超声导波技术的原理和应用
天然气管道超声导波检测技术进展
天然气管道超声导波检测技术进展发布时间：2023-02-01T08:13:16.903Z 来源：《工程管理前沿》2022年第18期作者：邹慧慧[导读] 天然气管道建设的关键是安全问题，要确保所建的天然气管道能被实时监测，邹慧慧南京市锅炉压力容器检验研究院 210000摘要：天然气管道建设的关键是安全问题，要确保所建的天然气管道能被实时监测，需要应用相应的检测技术。
超声导波检测技术能有效检测天然气管道，同时具备较多的检测优点，所以在天然气管道的日常监测工作中，要强化对超声导波检测技术的应用，并加强对天然气管道超声导波检测技术进展的分析，不断增进对超声导波检测技术的认识，更好的应用超声导波检测技术。
关键词：天然气管道；超声导波；检测技术在经济社会快速发展的当前，随着人们环保意识的显著增强，对清洁能源的需求量增加，为有效满足人们的生活所需，天然气逐渐进入了人们的生活，并成为人们生活的重要组成部分。
天然气的使用需要铺设管道，同时要强化对管道的检测，实时把握天然气管道内部的情况。
现阶段多数的管道检测技术为人工，这一检测方式不仅效率低，同时还容易存在检测误差，出现更大的安全事故。
那么在此背景下要采取更为科学有效的检测技术，提升天然气管道使用安全性。
一、超声导波检测技术1、原理超声导波检测技术是一种新型的检测技术，其使用的原理是借助超声波换能器达到驱动电信号的目的，从而促使管道结构出现振动出现超声波，超声波在管道内外壁的反射掌握管道的情况。
具体来说，局限在管道内外表面的超声波主要是导波，其与体波存在差异，超声波在管道内外散射，会传输信号，在这些散射信号的帮助下，能有效的探测和定位管道中是否存在缺陷，进而达到管道检测的目的。
一般来说，在检测的过程中，超声导波对管道的接口以及焊缝等十分敏感，通过换能器接收信号，其中就包括这些检测的反射波，区分管道的缺陷。
超声导波通过材料以及缺陷的声学性能来实现管道检测，属于无损检测方法，其在管道内壁和外壁的翻身具有重复周期性的特征，且该周期与管壁厚度呈正相关，检测人员通过回波的实践来计算内壁与探头之间的距离，从而判断管道是否出现变形的问题。
压力管道超声导波检测的基本原理
压力管道超声导波检测的基本原理
导波是频率为20 kHz至100 kHz的声波，能够在穿透整个管壁基础上，沿着管壁传播，距离可达上百米。
在其传播过程中，遇到结构形状变化、异质体或相关缺陷时，会沿管壁发生脉冲波的反射，相应的传感器可以接收到。
由此可知，大范围远距离扫查和完全覆盖管壁是超声导波这一检测技术的特点。
固定在管道周围的探头卡环可以发射低频导波，为了保证管道表面和探头压电晶片的良好接触，需要在探头的背面采用机械或气体施加一定的压力，此过程并不需要液体耦合。
为了使得声波能够沿轴对称传播，对于管道环向的超声波探头，应当均匀地等间隔排列。
材料的厚度、声波的频率则是影响导波传播的因素，管壁截面积发生一定的增加或减少，会按照一定的比例反射到探头。
管道周向壁厚的增加在环形焊缝中是对称的，在分析这种管道的特征部位时，应当注意反射声波的对称性。
厚度的减薄则在腐蚀区域表现出不对称性，这就使得入射声波的散射可能在一定程度上附加到反射波中。
同时，还会发生一定的模式转换，所以，模式转换组分应加到组成的反射波模式中。
不统一的声源在模式转换声波中存在，造成其能够趋于产生相应的管道弯曲波，对称波和弯曲波能够被超声导波检测系统进行相应的区分和检测，并进行相应的显示。
超声导波技术在管道缺陷检测及评价中的应用
导波绕管壁螺旋式传播 的形态 （ ＝ ， ３ ， ｎ ｌ ，…） 对应 的 ２
是 非轴 对称 模态 的导波 ， 图 １ 示 ． 如 所
发展出来的一种能够对管道的金属腐蚀情况进行快 速、 长距离 、 大范围 、 相对低成本检测 的无损检测方 法 ［． 固体 中传 播 的超声 导 波 ， 在 由于本身 的特性 ， 沿
传 播路 径 的衰 减很 小 ， 以沿 构 件传播 几 十 至百 余米 可 远 的距 离 ［， ３ 因此 ， 以对 管道 进 行较 长距 离 的非 接触 】 可 式 检测 ． 时 ， 同 超声 导波 可 以在 充 液 、 埋地 、 带套 管 或
纵 歪 波 至三巨
…
图 １ 导波在圆管 中的三种模 态
析 了影 ｖ 道 超 声导 波检 测 准确 性 的 主要 因素 ，并 采 用纵 向和 扭 转 模 态 导 波 对 一段 ２ 向管 ４ｒ 、存 ｎ长
在 复杂管道特征及人 为加 工缺 陷的管道 进行 了实验．
关
键
词 ：管道 ；检测 ；超声导波
中 图分 类 号 ：Ｔ ９３ Ｅ７． ６
文献标 识码 ：Ａ 文章 编号 ：１０—８３２ １） ３０ １－５ ０ ６６５ （０ ０—２ ６０ １
管道 厚度 方 向上 的振 动形 态 ， 周 向阶数 ｎ表示 的是 而
由于我 国大部分油气管道 的服役 时间均 已在 ３ ０ 年 以上 ， 金属 的腐 蚀 已经 成 为威胁 管 道安 全运 行 的 故
严重 隐患 ．长距 离 油气 管 道 的检 测 作业 距 离 长 ， 置 位 变化 大 ， 道 沿线 障 碍物 多 ， 蔽 多 ， 管 屏 因此 ， 多管 道 很 部位 无 法 接触 或 接 近 ， 观 目视 检 查受 到 限 制 ． 就 宏 这 使检 测 者难 以掌 握 管道 的 全 面情 况 ， 得 更多 有价 值 获 的信 息 ． 超 声导 波 （ｌａｏ ｉ ｇ ｉｅ ｖ ｓ技 术是 近 年来 ｕ ｒｓｎｃ ｕｄ ｄｗａ ｅ） ｔ
超声波电磁导波技术应用
导波能提供全面的检测
管线、 容器、 船舶、和热交换管 高温应用 重复性好 可在役检测或停运期间检测 不需要耦合剂 高速扫查 粗糙的表面 厚的涂层 多种扫查显示 便携式系统更易于接近
EMAT 导波检测
从大的结构到小的管子都可以检测 高速的筛查工具 长距离的检测能力 重要的检测技术 制订相对通用的标准 针对局部和特定案例制订专项标准
N S
磁场可以通过永磁铁或电磁铁产生
常见的磁铁配置 外观形貌 • • • • • • • • • 特点 永久 “开” 可用的强劲的稀土元素 (NeFeB, SmCo) 价格便宜 难以处理大的传感器 能随时 “开” 或 “断” 提供合适的正常磁场 大的、笨重的和昂贵的传感器 方便的电驱动 非常适合的大面积磁化效果
洛伦兹力EMAT
EMAT的类型: 洛伦兹力EMAT, 磁 场垂直于涡流并获 得有效的洛伦兹力 (F=JxB) 磁致伸缩EMAT, 以 平面切向磁场建立 的磁致伸缩效应与 感应线圈的动态场 相互作用
N S
x x x x x x
磁致伸缩 EMAT
S N
x x x x x x
检测中可能会出现 的伤波信号
工件的一次端头波
EMAT 导波 试样 B-扫 图
10%
20% 30%
40%
50%
EMAT 筛查工具
能够为客户设计特定的应用
高速多种尺寸带编码 器的扫查器
大口径管周向导波 带编码器扫查器
EMAT 导波检测系统
永磁对极检小管径的 钢管方案
超声波电磁导波技术应用
波在约束下传播到端面或底部称之为导波或 板波
导波 质点振动方向 示意图
瑞利波或 表面波
椭圆形, 贯穿 一个波长
Lamb波
非对称的或 对称的
水平剪切 波
在水平方向上 与波传播方向 垂直
压电超声换能器（ UT）采用压电晶体激发超声波 、 电磁超声换能器(EMAT) 在零件中激发超声波
用 EMAT激发超声波等同于一个电动机的作业过程
100% 覆盖获取来自每一个位置的信息
圆周向的导波
高速、 体积检测 完成定位信息的捕获 高分辨率的基础 透射传输模式 声速阻尼衰减量的测量
即腐蚀坑
即均匀腐蚀
减薄速率测量
几何结构对导波传输的影响
凹坑对声波 的散射 衰减
波的传输
在减薄部位上波 传输时间改变
EMAT 导波 试样 “A”-扫波幅图
EMAT 检测技术
EMAT 导波
缺陷检测
常规壁厚减薄 孤立的锈蚀坑 均匀的腐蚀 氢致开裂 应力开裂 酸性侵蚀 贫铬 保温涂层管道腐蚀
局部导波
用于板或 大管道
EMAT
EMAT
轴向
或
圆周向
EMATs在管道里能形成有效的导波
发射传感器 接收传感器
导波沿轨道圆周环绕传播
高速完成整体筛选检测 有大面积覆盖的能力
EMAT 能够检测不能正常接近的区域
应用导波能够到达埋藏的或隐蔽的区域
EMAT 检测技术
·有保温层的管道在线监测 (CUI) ·高温管道系统 ·船舶检测 ·焊缝检测 ·管道支撑的检测 ·火焰加热器管子检测 ·容器检测 焊缝位置 土壤到空气监测
超声导波检测系统在油田管道检测中的应用
征信号大多均为对称信号 ， 在导波图谱 中由黑色线 显示 ， 管线腐蚀或缺陷等信号为非对称信号 ， 在ｅ ３超声 导 波 Ｗａ ｅＭａｋ ｒ Ｇ
收稿 日期 ：０ ０— ３—１ ；０ ０— ４－２ 。 ２１ ０ １２１ ０ ８
等 ， 以发现不 同性 质 的缺 陷 ） 利 用 返 回的 回波 ， 作 者简介 ： 江 （９ ８一） 男 ， 士研 究 生 ， 用 ， 王玉 １６ ， 硕 高级 工 程 师 ， 指示 缺 陷 的存 在 ， 断 管 道 的 腐 蚀 程 度 和 位 置 ， 判 但 现在中 国石 油化工股份胜利 油 田分公 司采油工程处 工作 。
整 个 管道 壁被 超声 波 的运 动所 激 励 ， 而实 现对 整 从
地 占压 、 穿跨 越管 线及 平 台导 管架 等输 送危 险介 质 的特种设 备或 关键 承 载结 构 ， 由于服役 环境 的 不可 触及 性 ， 常规 无 损 检 测 技 术 无 法 实 施 ， 使 即便 勉 强 做 到局 部开挖 或实 施水 下检 测 ， 只 能是点对 点 的 也
护研 究 所 利 用 某 架 空 ６ ７ ｍ 混 输 管 线 ， ２３ ｍ 对 Ｗａｅ ｋ ｒ ３超 声 导 波 检 测 系 统 进 行 了试 验 应 ｖｍａｅ Ｇ 用 ， 其检 测距 离 、 测 精 度 以及 缺 陷 定位 精 度进 对 检
行 了验 证 。
２ １ 检 测 结 果 ．
关 键 词 ： ｖｍａｅ ３超 声 导 波 检 测 系 统 管 道 检 测 试 验 应 用 Ｗａｅ ｋｒＧ 中 图 分 类 号 ：Ｅ ７ ． Ｔ ９３ ６ 文 献 标 识 码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：０７— １ Ｘ（０ ０ ０ ０５ ｏ １０ ０ ５ ２ １ ）４－ ０７一 ２
管 道在石 化 工业 以及 城 市建设 中 ， 着非 常重 起 要 的作 用 ， 随服役 期延 长 和介 质腐 蚀 、 老化 等原 因 ，
超声波检测技术的原理及应用
超声波检测技术的原理及应用超声波作为一种特殊的物理现象，广泛应用于科技领域中的检测、测量、成像等方面。
超声波检测技术就是利用超声波在材料中传播的特性，来向内部材料、构件等进行探测和检测。
超声波的原理是利用振动来产生高频波，这种波传播的速度要比空气中的声波高很多。
在物体内部，超声波会与物体中的材料发生相互作用，从而检测出物体内部的结构和缺陷。
超声波检测技术的应用范围很广，它可以用于管道、桥梁、飞机、汽车等各种构件的检测，也可以用于医学领域中的诊断和治疗。
以下是超声波检测技术的一些具体应用：1. 材料检测：在金属、塑料、玻璃、陶瓷等材料中，可以通过超声波检测技术检测出裂纹、气孔、夹层等缺陷。
这种非破坏性的检测方式，可以准确地判断材料的性能和强度。
2. 飞机结构检测：在飞机的机身、机翼等部位，可以通过超声波检测技术检测出疲劳裂纹等缺陷，避免飞机在高空中出现故障。
3. 消声器检测：在汽车排气管中的消声器中，可以通过超声波检测技术检测出破裂、堵塞等问题，保证汽车的排气系统正常工作。
4. 医学检测：在医学领域中，超声波检测技术可以用于诊断和治疗许多疾病，如乳腺癌、子宫肌瘤、心脏病等。
通过超声波探头向人体内部发送超声波，可以得到图像信息，以便准确诊断疾病。
5. 海洋探测：在海洋中，可以通过超声波检测技术来探测船舶、鱼群、海底地形等信息，以便做出更好的海洋规划和控制。
总的来说，超声波检测技术具有非破坏性、高精度、高效率等优点，被广泛应用于各个领域中的检测、测量、成像等工作中。
随着科技的不断进步，超声波检测技术也将不断跟进发展，为人们带来更多的便捷和实用价值。
超声波导入的原理
超声波导入的原理超声波导入是一种利用超声波进行声学成像和传输的技术。
它的原理是利用超声波在不同介质之间的传播特性和相互作用实现相关应用。
超声波是指频率超过20kHz的机械振动波，它具有高频、短波长和能量小的特点。
超声波是一种纵波，它的传播速度取决于所在介质的密度和弹性系数。
在声学成像中，常用的超声波频率范围为2-15MHz，经过超声波探头的发射和接收，能够获得物体内部的高分辨率图像。
超声波成像的原理主要包括超声波的产生、传播和接收三个方面。
首先，通过超声波发射器产生超声波信号。
发射器利用压电效应或磁电效应将电能转化为机械振动，形成超声波信号并辐射到被测介质中。
其次，超声波信号在介质中的传播遵循反射、折射和散射等规律。
当超声波遇到介质中的不均匀性结构界面时，会发生声束的反射和折射。
通过对这些反射和折射超声波的接收和处理，可以对界面的位置、形状、密度等进行分析和成像。
最后，超声波接收器接收由散射、反射和折射等过程产生的超声波信号，并将其转化为电信号。
通常，超声波接收器采用与发射器相同的压电材料制成，并能够将机械振动转化为电能。
接收到的电信号通过信号放大和滤波处理，然后送入显示设备，形成超声图像。
超声波导入可应用于医学、材料检测、工业检测等领域。
在医学领域，超声波成像是一种无创的、实时的诊断技术，可用于检查内脏器官、肿瘤、血管、胎儿等相关结构，有助于提前发现疾病和评估治疗效果。
在材料检测中，超声波导入可检测材料的缺陷、腐蚀、厚度等情况，广泛应用于航空航天、建筑材料、金属制品等领域。
在工业检测中，超声波导入可以对管道、容器、焊接接头等进行无损检测，帮助发现结构隐患和提高产品质量。
超声波导入的原理包括超声波的发射、传播和接收三个方面，通过对超声波信号的发射、传播和接收过程的控制和分析，可以获得物体内部的结构和特征信息，并形成相应的超声图像。
超声波导入技术的广泛应用使得其在医学和工业领域具有重要的应用价值，成为一种非常有前景和潜力的技术。
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超声导波技术的原理和应用
1. 引言
超声导波技术是一种非破坏性检测方法，利用超声波在导波结构中的传播特性
来实现对材料中的缺陷或损伤进行检测和评估。
本文将介绍超声导波技术的原理和应用。
2. 超声导波技术的原理
超声导波技术基于超声波在导波结构中的传播原理。
导波结构通常是由一种或
多种材料构成的波导，其形状可以是平板、圆柱、环形或其他几何形状。
超声波在导波结构中可以通过不同的模式（纵波、横波等）进行传播，这些模式具有不同的传播速度和频率范围。
超声导波技术的原理可以归纳为以下几个方面： - 超声波的发射和接收：超声
波通常是通过压电传感器（如压电陶瓷）或磁性传感器（如磁性彗星）发射和接收的。
发射的波形可以是脉冲、调制或连续波形，接收的波形可以是幅度、相位或频率的变化。
- 导波结构的选择：根据被测材料的特性和要检测的缺陷类型，选择合
适的导波结构（如平板、圆柱等）和超声波的传播模式（纵波、横波等）。
- 缺陷
的识别和评估：通过分析接收到的超声波信号，识别和评估目标材料中的缺陷或损伤。
这可以通过比较实际接收到的信号与预期的波形、频谱或时间延迟来实现。
3. 超声导波技术的应用
超声导波技术在许多领域都有广泛的应用，包括材料科学、结构健康监测、非
破坏性检测等。
以下是一些常见的应用领域：
3.1 材料科学
•材料的弹性性质评估：超声导波技术可以用来评估材料的弹性性质，如弹性模量、剪切模量等。
通过测量超声波在材料中的传播速度和频率响应，可以推断材料的机械性能。
•缺陷检测：超声导波技术可以检测材料中的缺陷，如裂纹、气孔等。
通过分析超声波的反射、散射或传播模式的改变，可以确定缺陷的位置、形状和尺寸。
3.2 结构健康监测
•建筑物结构监测：超声导波技术可以用来监测建筑物的结构健康状况，如混凝土桥梁、钢结构等。
通过在结构中布置多个超声传感器，并对传播的超声波进行实时监测和分析，可以及时发现结构中的缺陷或损伤。
•飞机机翼监测：超声导波技术可以应用在飞机机翼等复杂结构的监测中。
通过在机翼表面或内部布置超声传感器，并对超声波的传播模式和信号特征进行监测和分析，可以检测机翼中的腐蚀、裂纹等问题。
3.3 非破坏性检测
•管道检测：超声导波技术可以应用在管道的检测和评估中。
通过在管道外表面或内部布置超声传感器，并对超声波的传播特性进行监测和分析，可以检测管道中的腐蚀、磨损等问题。
•金属零件检测：超声导波技术可以用于金属零件的缺陷检测。
通过在零件表面或内部布置超声传感器，并对超声波的传播模式和反射信号进行监测和分析，可以检测零件中的裂纹、气孔等缺陷。
4. 结论
超声导波技术是一种非破坏性检测方法，通过利用超声波在导波结构中的传播特性来实现对材料中的缺陷或损伤进行检测和评估。
该技术在材料科学、结构健康监测和非破坏性检测等领域有广泛的应用。
未来，随着技术的不断发展和创新，超声导波技术将更加精确和高效地应用于各种工程和科学领域。