管道超聲內(nèi)檢測是利用檢測器在管道內(nèi)運行過程中實時采集并記錄管道缺陷和結(jié)構(gòu)超聲回波信息的檢測技術(shù)。根據(jù)發(fā)射聲束角度和功能不同，可分為超聲測厚內(nèi)檢測和超聲裂紋內(nèi)檢測。SY/T 6597―2018《油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，超聲測厚檢測的性能規(guī)格應滿足：內(nèi)/外金屬損失、夾層、部件和焊縫的POI（識別概率）大于90%；閥門、三通、彎頭、壁厚變化等特征的POI大于98%。超聲裂紋檢測的性能規(guī)格應滿足：對于長度25 mm以上、母材中深度1 mm以上或焊縫中深度2 mm以上的裂紋，POD（檢測概率）大于90%。

超聲測厚內(nèi)檢測器利用90º壓縮波入射，根據(jù)管道內(nèi)外壁反射時差計算壁厚和提離值，能夠同時檢測金屬損失和管道壁厚，屬于直接測量，量化精度在80%時可信度達±0.4 mm，可有效區(qū)分缺陷內(nèi)外壁位置。

超聲裂紋內(nèi)檢測器根據(jù)被檢管道口徑規(guī)格不同，搭載不同數(shù)量的壓電式或電容式超聲探頭，通常要求周向探頭的間距不大于10 mm，以保證檢測范圍能覆蓋管道全圓周。檢測器采集頻率越高，軸向采樣間距越小，越有利于裂紋的檢出和尺寸量化，一般采集頻率為1000 Hz。當檢測器在管壁內(nèi)運行時，超聲探頭會按照采集頻率發(fā)射一定角度的超聲波，根據(jù)聲波傳播規(guī)律，超聲波在輸送介質(zhì)和管道內(nèi)壁界面會出現(xiàn)反射和折射，折射波在管壁中遇內(nèi)外部裂紋時會沿原傳播路徑返回并被超聲探頭接收，利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對接收回波進行信號處理及特征識別，可以得到裂紋的位置和尺寸信息（圖 1）。為保證超聲波在管壁內(nèi)以45°折射角傳輸，應在檢測前標定超聲波在管道輸送介質(zhì)和管壁中的傳輸速度，并根據(jù)波的折射定律公式（1）計算和設置探頭發(fā)射角度。

sinα/υ液體介質(zhì)＝sin 45°/υ鋼管     （1）

式中：α為超聲探頭發(fā)射角，°；υ液體介質(zhì)為超聲波在輸送介質(zhì)中的傳播速度，m/s；υ鋼管為超聲波在管道管壁中的傳播速度，m/s。

圖 1 超聲裂紋內(nèi)檢測技術(shù)原理圖

對同一探頭發(fā)射的超聲波而言，內(nèi)部裂紋反射信號在管壁中的傳播聲程是外部裂紋的2倍，據(jù)此可以判斷裂紋在管壁的內(nèi)外部位置。通過分析超聲探頭接收信號的傳輸時間和幅值特征，可以預估裂紋的分布位置及深度尺寸。根據(jù)接收到回波信號的探頭數(shù)量和探頭間距可以計算裂紋長度。因裂紋的開裂面具有方向性，當超聲波傳播方向與裂紋開裂面平行時，裂紋反射信號微弱。此時，檢測器無法檢測到裂紋缺陷。同時超聲波具有在氣體介質(zhì)中衰減較快的特點，檢測器超聲探頭與管壁間需要填充液體耦合劑來保證聲波的穩(wěn)定傳輸，故常規(guī)超聲內(nèi)檢測一般用于液體管道特定方向的裂紋檢測。電磁超聲內(nèi)檢測以洛倫茲力、磁致伸縮效應為基礎，利用電磁耦合方法激勵和接收超聲波，適用于氣體管道裂紋檢測。

需注意的是，超聲裂紋檢測深度尺寸與超聲壁厚測量原理不同，不屬于直接測量值，而是一種基于信號強度（振幅）分析的相對值，信號強度既與裂紋深度相關(guān)，也與耦合介質(zhì)的衰減率有關(guān)，如果實際檢測介質(zhì)屬性與檢測器選擇的定量參數(shù)（衰減率和聲速）不同，則深度測量精度可能會受影響。

作者簡介：田野，畢業(yè)于華中科技大學自動化專業(yè)，西部管道科技信息服務中心完整性所副所長，高級工程師，從事管道內(nèi)檢測及完整性研究工作。聯(lián)系方式：17799288776， tianye04@pipechina.com.cn。