合适的导波频率，通常在20kHz至100kHz之间。由于频率是否合理选择对检测灵敏度和穿透深度有直接影响，因此低频信号能够穿透更厚的管道壁，但低频信号分辨率较低。高频信号分辨率高，但是其穿透深度有限。此外，为了保证信号在管道中的传输与接收，一般采用环形阵列布置。为了保证测量结果的稳定与一致性，必须对信号的质量进行实时监测。另一方面，做好数据分析工作。利用专用软件对检测到的信号进行分析，从而实现对管道内部缺陷信号的诊断。例如：在某次检测工作中，通过数据分析发现在距离传感器50m处存在明显的反射信号，通过进一步确认发现此处存在一个20 mm左右的腐蚀坑。从检测到的信号幅度时间延迟来判断，腐蚀坑深度约为管道壁厚的30%，属于严重程度的缺陷。在检查结果的基础上，应对裂缝的位置、大小及严重程度做详尽的说明，并对后续的开挖和修复提出意见。对站场埋地管道的检测数据表明，采用超声导波检测技术对管道进行监测，其检测正确率大于90%，且与传统的监测方式相比，可节省50%左右的时间（如表1）。另外，采用这种方法可以使管道的检验费用降低30%左右，从而使管道的运行更加安全可靠。对管道进行周期性的超声导波检测技术检查，可以防止管道事故的发生，保障站场的正常运行[4]。

表1：传统检测方法和超声导波检测技术对比表

（三）检测数据处理与分析

超声导波检测技术是通过发射低频超声波信号，利用其在管道中的传播特性，能够快速获取大范围管道的完整性信息的技术。在实际应用中，超声导波信号将与管道内部缺陷（如腐蚀、裂纹、焊缝等）发生交互作用，引起反射、散射等信号的改变。将该信息输入到传感器中，再将其转化为原始数据。在对测量结果进行分析的过程中，首先要对检测到的信号进行滤波处理，以消除环境噪声和设备噪声，同时保留有用的导波信号值。并通过时域和频域分析，对信号中反射波幅值、传播时间、频率衰减等的特征参数进行有效提取，利用这些参数能够对缺陷位置进行有效确定，并评估缺陷严重程度，例如：如果反射波幅值的异常增加，则表示有腐蚀或裂纹，而传播时间的延迟则表示管道壁厚的减薄。同时，数据分析还通过对管道材料、壁厚和运行环境的综合考虑，对缺陷识别的准确性进行优化。通过与以往的检测结果进行比较，可以判断出管道的缺陷程度，从而为管道的维修管理提供参考。通过对管道运行状态进行实时监测，得到管道运行状态的图像，如波形图、频谱图、3D图像等，使相关人员能够有效了解管道状况[5]。

（四）检测结果评估与报告编制

对站场埋地管道进行超声导波检测的最终环节是对检测结果进行评估，并编写出相应的报告。在评估过程中，通过对监测数据的处理和分析，并考虑管道设计参数、运行历史及运行工况等因素，对检测到的缺陷进行综合评估。评估的主要内容有：缺陷种类、部位、大小、危害程度和对管道的安全性。比如，针对有腐蚀性的情况，要评定它的厚度，看它的厚度有没有超出容许的壁厚；对于裂纹缺陷，则需要评估其扩展风险。为了保证评估的科学性和合规性，在评估时一般都会参照有关的标准与规程。在报告编制过程中，应将检测方法、检测设备、检测范围、检测内容、检测结论和检测方法等内容进行详尽地记载。报告还应附上相关的数据图表和图像，如缺陷分布图、波形对比图等，以便于后续的审查和决策。比如，某次检测报告中显示，某段管道腐蚀缺陷深度已经达到管壁厚度的30%，因此必须马上进行局部修复，并对该处进行定期监测。报告编制完成后，需提交给相关部门或客户，以便对管道的安全进行有效的控制，超声导波检测技术能够为站场埋地管道的安全运行提供有力支持[6]。

结论：

超声导波检测技术是一种前沿的管道缺陷检测技术，具有诸多优点。相对于传统的无损检测技术，超声导波技术以其高效、准确、定位准确的优势，在埋地管道和跨径管道的管道内壁锈蚀检测方面有着广阔的发展空间。基于超声导波检测技术信号的自动处理与分析，可以有效地对管道进行实时监测，并对其进行安全性评估。在今后的研究中，将会伴随着科学技术的发展和更广泛的使用场合，对超声导波技术进行改进与优化，提高其检测性能与适用领域。

参考文献：

[1]邢洁荣,刘广业,魏晓磊,等.埋地管道超声导波检测技术应用与研究[J].中国设备工程,2024,(S2):210-213.

[2]吴明畅,杨绪运,郑贤英,等.站场工艺管道小口径支管角焊缝相控阵超声检测工艺[J].压力容器,2023,40(06):72-79.

[3]王大朋,赵世佳,程永航,等.站场管道检测方法及应用案例[J].当代化工研究,2022,(04):183-185.

[4]费凡,王彦军,邸鑫,等.输气站场工艺管道超声导波信号对比研究[J].浙江化工,2020,51(01):46-49.

[5]蒋林林,杨涛,周冰,等.站场埋地管道超声导波检测技术应用[J].无损检测,2017,39(06):36-39.

[6]王遂平,龙媛媛,张春茂,等.超声导波检测技术在埋地占压管道检测与风险分析中的应用[J].无损检测,2012,34(03):35-37.

基金来源：江苏省市场监管技术创新中心（油气储运设施安全运维）2024JC01-KY