吳偉鵬

(深圳市水務(wù)工程檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518000)

水利工程中有大量引水管道和電站壓力管道，投資占比高。根據(jù)壓力管道的布置類型，可將其分為回填水管、埋藏水管、開敞水管3種類型。以材料種類劃分，壓力管道可分為鋼筋混凝土管、木管與鋼管3種類型。其中鋼管有著出眾的防滲性，強(qiáng)度較高，成為水電站壓力管主要選擇方向。因?yàn)檩斔芤话阍O(shè)置在惡劣的環(huán)境，在地基沉降、溫度變化、腐蝕及管道老化作用下可能引起管道泄漏，浪費(fèi)水資源情況，需采用無(wú)損檢測(cè)方式檢測(cè)水管質(zhì)量，保障水資源的有效輸送。

1 導(dǎo)波技術(shù)介紹

1.1 技術(shù)原理

導(dǎo)波屬機(jī)械波，能夠?qū)崿F(xiàn)平面化傳播，波導(dǎo)是導(dǎo)波傳播介質(zhì)。導(dǎo)波傳播的過(guò)程中，傳播介質(zhì)邊界是束縛傳播狀態(tài)的重要因素。如傳播介質(zhì)出現(xiàn)形變，會(huì)通過(guò)截面作用形變傳遞給相鄰的部分，并保持特定規(guī)律向前傳播，最終變成彈性波。

傳播期間導(dǎo)波以折射、反射的形式同邊界交互，按照介質(zhì)中的振動(dòng)源與傳播方向劃分可分成橫波與縱波兩種類型。傳播時(shí)導(dǎo)波能夠在橫波與縱波之間不斷轉(zhuǎn)換模態(tài)[1]。

導(dǎo)波理論中相速度與群速度屬于核心概念，其中群速度Cp即脈沖波包絡(luò)中特性點(diǎn)傳播速度。相速度即Cg說(shuō)的是波相為固定點(diǎn)沿傳播方向傳播速度。二者的計(jì)算公式為：Cp=ω/k；Cg=dω/dk。公式中的ω為圓頻率、k為波數(shù)、d為試件厚度。

1.2 檢測(cè)原理

使用沖擊錘對(duì)管道其中一段敲打時(shí)，如管道中有著均勻分布的應(yīng)力，在敲擊過(guò)后管道受力變形，會(huì)有縱向?qū)Р樦艿赖妮S向開始傳播，群速度與相速度相同。

如管道有裂紋以及孔洞類缺陷，導(dǎo)波傳播期間如遇到這類缺陷部位會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)波模態(tài)轉(zhuǎn)換、折射、散射以及反射一類的情況。從反射回波中可了解管道的結(jié)構(gòu)損傷情況[2]。對(duì)反射回波進(jìn)行分析，能掌握管道腐蝕和缺陷問(wèn)題。根據(jù)導(dǎo)波缺陷反射回波幅值情況可判斷管道損傷程度。

因?yàn)楣艿啦牧嫌休^大的波阻抗，因此，反射期間基本可以忽略導(dǎo)波能量損失，即管道缺陷部位的導(dǎo)波為反射導(dǎo)波。

在管道同端開展激勵(lì)與信號(hào)接收，設(shè)定缺陷反射回波與入射波時(shí)間差為Δt，信號(hào)接收器的入射波接收時(shí)間為t1，缺陷反射時(shí)間為t2，那么Δt=t2-t1。定位管道缺陷時(shí)，設(shè)信號(hào)接收端距離為l，則l=v×Δt/2。

2 導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)對(duì)模態(tài)的選擇

如果處于理想條件，則管道中只會(huì)出現(xiàn)單一模態(tài)導(dǎo)波。導(dǎo)波在傳導(dǎo)過(guò)程中遇到管道缺陷，就會(huì)出現(xiàn)反射，此時(shí)的回波分析十分簡(jiǎn)單[3]。檢測(cè)某壁厚5.5mm，內(nèi)徑76mm鋼管結(jié)果如圖1所示。

圖1 Φ76鋼管的群速度頻散曲線圖

可以發(fā)現(xiàn)，不論什么頻率，導(dǎo)波模態(tài)最起碼會(huì)出現(xiàn)2個(gè)以上。頻率增加的同時(shí)，導(dǎo)波的模態(tài)數(shù)量也會(huì)大幅度增加[4]。這一現(xiàn)象為導(dǎo)波多模態(tài)，導(dǎo)致管道檢測(cè)中導(dǎo)波技術(shù)使用變得很復(fù)雜。

管道檢測(cè)中合理選擇導(dǎo)波模態(tài)十分重要，縱向軸對(duì)稱L(0，2)模態(tài)在相當(dāng)寬頻范圍內(nèi)，模態(tài)一般為非頻散狀態(tài)，有著很快的傳播速度，在時(shí)域中識(shí)別比較方便，該模態(tài)有著很小的徑向位移，傳播期間波不會(huì)泄露大量的能量，能夠傳播非常圓的距離。T(0，1)模態(tài)，在0至100kHz情況下，群速度、相速度沒(méi)有頻散。如果為20kHz，則擁有最高的群速度，不會(huì)受到其他模態(tài)信號(hào)影響，因此得到了較多的關(guān)注。

直管道檢測(cè)中，上述兩種模態(tài)的導(dǎo)波比較常見(jiàn)。在傳感器設(shè)計(jì)以及激勵(lì)理想單一模態(tài)導(dǎo)波十分重要。選擇70kHz作為激勵(lì)頻率，頻率范圍是0至100kHz如圖1所示，從圖1知有T(0，1)模態(tài)、L(0，2)模態(tài)，L(0，1)模態(tài)以及彎曲模態(tài)。使用同特性、等間距且數(shù)量充足的傳感器用均勻?qū)ΨQ的方式順著管道布置能夠?qū)崿F(xiàn)模彎曲模態(tài)導(dǎo)波影響低效化，出現(xiàn)軸對(duì)稱模式導(dǎo)波。使用相聚間隔L(0，1)模態(tài)導(dǎo)波波長(zhǎng)的傳感器環(huán)削弱L(0，1)，并增強(qiáng)激發(fā)模式。以T(0，1)模態(tài)與L(0，2)模態(tài)振動(dòng)傳播情況進(jìn)行調(diào)整，將其變成激振激勵(lì)L(0，2)的模態(tài)以及沿切向激振激勵(lì)T(0，1)模態(tài)。此時(shí)就能獲得理想化模態(tài)T(0，1)導(dǎo)波或L(0，2)導(dǎo)波。

使用新獲得的兩個(gè)導(dǎo)波可針對(duì)性檢測(cè)軸向缺陷或環(huán)向缺陷，敏感性極強(qiáng)[5]。不過(guò)因?yàn)槿毕萸闆r在檢測(cè)之前是未知的，所以在使用導(dǎo)波檢測(cè)中需要采取多模式方法。當(dāng)前最成熟的手段是T(0，1)或L(0，2)模態(tài)導(dǎo)波結(jié)合。其他的導(dǎo)波檢測(cè)方式為今后需要重點(diǎn)研究的方向。

3 不同導(dǎo)波檢測(cè)模式在水利管道中的檢測(cè)應(yīng)用

3.1 單模式檢測(cè)

檢測(cè)管道的時(shí)候，單模式導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)比較常用的技術(shù)手段，屬無(wú)損檢測(cè)一種。檢測(cè)的時(shí)候，使用該模式能夠轉(zhuǎn)化處理原本復(fù)雜的信號(hào)。信號(hào)被統(tǒng)一處理后，就能得到單一信號(hào)，可順利的分析檢測(cè)數(shù)據(jù)。該技術(shù)穩(wěn)定性很強(qiáng)，能夠靈敏且快速的完成管道內(nèi)外檢測(cè)。在檢測(cè)有流動(dòng)介質(zhì)的管道時(shí)候，能根據(jù)介質(zhì)的流動(dòng)情況，檢測(cè)管道運(yùn)行狀態(tài)。檢測(cè)期間，當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道存在表面凹坑、腐蝕以及裂紋情況，超聲脈沖波就會(huì)有反射波出現(xiàn)。分析反射波信號(hào)，能有效檢測(cè)管道的損傷問(wèn)題，保障檢測(cè)效率，提高檢測(cè)質(zhì)量，確保管道安全運(yùn)行。

3.2 多模式檢測(cè)

現(xiàn)代工業(yè)中壓力管道有著廣泛的使用，在復(fù)雜工況與環(huán)境中使用可以保障檢測(cè)結(jié)果。當(dāng)前在檢測(cè)水利管道的時(shí)候應(yīng)用多模式導(dǎo)波檢測(cè)手段。與單模式導(dǎo)波檢測(cè)相比，可應(yīng)對(duì)各種各樣管道缺陷檢測(cè)需求。通常來(lái)說(shuō)，單模式檢測(cè)能夠順利檢測(cè)管道當(dāng)中的特定缺陷。使用多種導(dǎo)波檢測(cè)模式能夠找到管道當(dāng)中多種缺陷問(wèn)題。與單模式導(dǎo)波檢測(cè)相比，技術(shù)要求高，工作人員需要結(jié)合具體情況展開分析，研究檢測(cè)回波特征，保障管道安全運(yùn)行。

3.3 模態(tài)聲發(fā)射

模態(tài)聲發(fā)射在檢測(cè)期間可以發(fā)射檢測(cè)能量，順利完成內(nèi)部正在運(yùn)輸流體的管道情況檢查。與前面兩種導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)相比，模態(tài)聲發(fā)射技術(shù)因?yàn)槠鸩綍r(shí)間晚，因此使用范圍相對(duì)較為狹隘。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)特征，有著很強(qiáng)的實(shí)用性與應(yīng)用性。該技術(shù)獲得了快速發(fā)展趨勢(shì)，為使用壓力管道技術(shù)創(chuàng)造更多渠道和方法，是優(yōu)化創(chuàng)新壓力管道檢測(cè)的重要方法。

4 不同環(huán)境下的導(dǎo)波檢測(cè)

4.1 設(shè)置方案

水利工程有著很多種管道，如引水管道、電站壓力管道等。不同類型的管道處于不同的環(huán)境，所以檢測(cè)時(shí)需要使用不同的方案。多數(shù)情況下水利工程管道缺陷的表現(xiàn)都是管道截面減少，導(dǎo)波傳播方向管道截面減少率影響超聲導(dǎo)波缺陷檢測(cè)水平，一般來(lái)說(shuō)，使用缺陷簡(jiǎn)化模擬與管道防腐方式，刻傷模擬管道裂紋、腐蝕、未熔合以及未焊透等缺陷，對(duì)各種水利管道缺陷性能進(jìn)行檢查。本次檢測(cè)使用的是某工程中的219和508mm管道，不同位置設(shè)置不同尺寸刻傷，模擬不同埋深與外部情況，管道工況參數(shù)與缺陷見(jiàn)表1。使用12至160kHz換能器對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行采集。

表1 管道工況與缺陷情況

4.2 數(shù)據(jù)采集

在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候使用導(dǎo)波檢測(cè)儀，流程如圖2所示，進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 導(dǎo)波檢測(cè)流程圖

特定檢測(cè)距離以及導(dǎo)波激勵(lì)頻率情況下，測(cè)量獲得的回波信號(hào)能量均值、幅值會(huì)有一定不同，即便為相同定值，很多時(shí)候真值會(huì)略微波動(dòng)，范圍和檢測(cè)管道的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)以及檢測(cè)條件有關(guān)。為盡可能減少測(cè)量不確定性，采集數(shù)據(jù)中，每一次都用相同的采集過(guò)程，保障參數(shù)一致性，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)采集兩次。

4.3 數(shù)據(jù)情況比對(duì)

研究508mm管徑的管道中可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)波回波幅值情況和缺陷埋深、大小、位置都有關(guān)系。缺陷達(dá)到特定數(shù)值且缺陷距離不斷增加中，回波的賦值開始下降。比如在3.5m位置的1.2%刻傷、0.5m埋深條件下，回波幅值衰減速度是6%至83%。在達(dá)到6.5m位置的時(shí)候，衰減值為84%，2.4%刻傷部位回波幅值在3.5m埋深條件時(shí)為30%至45%，進(jìn)入6.5m達(dá)到70%至80%。這種變化在1.0埋深條件中基本相同。超聲回波衰減有著很敏感的管道截面減少率。缺陷尺寸在回波幅值中影響非常明顯。1.2%刻傷3.5m條件中，導(dǎo)波的回波幅值其衰減情況比2.4%情況下高很多，在達(dá)到6.5m的條件以后，增加聲程的同時(shí)，刻傷尺寸不再明顯影響回波幅值。在增加埋深的同時(shí)，回波能量削減，降低回波幅值[6-7]。從結(jié)果看來(lái)沙土埋深不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

219mm管道被埋設(shè)在黏土環(huán)境當(dāng)中，在刻傷尺寸、距離一樣的情況下，回波幅值相較于沙土環(huán)境有著更強(qiáng)烈的反應(yīng)，表明環(huán)境會(huì)對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)產(chǎn)生非常大的影響。特別是2.4%刻傷，6.5m聲程情況，不論是1m埋深還是0.5m埋深都很難順利找出缺陷。另外埋深、缺陷尺寸與距離在回波影像中基本和沙土一樣。

F=64kHz中T(0，1)導(dǎo)波于219與508mm直管衰減系數(shù)不同，前者為-0.0033dB/m，后者為-0.0027dB/m，但基本沒(méi)有很大差別。將219mm管道埋入黏土，將508管道埋入沙土以后，計(jì)算篩檢系數(shù)得到的是-0.063與-0.038dB/m。該數(shù)據(jù)表明黏土衰減系數(shù)超過(guò)沙土2倍。歸一化處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后做F=64kHz的T(0，1)導(dǎo)波衰減特性繪制，如圖3所示。

圖3 F=64kHz中T(0，1)導(dǎo)波的衰減情況

裸管情況下導(dǎo)波為線行衰減，不會(huì)出現(xiàn)很大的衰減速率，能夠傳播非常遠(yuǎn)的距離。埋設(shè)在地下的水利管道會(huì)出現(xiàn)明顯的衰減，數(shù)據(jù)為反比例函數(shù)，明顯減小了傳播距離。不論沙土還是黏土，只要將管道埋入地下就會(huì)有強(qiáng)烈的衰減。當(dāng)然黏土環(huán)境會(huì)有更大的衰減幅度。

降低導(dǎo)波回波的峰值，一直到峰值達(dá)到裸管50%初始峰值的時(shí)候?qū)﹂L(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。黏土與沙土的埋管導(dǎo)波檢測(cè)長(zhǎng)度為10與20m，從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)水利工程管道中結(jié)果可靠，效率突出。

5 結(jié)語(yǔ)

水利工程項(xiàng)目是重要的民生基礎(chǔ)工程，管道是水利項(xiàng)目中重要的組成部分，加強(qiáng)管道質(zhì)量管理才能確保水利項(xiàng)目正常運(yùn)行。本文通過(guò)分析導(dǎo)波技術(shù)的理論和原理，按照檢測(cè)需要選擇模態(tài)，探討各種導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用條件，應(yīng)用導(dǎo)波技術(shù)開展水利管道檢測(cè)。結(jié)果表明，采用導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)管道質(zhì)量結(jié)果準(zhǔn)確、檢測(cè)效率高，可以廣泛應(yīng)用與水利工程管道質(zhì)量檢測(cè)中。采用導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)，回波幅值衰減情況和環(huán)境、管道埋深與材料、缺陷部位與檢測(cè)距離有緊密關(guān)聯(lián)。因此，使用導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)時(shí)需考慮檢測(cè)環(huán)境條件，合理設(shè)定檢測(cè)參數(shù)，才能保障管道檢測(cè)質(zhì)量。