DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.012

摘" " 要：超聲導(dǎo)波測(cè)試技術(shù)具有單端收發(fā)和長(zhǎng)距離、大范圍傳播的特點(diǎn)，可以廣泛用于埋地保溫管道的腐蝕檢測(cè)。利用MATLAB數(shù)值分析方法和導(dǎo)波無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)手段，分別研究了埋地保溫管道環(huán)境溫度、埋置深度等因素對(duì)超聲導(dǎo)波測(cè)試技術(shù)的影響。測(cè)試結(jié)果表明：埋地保溫管道環(huán)境溫度變化會(huì)影響超聲導(dǎo)波信號(hào)的波速和幅值，埋置深度對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)傳播產(chǎn)生衰減，進(jìn)而影響導(dǎo)波信號(hào)傳播距離。深入探討了埋地保溫管道超聲導(dǎo)波測(cè)試技術(shù)的影響因素，可為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)際應(yīng)用提供重要參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：埋地保溫管道；超聲導(dǎo)波；影響因素

Abstract：Featured with single-end receiving and transmitting， long-distance and large-scale propagation， ultrasonic guided wave testing technology can be widely used for corrosion detection of buried insulation pipelines. MATLAB numerical analysis method and guided wave non-destructive testing experiment were applied to study the influence of temperature and burial depth on ultrasonic guided wave testing technology. The test results show that temperature changes can affect the wave speed and amplitude of ultrasonic guided wave signals， while burial depth attenuates the propagation of ultrasonic guided wave signals， thereby affecting their propagation distance. The influencing factors of ultrasonic guided wave testing technology for buried pipelines were further discussed to provide important reference and guidance for research and practical applications in related fields.

Keywords：buried insulation pipelines; ultrasonic guided waves; influencing factors

埋地管道的安全性和可靠性對(duì)于現(xiàn)代城市基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。傳統(tǒng)的常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)[1-5]，諸如電渦流檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、射線檢測(cè)、滲透檢測(cè)等，往往屬于局部點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的檢測(cè)方法。這些檢測(cè)方法所用儀器不僅費(fèi)用昂貴、體積龐大，而且檢測(cè)效率低。常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)中，超聲和射線檢測(cè)方法主要用于檢測(cè)被檢物的內(nèi)部缺陷；磁粉檢測(cè)與電渦流檢測(cè)方法主要用于檢測(cè)被檢物的表面和近表面缺陷；滲透方法僅適用于探測(cè)被檢物表面開口性缺陷，無法檢測(cè)被檢物內(nèi)部的缺陷，如裂紋、焊縫等。上述局部點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以適用于長(zhǎng)距離埋地管道的檢測(cè)。在特定工業(yè)環(huán)境中，如高溫、高壓或腐蝕性環(huán)境下，傳統(tǒng)的管道缺陷檢測(cè)技術(shù)往往面臨著嚴(yán)峻的應(yīng)用挑戰(zhàn)。超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)因其單端激勵(lì)、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于埋地、帶有包覆層和高架等不易直接接觸構(gòu)件的無損檢測(cè)中。在現(xiàn)有研究中，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于管道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和缺陷診斷。然而，針對(duì)影響埋地管道超聲導(dǎo)波測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的管道環(huán)境溫度（以下簡(jiǎn)稱溫度）和埋置深度（以下簡(jiǎn)稱埋深）因素，現(xiàn)有研究仍存在一定局限性。因此，本文針對(duì)超聲導(dǎo)波傳播過程中受到溫度和埋深變化的影響展開深入研究，并提出相應(yīng)的改進(jìn)和解決方案。

本文將從多個(gè)角度展開研究，以全面分析溫度和埋深因素對(duì)超聲導(dǎo)波傳播和測(cè)試結(jié)果的影響。通過數(shù)值仿真和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，揭示各因素的作用機(jī)理，并為優(yōu)化測(cè)試方法和提高測(cè)試準(zhǔn)確性提供理論和實(shí)踐支持。研究成果不僅有助于深入理解超聲導(dǎo)波在埋地管道中的傳播特性，還將為超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)用于埋地保溫管道的工程實(shí)踐提供重要指導(dǎo)。

1" " 試驗(yàn)方法

1.1" " 溫度對(duì)超聲導(dǎo)波傳播特性的影響

利用MATLAB分析軟件（版本為2022b），設(shè)置不同溫度（從-40 ℃變化到80 ℃）下管道材料的密度、楊氏模量和泊松比等物理參數(shù)，通過數(shù)值分析得到溫度對(duì)管道中超聲導(dǎo)波縱波波速和橫波波速的影響。

1.2" " 埋深對(duì)超聲導(dǎo)波傳播特性的影響

利用超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)設(shè)備，導(dǎo)波激勵(lì)接收檢測(cè)參數(shù)設(shè)置如下：導(dǎo)波頻率取128 kHz，功率設(shè)為25%，導(dǎo)波波速為3 206 m/s，增益設(shè)置為15 dB，平均次數(shù)為50次，檢測(cè)模態(tài)為T（0，1）扭轉(zhuǎn)模態(tài)，所取激勵(lì)信號(hào)為兩個(gè)周期漢寧窗調(diào)制的正弦激勵(lì)信號(hào)，被測(cè)對(duì)象為5根直徑14 cm、長(zhǎng)2 m的埋地鋼質(zhì)管道，埋深分別為0 cm（見圖1）、40 cm（見圖2）、80 cm、120 cm和150 cm。檢測(cè)時(shí)，導(dǎo)波換能器安裝在被測(cè)埋地管道一端，通過線纜連接導(dǎo)波儀器，手動(dòng)操作設(shè)備檢測(cè)導(dǎo)波信號(hào)。

2" " 測(cè)試結(jié)果

2.1" " 溫度對(duì)管道中超聲導(dǎo)波傳播特性的影響

溫度對(duì)埋地保溫管道中超聲導(dǎo)波傳播特性的影響是一個(gè)復(fù)雜而重要的研究領(lǐng)域。溫度的變化會(huì)直接影響管道材料的物理屬性和幾何尺寸，從而對(duì)超聲導(dǎo)波的傳播特性產(chǎn)生影響。溫度對(duì)超聲導(dǎo)波聲場(chǎng)傳播的時(shí)移產(chǎn)生影響，由于溫度變化引起管道物理屬性（包括密度、楊氏模量和泊松比）的變化，導(dǎo)致超聲導(dǎo)波的傳播速度發(fā)生改變。本文以超聲導(dǎo)波中縱波波速VL和橫波波速VT為例進(jìn)行說明，二者由彈性模量、密度和泊松比共同決定，分別表示為：

式中：E為彈性模量，ρ為密度，υ為泊松比。

在MATLAB軟件中編寫程序，得到超聲導(dǎo)波傳播速度與溫度變化關(guān)系曲線（如圖3所示），波速變化斜率分別為-0.33和-0.25，溫度每變化1 ℃，橫波和縱波的波速相應(yīng)變化0.33 m/s和0.25 m/s，溫度從-40 ℃變化到80 ℃，橫波和縱波波速分別減少了約40 m/s和30 m/s。

如圖3所示，溫度會(huì)影響埋地管道中超聲導(dǎo)波的傳播速度，這是因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)導(dǎo)致管道材料的彈性模量、密度等發(fā)生變化，進(jìn)而影響聲速。溫度升高會(huì)導(dǎo)致材料密度減小，而彈性模量也可能發(fā)生變化。這種變化會(huì)影響超聲導(dǎo)波在管道中的傳播時(shí)間和路徑。結(jié)合實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)[6]，溫度變化還會(huì)導(dǎo)致發(fā)生以下3種現(xiàn)象。

1）衰減特性的變化。溫度變化會(huì)影響材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的吸收和散射特性發(fā)生變化。這將對(duì)超聲導(dǎo)波在管道中的衰減產(chǎn)生影響，從而影響超聲信號(hào)的強(qiáng)度和信噪比。

2）溫度梯度引起波發(fā)生折射和散射。在溫度梯度存在的情況下，超聲導(dǎo)波會(huì)發(fā)生折射和散射，從而影響超聲導(dǎo)波的傳播路徑和接收到的信號(hào)強(qiáng)度分布。這對(duì)于管道中的缺陷檢測(cè)和定位具有重要影響。

3）材料熱膨脹引起的應(yīng)力變化。溫度變化會(huì)引起管道材料的熱膨脹和收縮，導(dǎo)致管道內(nèi)部的應(yīng)力變化。這些應(yīng)力變化會(huì)影響超聲導(dǎo)波的傳播路徑和管道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而影響超聲導(dǎo)波的傳播特性。

綜上，研究溫度對(duì)管道中超聲導(dǎo)波傳播特性的影響，有助于理解超聲導(dǎo)波在實(shí)際工程應(yīng)用中的表現(xiàn)，為埋地保溫管道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和故障診斷提供更準(zhǔn)確的技術(shù)支持；并為設(shè)計(jì)更有效的埋地管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)方案提供重要參考，特別是在溫度變化較大的工況下的管道監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

2.2" " 埋深對(duì)管道中超聲導(dǎo)波傳播特性的影響

為了研究不同埋深對(duì)超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)埋地管道進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。將實(shí)驗(yàn)用5根直徑14 cm、長(zhǎng)2 m的鋼管埋地，埋地之前測(cè)得管道頂端距離換能器長(zhǎng)度為20 cm，即埋地管道的根端距離導(dǎo)波換能器1.8 m。利用嵌入式超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)系統(tǒng)將線纜與前段換能器連接起來，本文選用無頻散的T （0，1）模態(tài)導(dǎo)波作為激勵(lì)信號(hào)，檢測(cè)參數(shù)設(shè)置如下：導(dǎo)波頻率設(shè)為128 kHz，功率設(shè)為25%，導(dǎo)波波速為3 206 m/s，增益設(shè)置為15 dB，平均次數(shù)為50次，從而較好去除隨機(jī)噪聲，提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比，所取激勵(lì)信號(hào)為兩個(gè)周期漢寧窗調(diào)制的正弦激勵(lì)信號(hào)。

利用嵌入式超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)設(shè)備和上述導(dǎo)波檢測(cè)參數(shù)，測(cè)得埋地后超聲導(dǎo)波端面回波幅值大小、埋地管道的檢測(cè)長(zhǎng)度及其與實(shí)際長(zhǎng)度的相對(duì)誤差，如表1所示。由圖4可見，隨著埋深的不斷增大，超聲導(dǎo)波端面回波信號(hào)幅值逐步遞減；其中，未進(jìn)行埋地（埋深0 cm）的管道端面回波幅值最大。結(jié)果表明，埋深對(duì)管道中超聲導(dǎo)波傳播衰減影響較大，這是因?yàn)槌晫?dǎo)波在管道的傳播過程中，部分超聲導(dǎo)波的聲能由管道擴(kuò)散進(jìn)入埋地介質(zhì)，從而導(dǎo)致超聲導(dǎo)波聲能的泄漏，進(jìn)而帶來最終導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)能量的損失。如圖4和表1所示，針對(duì)5根管道，超聲導(dǎo)波檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)所得到的距離超聲導(dǎo)波換能器的長(zhǎng)度分別為1.81、1.79、1.78、1.81、1.81 m，其與真實(shí)值的相對(duì)誤差分別為0.56%、0.56%、1.22%、0.56%和0.56%，可以看出：不同的管道埋深不僅對(duì)超聲導(dǎo)波聲能造成泄漏，降低端面回波信號(hào)幅值和所得檢測(cè)信號(hào)的信噪比；同時(shí)，由于超聲導(dǎo)波在管道和埋地介質(zhì)中的散射和模態(tài)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致超聲導(dǎo)波波速的變化，最終影響埋地管道無損檢測(cè)結(jié)果的精度和可靠性。

3" " 結(jié)論

1）通過研究埋地保溫管道環(huán)境溫度對(duì)超聲導(dǎo)波傳播特性的影響，揭示了不同溫度條件下超聲導(dǎo)波在管道材料中的傳播行為。這有助于理解溫度變化對(duì)超聲導(dǎo)波傳播速度、傳播衰減和信噪比等參數(shù)的影響，為在不同季節(jié)或環(huán)境條件下的管道監(jiān)測(cè)提供更準(zhǔn)確的技術(shù)支持。

2）通過研究埋地保溫管道不同埋深對(duì)超聲導(dǎo)波傳播特性的影響，有助于了解埋深對(duì)超聲導(dǎo)波傳播的衰減、散射以及傳播路徑的影響[7]。通過這些研究，可以更好地理解超聲導(dǎo)波技術(shù)在管道檢測(cè)中的適用性，并為實(shí)際工程應(yīng)用提供更具針對(duì)性的技術(shù)支持，特別是針對(duì)埋深較深或復(fù)雜環(huán)境條件下的管道。

3）本文對(duì)各影響因素的研究為未來的超聲導(dǎo)波管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和故障診斷提供重要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，并為未來的創(chuàng)新和發(fā)展提供支持和保障。

4）考慮到超聲導(dǎo)波在管道中的傳播特性[8]，即傳播介質(zhì)和埋地介質(zhì)的吸收與衰減（在空氣中、黏性土中、沙粒土中、混凝土中、巖石層中等）、速度受傳播介質(zhì)的厚度和導(dǎo)波頻率等的影響、微弱信號(hào)、噪聲干擾大等，在實(shí)際的檢測(cè)中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)條件不理想時(shí)，檢測(cè)結(jié)果很難判斷出管道的埋深和缺陷；因此，未來工作中，應(yīng)針對(duì)導(dǎo)波信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)波信號(hào)處理算法研究，包括超聲導(dǎo)波濾波、導(dǎo)波信號(hào)特征提取、埋地管道損傷缺陷識(shí)別等。

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作者簡(jiǎn)介：張盈盈（1978—），女，湖北隨州人，高級(jí)工程師，2005年畢業(yè)于華中科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，碩士，主要從事石油化工設(shè)備腐蝕與防護(hù)技術(shù)開發(fā)及服務(wù)工作。Email：zhangyingy@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-09-06；修回日期：2024-10-10