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超声导波检测技术

超声导波钢索检测服务

MsSR3030R长距离超声导波检测系统(LRUT)是由位于美国德克萨斯州的美国西南研究院(SwRI)损检测团队经过近20年的研究与开发,并取得多种美国专利的一种新型检测设备(到目前为止已经获得14项美国专利)。MsSR3030R是以铁磁性材料的磁致伸缩效应及其逆效应为基础的检测技术,该仪器设计用于低频(4-250KHz)超声导波的研究和各种工业结构(包含管道、热交换器、棒材、钢索和板盘件等)的在线腐蚀检测与长期腐蚀监测应用。由于MsS技术的独特的技术优势,现在被广泛应用于各种工业及领域中一、MsS技术亮点:

◆  检测精度高:最高灵敏度为管道横截面积损失量的0.7%-2%(最新实验室试验数据),可靠检测灵敏度为管道横截面积损失量的5%,长期监测时灵敏度可以达到管道横截面积损失量的0.6%(实际工程管线中,由于大多数管线都有不同程度的腐蚀,将会使系统的信噪比降低,通常所设定的灵敏度要比实验室管线低,一般选择3%---6%);

◆        检测范围(美国SwRI在美国所做的公开试验数据,而非理想状态):对于带油漆层的地上直管段,可以单方向检测500英尺(150米)处管道横截面积损失量的2-3%,并且穿越了19条焊缝(在理想状态下,如果将灵敏度设定为管道横截面积损失量的5%或更大,则可以单方向检测700英尺-----1000英尺远的距离);

良好状态下(地上直管段,管道状态内外壁有轻微腐蚀,10年---20年的老管线)单方向可检测100米处管道横截面积损失量的5%的缺陷;

典型状态下(地上直管段,管道状态内外壁有严重腐蚀,30年以上的老管线)单方向可检测50米处管道横截面积损失量的5%的缺陷;

苛刻状态下(地上直管段,管道状态内外壁有非常严重腐蚀,或地埋管线)单方向可检测10米----30米处管道横截面积损失量的5%的缺陷;  

◆        轴向定位精度:与主机系统的信噪比和所采用的操作频率有关:±150mm(主频率为32KHz时),±75mm(主频率为64KHz时),±32mm(主频率为128KHz时);(超声导波的操作频率实际上是以主频率为中心频率的一个很宽的频带:如主频率为32kHz时,其频带为20kHz---45kHz)

◆        盲区:盲区的大小与主机系统的信噪比和所采用的检测频率有关:主频率为32KHz时为350毫米,主频率为64KHz时为175毫米,主频率为128KHz时为85毫米;

◆        高温应用:可以进行高温管线腐蚀的在线检测与长期状态监测,最高温度可达500 ºC;

◆        在主管道附带有伴热管线的情况下,可以在主管线上安装MsS探头,进行腐蚀检测和长期腐蚀状态监测(输油中继站之间管线、站场里管线、油库管线以及炼化企业管线,由于需要加热来维持管道内传输液体的温度,大多采用伴热管线,只有薄片状的MsS探头可以安装检测这样的管线);

◆        MsS探头结构简单、性价比高;MsS探头的特点:结构简单,且检测不受管道直径的限制,从1.5英寸到60英寸甚至更大尺寸的管道(可以适应无限大直径的管道);

◆        长期腐蚀状态检控:可以永久地在输油气管道重点区域(地势低洼处)、化工管线的弯头处(易受冲刷腐蚀)和高温管道易腐蚀区域永久性地安装MsS传感器,定期进行数据采集,进行低成本的长期腐蚀状态监测(40年至60年免开挖或去掉保温层);

◆        MsS技术不仅可以用于铁磁性金属材料的检测,还可以用于非铁磁性金属材料和非金属材料的检测,如:不锈钢管、铜管、铝管、钛管、PE管等的检测(通过在这些管道上安装薄片状的铁鈷带,利用铁鈷带产生磁致伸缩效应,进而在这些管道上产生机械扭转导波);

二、长距离超声导波检测技术优势:

◆  能够100%覆盖被检测结构,进行快速、高效、检测长距离圆柱状结构;

◆  从可接近的位置安装MsS探头,检测难以到达的区域,诸如穿墙管线、横穿公路管线或架空

管线;

◆  除探头安装区域外,无需开挖或拆除保温层、防腐层,免搭脚手架,从而大大降低检测成本,;

◆  在同一位置可以单方向检测几十米到上百米的距离,双方向可检测更长的距离;

◆  能够识别区分管道特征与腐蚀信号其它缺陷特征;

◆  基于信号强度和特征对管道的局部损坏严重程度进行分类;

◆  机械干耦合和环氧树脂胶粘两种耦合方式,提高操作灵活性和便捷性;

◆  Windows操作系统,能够进行快速实时采集和信号分析,自动生成检测报告;

◆  软件界面友好,操作简单,缺陷显示直观;

◆  仪器操作简单,可以直接开关机,检测前无须调试仪器;

◆  可以采用电池供电以满足现场的使用,电池充电可工作8小时;

◆  结构紧凑,主机、蓄电池和计算机内置在一个坚固的运输箱中,便于携带和运输;

◆  主机上各种LED指示,监测仪器的运行状态;

◆  条带式线圈探头,成本低廉,重量轻便,降低操作者的劳动强度;可以永久地安装在重点结构或高温管道上,用于结构腐蚀状态的长期检控;

◆  应用范围广泛,不但可以用于各种工业管网的腐蚀检测,还可以用于高温管线和伴热管线的检测、非铁磁性材料如PE管线的检测等等(城市地下天然气PE管网);

三、应用范围:

◆  油气田以及输油输气站场管道网络

◆  石油石化设备管道网络

◆  海上采油平台管道网络

◆  电力能源工业管道网络

◆  横穿高速公路套管网络

◆  高温管线及伴热管线网络

◆  城市天然气地下PE管道网络

四、超声导波激发原理:

超声导波是激发能沿有限形状的结构传播的结构机械弹性波,并被构件边界所约束、所导向,因而称为超声导波。超声导波有纵波、扭力波、变形波、兰母波、水平剪切波和表面波等多种模态形式,应用于管道的有纵波和扭力波:由于扭力波只在固体中传播,所以扭力波是油气传输管道检测的最佳模态(由于纵波在固体与液体传播,所以对于液体传输管道来说,只能选择扭力波模式)。

MsS导波的产生和检测的原理:

MsS导波的产生—基于铁磁性材料中的磁致伸缩效应(焦耳效应JOULE EFFECT);

MsS导波的检测—基于铁磁性材料中的磁致伸缩逆效应(维拉利效应VILLARI EFFECT)。

磁致伸缩效应是指铁磁性材料的物理尺寸上引起的微小变化——与碳钢在外部的叠加磁场

作用下引起的每百万之几部件的次序微小变化;磁致伸缩逆效应指由机械压力(或张力)引起的铁磁性材料的磁感应变化。

     MsS技术的传感器是由一组交流线圈和薄片状的铁鈷带(强磁性材料)组成,将磁化后的薄片状的铁鈷带(相当于直流偏磁场)通过环氧树脂胶或机械干耦合的方式紧贴于管道外表面,再将交流线圈置于铁鈷带上,铁鈷带上的直流偏磁场与交流线圈形成的交流磁场相互作用(磁致伸缩效应),直接在铁鈷带上(强铁磁性材料)产生机械弹性波,并通过胶层或直接耦合到管道上,并沿着管道双向传播------- MsS超声导波的产生;当MsS超声导波沿着管道传播并遇到缺陷或焊缝时,就会有一部分波反射回来并返回到MsS传感器上,转换成电信号被导波主机接收------ MsS超声导波的检测。 

(超声导波在物体中传播的实质是物体内部微观粒子按照一定的规律震动来产生机械波,并被物体的外形边界所约束,因而称为导波;超声导波主机所激发的能量是一定的,在钢制管道中,由于钢中晶粒细小、均匀,且钢的刚性很强,不易吸收机械振动的能量,所以可以传播很长的距离;

但是对于埋地管线,如果埋地管道外面有沥青或3层PE防护层,沥青防护层或3层PE防护层很柔软(刚性很弱),对导波的振动能吸收很大,就象减震缓冲垫一样使得导波在沥青防护层或3层PE防护层中分流传播时衰减很大;另外,地埋管线上面还覆盖着2-3米厚密实的土壤.三维的土壤层几乎无限边界使得分流的导波能量进一步被扩散消失尽. 也就是说,原来在刚度很高的具有有限边界的钢管中的导波被分流出了到高吸收能量的沥青防护层或3层PE防护层中,防护层外的土壤中更进一步将最后的一点能量完全吸收,因而衰减巨大,这就是地埋管线导波传播距离很短的根本原因,无论是英国的压电晶片技术还是美国的磁致伸缩技术,都是一样的;它们的区别是导波的激发方式与探头结构以及探头耦合方式不一样,它们所激发出来的导波在管道上的传播机理、其与缺陷的相互作用和其衰减特性都是一样的;另外,仪器功率的提高与检测距离是成反指数关系的:即仪器功率每增加100倍,对于衰减系数为a = 1.0 dB/ft.的管线,检测距离仅仅增加20-30厘米。事实上,仪器的功率不可能无限地增大。)

五、MsS技术优于其它的超声导波技术:

 1、灵敏度高:

MsS探头结构是呈典型的轴对称结构分布,MsS技术只产生100%的纯正的扭转波(T模态),不产生弯曲波(F模态,可使系统的信噪比急剧的降低,并且不能通过调节平均数来消除-----来自英国帝国大学2006年的科研报告),所产生的导波信号(T型波模式)要比噪音信号高300倍,即系统信噪比为50dB;压电式探头卡环结构是呈非轴对称结构分布,压电式探头卡环同时产生扭转波(大部分是T模态)和弯曲波(少量是F模态)两种模态,所产生的导波信号(T型波模式)要比噪音信号高100倍,即系统信噪比为40dB; (英国PI公司的Teletest系统可以产生纵波L模态和扭转波T模态,但都同时伴随着产生弯曲波F模态,系统信噪比将由于弯曲波F模态的存在而降低)(这是MsS技术的灵敏度高的主要原因)

另一方面,由于MsS技术有两种耦合方式:环氧树脂胶粘接的耦合方式和充气囊机械干耦合的方式,其中环氧树脂胶粘接的耦合方式要比充气囊机械干耦合的方式的灵敏度高6dB(压电式探头卡环的耦合方式只有充气囊机械干耦合的一种方式)。(如果管道表面状况良好,MsS技术可采用气囊干耦合方式;如果管道表面状况很差,有很多的腐蚀坑点,MsS技术可采用环氧树脂胶粘结的方式;因为无论是扭转波还是纵波,都不能在气体(腐蚀坑点中的气体)中传播)(英国压电卡环式探头的耦合方式是充气压干耦合方式,如果在管道外表面状态很差的情况下安装探头,即管道表面有很多腐蚀坑点处安装探头,将大大降低导波传输效率,使其系统的灵敏度进一步降低;这种情况下,必须重新选择另外的安装点,这也大大降低了检测速度)

美国宾尼法尼亚大学对英国PI公司最新研发的聚焦技术进行测试,试验所用的管道为新管道,直径为16英寸,模拟缺陷为横截面积3%的人工切槽(缺陷与探头的距离为20英尺,即6m)。试验结果:未使用聚焦技术时,几乎无法发现该3%缺陷;使用聚焦技术时,可以清晰地发现该3%缺陷。由美国宾尼法尼亚大学的试验结果可知:使用聚焦技术时,压电效应多晶片卡环式系统最高灵敏度才可以达到3%;试验是在新管道上并且是在缺陷位置已知的情况下进行的,且检测距离仅为6米;事实上,在实际检测过程中,不可能对所有区域都怀疑而进行全区域的聚焦扫查,因为那样做会大大降低检测速度。另外,当管线整体腐蚀较严重时,噪音信号增大,系统信噪比降低,即使使用聚焦技术,也不能发现3%缺陷(具体见美国宾尼法尼亚大学的试验报告)。(另外,英国压电晶片技术还可以对缺陷在管道环向或圆周方向进行定位,这是它一个优点;但是,在国外通常的做法是:一旦发现超标缺陷,就需要将缺陷所在的区域(500mm长的区域)打开,并采用其它的无损检测评估技术对缺陷的大小以及位置信息进行进一步确认评估,从上面的论述我们知道:高频超声波管道成像评估技术在缺陷的尺寸和位置信息测量方面,远比低频聚焦技术要精确得多。因此,环向定位技术在这方面实际应用的意义不是很大。)

 2、操作频率范围宽:

         美国MsS技术的频率范围:4kHz---250kHz,由于MsS两个传感器之间的间距任意可调,因此有多种模式:4kHz—12kHz; 14kHz--14kHz; 28kHz--38kHz;40kHz--50kHz; 52kHz--70kHz; 72kHz--90kHz; 92kHz--140kHz; 145kHz--190kHz;200kHz--250kHz等;(MsS技术可以将MsS传感器永久地安装在管道易腐蚀的区域,采用低频和高频探头来检测与监测腐蚀区域缺陷的增长,尤其是微小的管道漏斗状的腐蚀穿孔的长期状态监测)

 3、探头结构

          MsS探头结构简单、性价比高;MsS探头的特点:结构简单,且检测不受管道直径的限制,从1.5英寸到60英寸甚至更大尺寸的管道(可以适应无限大直径的管道);尤其是在螺旋焊缝的检测上,由于MsS探头结构的特殊性,很容易在螺旋焊缝上安装,不会被螺旋焊缝损坏。

          MsS探头适合被永久地安装在地埋管线容易腐蚀的区段(地势低洼处),进行长期腐蚀状态监控,成本很低,根据管道的直径大小,一个监测点的成本在200元-5000元之间(2寸—48寸管道)。

        

4、检测速度

          MsS技术不需要调试与设置仪器,可以直接开、关机;并且对所有尺寸的管径其操作步骤都是一样的,因此在机械干耦合方式中:对于现场只有一种尺寸的管道检测,其检测速度与英国压电技术的检测速度大致一样;对于现场有多种尺寸的管道检测,其检测速度要大于英国压电技术的检测速度。

     对于MsS技术的环氧树脂胶粘接的方式,对于现场只有一种尺寸的管道检测,其检测速度要比英国压电技术的检测速度慢;对于现场有多种尺寸的管道检测,其检测速度要大于英国压电技术的检测速度。(对于环氧树脂胶粘结的方式,可以雇佣2个民工来先行粘结,与管道其它普查方式平行进行,最后再采集数据

(MsS的数据采集仅仅需要5分钟),这样不仅时间可以大大节省下来,而且检测费用可以大大降低。)