Page 79 - 无损检测2024年第十二期

孔 超，等：

管道压电超声裂纹内检测技术进展

1 油气管道裂纹内检测技术

长输油气管道内检测技术是利用管输介质（石
油或天然气）驱动内检测装置在管道内随介质运行，
内检测装置上搭载的电子系统和不同类型传感器， 图 1 压电超声裂纹检测技术在气体管道中的应用示意
可实时检测和记录管道上的变形、腐蚀、裂纹等损伤
工艺拓展了压电超声管道裂纹内检测技术在输气管
情况及其准确位置信息，以便于后期对损伤情况进
道裂纹内检测应用中的适用性 [13] 。
行详细评估，了解管道上各类缺陷的危害程度，为系
统维修提供准确的参考依据。内检测技术的应用， 2 压电超声裂纹内检测原理
可预防和有效减少油气管道安全事故并节约维修资
对于液体输送管道，输送介质（油、水等）是天
金，是保障油气管道安全的重要措施。
然的耦合剂。进行管道裂纹检测时，压电超声传感器
针对油气管道上存在的裂纹类缺陷（包含开口
发射一定时宽的超声波，该超声波倾斜入射到管道内
和非开口裂纹两种），常用的内检测方法有压电超声
壁，在分界面发生反射和折射。折射波存在折射纵
裂纹检测（UTCD）、电磁超声检测（EMAT）、可控
波和折射横波。一般情况下，管材中的纵波速度V p ，
相位的超声波阵列检测和涡流检测等 。其中，压
[7]
横波速度V s 和输送液体介质中的纵波速度V f ，存在
电超声裂纹检测采用超声波直接检测被检管道上的
V p >V s >V f 的关系，所以入射角α，横波折射角β 和
裂纹缺陷，具有检测精度和灵敏度高、量化准确等优
纵波折射角γ 存在α<β<γ 的关系。随着入射角的增
点，但要求被检管道与压电超声传感器之间有耦合
剂，因此仅适用于水、原油和成品油等液体输送管道 大，折射角也随之增大，当入射角增大到某一角度时，
纵波折射角γ=90°，随着入射角继续增大，折射纵波
[8]
的裂纹检测 。电磁超声裂纹检测利用电磁-声耦
消失，仅存在折射横波。当入射角增大到某一角度时，
合转换方法，以洛伦兹力、磁致伸缩效应为基础，激
横波折射角β=45°，此折射横波在管道内传播，在管
励和接收超声波，不需要耦合介质，可适用于气体输
道内外表面发生多次反射。如果管道存在裂纹缺陷，
送和液体输送管道，但受电磁超声换能器尺寸和换
能效率的影响，其设备很难小型化，仅用于中大口径 这个折射横波则被反射，基本沿原路径返回传播，被
同一超声波传感器接收。通过分析裂纹反射波的传
管道的裂纹检测 。可控相位的超声波检测阵列与
[9]
播时间，幅度和相位等信息，可以实现裂纹缺陷的量
压电超声检测原理基本相同，可同时进行裂纹和腐
化和定位，从而识别各种裂纹和类裂纹缺陷，压电超
蚀缺陷的检测，但检测过程中要求检测器在一个相
声裂纹内检测技术原理如图2所示。
对较低的速度范围内运行，因此适用性受到了一定
的限制 [10] 。涡流检测利用电磁感应原理对被检金属
管道进行无损检测，受限于趋肤效应、磁导率和电导
率等因素的影响，只能检测管壁及附近区域的缺陷，
且对裂纹类缺陷的判别、分析和量化，需要辅以特殊
的信号处理技术及算法 [11] 。另外，也有一些国外检
测公司采用超高清漏磁金属损失检测技术来发现油
气管道上的开口裂纹缺陷，但其为间接测量方式，难
以定量描述裂纹类型和尺寸大小，检测效果并不理
图 2 压电超声裂纹内检测技术原理示意
想 [12] 。因此，压电超声裂纹内检测技术成为目前在
3 国外技术进展
役油气管道裂纹缺陷内检测及完整性评价的首选。
此外，为了实现压电超声裂纹内检测技术在气 由于国外油气管道建设和发展起步较早，对于
体管道工况中的推广应用，可根据长输管道发、收球 压电超声管道检测技术的研究和应用也相对较早。
站的站间距，场站工艺设备条件，输送介质工况等因 20 世纪 80 年代中期，国外开始将基于压电超声原
素进行综合分析，采用间隔封堵耦合介质的发、收球 理的检测技术应用于管道内检测领域，最初是利用
工艺完成气体管道的压电超声裂纹检测。压电超声 压电超声测厚仪进行管道剩余壁厚的检测。随着
裂纹检测技术在气体管道中的应用如图1所示，该 管道服役期增加，管体和焊缝裂纹的出现，开展了

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2024 年 第 46 卷 第 12 期
无损检测