吳　斌,曹海洋,劉秀成,劉增華,何存富

(北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院， 北京 100124)

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干耦合式磁致伸縮導(dǎo)波管道檢測系統(tǒng)

吳斌,曹海洋,劉秀成,劉增華,何存富

(北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院， 北京 100124)

針對大管徑、高溫管道，提出了機械夾持與耦合劑的組合耦合方法，設(shè)計出一種適用于磁致伸縮傳感器的柔性機械夾持裝置。該柔性機械夾持裝置可提供較強的預(yù)緊力，并保證鐵鈷合金帶與被測管壁間的作用力沿環(huán)向均勻作用。對比測試結(jié)果表明，干耦合方式不受管道溫度限制，激勵的導(dǎo)波能量與信噪比和采用環(huán)氧樹脂粘貼耦合方式相當(dāng)。利用課題組研制的MsTGW磁致伸縮導(dǎo)波管道檢測儀，將干耦合式磁致伸縮傳感器應(yīng)用于工程檢測中，可以有效定位出大管徑、高溫管道中的特征結(jié)構(gòu)及缺陷位置，定位誤差小于5%。所設(shè)計的機械夾持裝置在工程現(xiàn)場中安裝使用方便，具有很好的工程應(yīng)用前景。

磁致伸縮;導(dǎo)波檢測;干耦合;管道

在石油化工行業(yè)中，常在低溫黏性油品輸送管道表面安裝伴熱電纜,用電能產(chǎn)生熱量對油品管道進(jìn)行電伴熱，以提高管道溫度，減小油品輸送阻力。以油田為例，產(chǎn)出原油溫度在120～180 ℃[1]，通常運輸原油管線采用電伴熱處理使得管壁溫度更高。另外，化工行業(yè)所使用的物料運輸管線部分管壁溫度甚至在350 ℃以上。上述管道輸送介質(zhì)對管壁具有較強的腐蝕作用，易導(dǎo)致油品泄漏甚至管道爆炸等事故。因此，管道腐蝕的無損檢測至關(guān)重要。

圍繞管道無損檢測新方法與新技術(shù)，國內(nèi)學(xué)者已做了大量研究和探索[2-3]，其中在磁致伸縮導(dǎo)波管道檢測技術(shù)方面取得了較大進(jìn)展，已開發(fā)出與國外高端儀器性能相當(dāng)?shù)膶Ｓ迷O(shè)備，并開展了工程應(yīng)用。

華中科技大學(xué)團(tuán)隊[4]在磁致伸縮縱向模態(tài)導(dǎo)波理論、傳感器優(yōu)化等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，開發(fā)出適用于纜索檢測的磁致伸縮導(dǎo)波儀器；浙江大學(xué)浙大精益公司研發(fā)出高性能磁致伸縮帶材，并以低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,1)導(dǎo)波理論為基礎(chǔ)，研制出扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮管道檢測儀[5]；北京工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊對帶包覆層和充液管道中導(dǎo)波的傳播特性進(jìn)行了細(xì)致分析[6]，提出并實現(xiàn)了虛擬相控聚焦[7]等導(dǎo)波檢測新方法，研制出基于柔性、高頻扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器的專用儀器[8]，并應(yīng)用于海上石油平臺和石化廠架空工藝管線檢測中。

受限于現(xiàn)有傳感器的工作方式和結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)開發(fā)的磁致伸縮導(dǎo)波檢測設(shè)備主要針對小徑(20～30 mm)常溫管道[9]，尚難以直接應(yīng)用于高溫、大直徑管道。扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器的核心是磁致伸縮帶材，可通過環(huán)氧樹脂粘貼式或干耦合式與被測管道表面進(jìn)行聲波傳遞。湯歡等[10]通過對比測試指出：即使在磁致伸縮帶材與管道表面間增加聲阻抗匹配材料，傳感器采用干耦合方式(氣囊[11]、卡箍或扎帶緊固)產(chǎn)生的聲波傳遞效率仍低于環(huán)氧樹脂粘貼式。但在高溫管道表面，環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物會因氧化分解而失去黏性，目前現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂都存在不能同時具備耐高溫性與高黏性的缺點[12],導(dǎo)致磁致伸縮條帶無法粘貼耦合至管道表面，而只能選擇干耦合工作方式。此外，采用常規(guī)卡箍或扎帶只能針對小徑管道，應(yīng)用于較大管徑時施加的預(yù)緊力有限且難以保證預(yù)緊力周向作用均勻,造成磁致伸縮條帶局部壓力過大或局部壓力不足的狀態(tài)。因此，有必要開發(fā)能夠適應(yīng)不同管徑的干耦合式磁致伸縮傳感器，實現(xiàn)對高溫管道腐蝕缺陷的有效檢測。

筆者針對大直徑、高溫管道的無損檢測，設(shè)計出一款適應(yīng)不同管徑的柔性機械夾具，能夠?qū)⒋胖律炜s傳感器有效地干耦合至管道表面。對比試驗測試與工程實際應(yīng)用結(jié)果表明：該傳感器可以實現(xiàn)對大直徑、高溫管道腐蝕缺陷的有效檢測。

1　檢測系統(tǒng)

圖1所示為筆者所在團(tuán)隊研制的MsTGW型磁致伸縮導(dǎo)波管道檢測儀。

圖1　磁致伸縮超聲導(dǎo)波管道檢測系統(tǒng)外觀

MsTGW型磁致伸縮導(dǎo)波管道檢測儀所用傳感器采用了高性能磁致伸縮鐵鈷合金條帶，采用FFC式排線實現(xiàn)低頻(32 kHz～128 kHz)導(dǎo)波的激勵與接收，并研制出柔性FPC式兆赫茲扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波激勵線圈(見圖1)[8]。

MsTGW型磁致伸縮導(dǎo)波管道檢測儀的磁致伸縮傳感器主要采用環(huán)氧樹脂粘貼工作方式，即傳感器所用的磁致伸縮帶材通過環(huán)氧樹脂與被測管壁耦合，這種耦合方式可以實現(xiàn)磁致伸縮帶材與被測管道間振動能量的高效傳遞。該檢測儀已進(jìn)行了大量的工程測試試驗，圖2給出了某石化廠工藝管線磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測示意及其典型信號。

圖2　某石化廠磁致伸縮超聲導(dǎo)波管線檢測示意及信號波形

從圖2可以看出，該管線上典型結(jié)構(gòu)的回波信號清晰可辨，對典型結(jié)構(gòu)的定位誤差小于3.42%。檢測結(jié)果見表1。

檢測管道所輸送介質(zhì)為輕油，服役時間26個月，在距離傳感器安裝位置右側(cè)7～9 m范圍內(nèi)管線存在明顯腐蝕，對應(yīng)于圖2(b)中標(biāo)記的信號D1。這表明，MsTGW型導(dǎo)波管道檢測儀可以準(zhǔn)確檢測出管線上結(jié)構(gòu)位置及腐蝕缺陷位置。

2　機械耦合式磁致伸縮傳感器

MsTGW型磁致伸縮導(dǎo)波管道檢測儀采用的鐵鈷合金條帶在溫度不超過800 ℃[13]時，均具有良好的導(dǎo)波激發(fā)性能。超聲檢測中，常采用耦合劑(如蜂蜜、環(huán)氧樹脂等)改善傳感器與被測材料間的聲阻抗匹配，提高聲波在介質(zhì)層間的傳遞效率。由于環(huán)氧樹脂固化方式難以適用于高溫管道，筆者提出了基于柔性機械夾具和液體耦合劑的聯(lián)合耦合方法，實現(xiàn)鐵鈷合金條帶與管道表面的良好耦合，以使系統(tǒng)可應(yīng)用于外徑大于300 mm的高溫管道。如圖3所示，設(shè)計的機械夾具包括工字軸、連接螺栓、夾板及箍帶，兩個工字軸平行放置，兩端由連接螺栓進(jìn)行連接，間距可通過連接螺栓進(jìn)行調(diào)整。安裝過程中，將磁致伸縮條帶繞合在被測管道表面，采用柔性不銹鋼箍帶包覆磁致伸縮條帶，兩端分別穿過工字軸后經(jīng)夾板緊固，緊固前可拖動不銹鋼箍帶對磁致伸縮條帶施加徑向預(yù)緊力，使其與被測管壁完好貼合。

圖3　機械耦合式磁致伸縮傳感器安裝示意

為測試柔性機械夾持條件下磁致伸縮傳感器的導(dǎo)波檢測能力，在某海上石油平臺工藝管線(外徑588 mm，壁厚30 mm，管壁溫度155 ℃)上進(jìn)行對比試驗。檢測管道所輸送介質(zhì)為原油液，服役時間20個月，檢測管道上存在三處腐蝕缺陷，具體位置見圖4(a)。將鐵鈷合金條帶通過蜂蜜耦合至管道表面，先后采用橡膠扎帶和圖3所示機械夾具固定，并采集傳感器檢測信號,見圖4(b)。

圖4　某海上石油平臺工藝管線檢測示意及不同預(yù)緊方式下的檢測對比結(jié)果

相比鐵鈷合金條帶，橡膠或塑料扎帶的寬度較小，需采用多條捆扎或多次纏繞的方式，對鐵鈷合金條帶施加預(yù)緊力。從圖4(b)所示結(jié)果可以看出:采用橡膠扎帶夾持方式，在傳播距離4 m范圍內(nèi)存在明顯干擾信號；當(dāng)傳播距離大于7 m后，傳感器未接收到回波信號。這是由于該種方式難以保證鐵鈷合金條帶與管壁的耦合質(zhì)量，易出現(xiàn)預(yù)緊力沿鐵鈷合金條帶環(huán)向、寬度方向作用不均勻的情況，不僅降低了鐵鈷合金條帶的導(dǎo)波激勵能力，還會引起導(dǎo)波信號的非軸對稱激勵。

對比而言，采用設(shè)計的柔性夾具，不銹鋼箍帶寬度略大于鐵鈷合金條帶，采用基于工字軸的夾持部件可調(diào)整箍帶對鐵鈷合金條帶施加的徑向預(yù)緊力，提高了鐵鈷合金條帶與管壁耦合的均勻性，降低了非對稱激勵對檢測信號的影響。此外，不銹鋼箍帶施加的預(yù)緊力明顯大于橡膠或塑料扎帶，有利于增加導(dǎo)波在管壁與鐵鈷合金條帶間的傳遞效率，提高導(dǎo)波激勵與接收能量。

因此，圖4(b)所示信號中包括距離測點約13.8 m處彎頭焊縫的反射信號，表明機械夾具作用時，傳感器激勵導(dǎo)波能量可以在管道中傳播更遠(yuǎn)的距離，有利于檢測到腐蝕缺陷反射信號(D2和D3)。此外，橡膠扎帶方式出現(xiàn)的干擾信號得到了較好地抑制，各信號對應(yīng)的管道結(jié)構(gòu)位置分析結(jié)果見表2。

表2　某海上石油平臺工藝管線檢測信號分析結(jié)果

值得注意的是，采用機械夾具時，在距離約1.65 m處存在一處明顯回波信號，但經(jīng)實地查驗，該處并無缺陷。該信號可能為激勵信號在鐵鈷合金條帶與不銹鋼箍帶間的耦合散射而引起的特征信號[10]。大量測試結(jié)果表明，采用柔性機械夾持耦合方式時的特征信號難以抑制，從而導(dǎo)致導(dǎo)波檢測盲區(qū)的出現(xiàn)。

3　工程應(yīng)用

將研制的柔性機械夾具應(yīng)用于干耦合式磁致伸縮傳感器中，開展導(dǎo)波管道工程檢測應(yīng)用。圖5為某海上石油平臺工藝管線檢測現(xiàn)場。

先后針對管徑320 mm(溫度40 ℃)和管徑200 mm(溫度120 ℃)的兩條管線進(jìn)行檢測。其中安裝于管徑320 mm的磁致伸縮傳感器工作中心頻率為64 kHz，檢測信號見圖6(b)；安裝于管徑200 mm的磁致伸縮傳感器工作中心頻率為128 kHz，檢測信號見圖7(b)。

依據(jù)現(xiàn)場測得的管線結(jié)構(gòu)位置示意(圖6(a)和7(a))，對檢測信號進(jìn)行分析，分析結(jié)果分別列于表3,4。

圖5　某海上平臺管道檢測現(xiàn)場

圖6　大管徑常溫管線的導(dǎo)波檢測示意及檢測波形

圖7　小管徑高溫管線的導(dǎo)波檢測示意及檢測波形

綜合來看，受與機械夾持有關(guān)的特征信號影響，距離測點1 m范圍為檢測盲區(qū)。兩種頻率的導(dǎo)波均能很好地檢測出管道中特征結(jié)構(gòu)(包括彎頭焊縫、法蘭、直管焊縫等)引起的反射回波信號。依據(jù)導(dǎo)波檢測信號，對兩條管道中各特征結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行判定的相對誤差小于5%。

圖6(a)所示管線中采用的兩處支架并未焊接至管道表面，僅具有簡單支撐作用，因此導(dǎo)波在該處不存在明顯反射信號。當(dāng)導(dǎo)波先后經(jīng)過彎頭兩處焊縫時，焊縫產(chǎn)生的反射回波存在差異，例如相比信號EW3，信號EW2表現(xiàn)出兩個疊加回波的形式。雖然彎頭焊縫信號可以通過事先標(biāo)記等方式進(jìn)行辨識，但上述回波出現(xiàn)差異的內(nèi)在機理值得深入研究。

表3　大管徑常溫管線的檢測信號分析結(jié)果

表4　小管徑高溫管線的檢測信號分析結(jié)果

采用中心頻率128 kHz的磁致伸縮傳感器對管道進(jìn)行檢測時,具有比中心頻率為64 kHz的磁致伸縮傳感器更高的檢測靈敏度，共檢測出兩處腐蝕缺陷D1和D2。由于焊接支架距離測點位置較近(約0.5 m)，產(chǎn)生的反射回波信號處于盲區(qū)內(nèi)，故導(dǎo)致其無法從檢測信號中分辨出來。但當(dāng)導(dǎo)波遇到直管焊縫W后，產(chǎn)生的反射信號再次遇到焊接支架時，將形成二次反射信號，見圖7(b)中標(biāo)記的W-PS信號。

4　結(jié)論

(1) 提出的基于柔性機械夾具和液體耦合劑的聯(lián)合耦合方法能夠適用于大直徑、高溫管道的導(dǎo)波檢測。對比測試結(jié)果表明，柔性機械夾持方式下，MsTGW導(dǎo)波管道檢測儀激勵的導(dǎo)波能量傳播距離更遠(yuǎn)，對干擾信號具有更好的抑制作用。

(2) 針對海洋石油平臺的大直徑、高溫工藝管線開展的工程檢測結(jié)果顯示，采用干耦合方式，磁致伸縮傳感器中心頻率為64 kHz和128 kHz時，對工程實際管道中結(jié)構(gòu)(彎頭焊縫、直管焊縫、法蘭、支架)及缺陷的定位誤差均小于5%。

(3) 當(dāng)采用基于柔性機械夾具的干耦合方式時，受傳感器自身結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)波檢測存在一定的盲區(qū)范圍(約1 m)；導(dǎo)波在管道中傳播時會在特征結(jié)構(gòu)中來回反射而形成二次回波，增加信號識別難度。

綜上所述，基于柔性機械夾具的干耦合式磁致伸縮傳感器可以對管道進(jìn)行有效的導(dǎo)波檢測。相比傳統(tǒng)干耦合方式，傳感器采用文中提出的工作方式時，獲取的檢測信號能量更高，信噪比更佳。但當(dāng)前針對管道導(dǎo)波檢測信號的辨識技術(shù)的研究還較少,對彎頭、支架、法蘭和支管等結(jié)構(gòu)處的反射信號的特征還不能明晰辨識。此外，二次反射信號的存在進(jìn)一步增加了導(dǎo)波檢測信號的識別難度。

因此，在開展工程檢測應(yīng)用過程中，需要針對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量測試，以獲取特征信號數(shù)據(jù)庫，解決導(dǎo)波檢測信號的智能識別問題，提升所開發(fā)儀器的檢測精度。

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Dry-Coupled Magnetostrictive-Based Guided Wave Equipment for Pipeline Inspection

WU Bin, CAO Hai-yang, LIU Xiu-cheng, LIU Zeng-hua, HE Cun-fu

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

A combined method using both liquid couplant and mechanical clamping is proposed for magnetostrictive sensor to inspect large diameter and high temperature pipelines. The tailor-made flexible clamping structure was devised for applying strong pressure onto the MsS strip to ensure that the interaction force between the iron-cobalt alloy strip and tested pipe surface evenly distributes along the circumferential direction. The presented coupling method is unaffected by the pipeline temperature. The MsS employing this coupling method can generate equivalent guided wave energy to that of a MsS pasted onto the pipe surface using epoxy. Then, the presented dry-coupled MsS is applied for practical inspections based on the developed MsTGW inspection system. The experimental result obtained from large diameter and high temperature pipelines show that the dry-coupled MsS-based guided wave technique can locate the positions of the featured structure and defects with an error less than 5.00%. The presented flexible clamping structure has good application prospects because it can be easily installed onto the tested pipeline surface.

Magnetostrictive; Guided wave inspection; Dry-coupled; Pipeline

2015-12-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(11132002、11402008);北京市自然科學(xué)基金資助項目(3154030);中國博士后科學(xué)基金資助項目(2014M560029)

吳斌(1962-)，男，教授,博士研究生導(dǎo)師,主要從事應(yīng)力波理論、無損檢測新技術(shù)等方面的研究工作,E-mail: wb@bjut.edu.cn。

劉秀成,E-mail: xiuchliu@bjut.edu.cn。

10.11973/wsjc201609003

TG115.28

A

1000-6656(2016)09-0009-05