管道钢管壁厚超声波检测技术研究

管道钢管壁厚超声波检测技术研究

邓军焕

华油钢管有限公司   062650

摘要：油气长期运输容易腐蚀管道壁，被腐蚀后的管道壁厚度逐渐减小，有时还会出现穿孔问题。超声波检测技术具有测量范围广、误差小、检测数据准确等优势，将其应用到管道壁厚检测中，不仅能准确测量管道壁厚，还能及时发现管道缺陷与穿孔问题。由此，文章将超声波检测技术应用到管道壁厚检测中，希望在检测钢管壁厚的同时，及时发现管道内部缺陷。

关键词：钢管；壁厚；超声波检测技术

引言：随着管道运输的大面积应用，其在石油与天然气等方面能源运输中的作用越来越明显。长期运输天然气过程中，管道很容易出现老化、腐蚀等情况，最终导致管壁厚度越来越薄，难以满足安全生产要求。为解决这一问题，减少管道运输安全事故发生，有必要加强管道壁厚检测，定期对不合格管道进行维修，确保油气管道运输安全。超声波检测技术在不影响管道质量的前提下，可以精确测定管道壁厚，及时发现管道内部缺陷，这在保证管道运输安全，提升管道运输质量方面有重要作用。

1 钢管超声测厚原理

钢管超声波测量管壁厚度的原理主要是利用脉冲超声波反射原理，即超声波由钢管一端发射经由钢管内表面反射回来测定超声波在管内传播所需时间来测量管壁厚度。具体测厚原理见下图1所示。

图1 超声波测厚原理

应用脉冲回波法测定管壁厚度，会用到如下公式，即T=vt/2，本式子中，T代表管壁厚度，v代表超声波在介质中的传播声速，t代表超声波在管道内传输过程所需时间。

2 钢管超声测厚装置

2.1 测厚仪

以钢管管道特征为基础，一般测定管壁厚度需要使用智能超声波测厚仪，使用该装置期间，需要满足如下条件（详细见下表1所示）。

表1  测厚仪关键性能参数

注：H代表钢管壁厚公称值

2.2 探头

管道壁厚测量阶段，探头选择期间，可以双晶探头为主开展测量操作，然后结合检测装置厚与曲率情况选择最佳探头直径与频率。

2.3 耦合剂

管道壁厚测量中，使用耦合剂可以将被测物与探头间空气去除，减少超声波测量障碍，提高超声波检测效率，让超声波快速完成检测任务。若耦合剂选用不合理，很容易导致测量误差，最终影响超声波测量工作开展。所以，应严格控制耦合剂筛选。若应用的表面较为光滑，可选用低粘度耦合剂；若应用表面较为粗糙或者为垂直表面，可选用高粘度耦合剂。再者，耦合剂使用阶段，应做好用量控制，保证被测工件表面涂抹均匀，若被测工件温度过高，可将耦合剂涂抹到探头上。

2.4 对比试块

为确保管道壁厚检测结果准确，可将对比试块应用其中。结合检测条件与相关检测标准，加强试块设计与制作，确保其能在测厚仪灵敏度调节与定量检测结果方面发挥作用。对比试块制作阶段，可将检测钢管一段为标准制作对比试块，方便校准检测仪。

3 钢管超声测厚方法

3.1 校准测厚仪

测量钢管壁厚前，为确保最后的测量结果准确，应先校准测厚仪。

（1）加强配件外观检查，确保配件完整，且外表没有出现变形与受损等情况，紧固件检查时，应避免零件松动。（2）示值误差最大示值误差。（3）利用专用对比试块校准管道壁厚度。

3.2 壁厚测量法

3.2.1 一般测量法

（1）单点测量法：选择被测工件中的一点借助探头测量两次管壁厚度，具体测量阶段应保证探头分割面相互垂直，测量结束以最小值作为工件厚度。

（2）30mm多点测量法：测量值不稳定的情况下，可选择某一点作为测量中心，然后依次为基准，画出半径大小为15mm的圆，并在其中开展多次测量，最后将测量结果最小值当作实际工件厚度。

3.2.2 精确测量法

将新的测量数目增加至规定测量点四周，用等厚线表示其厚度。

3.2.3 连续测量法

  以单点测量法为基础，朝着指定路线持续测量，控制测量间隔在5mm内。

3.3 测厚实际操作

3.3.1 工件准备

测量工作开展前，应及时清理测量部位外表的污垢与防腐层，一直到钢管本色露出位置，然后在上面涂抹一层均匀的耦合剂。

3.3.2 仪器检验

对比试块中添加适量耦合剂，做好仪器声速调整与校正，确保管壁厚度数值与实际精度要求相符。

3.3.3 测量

（1）探头摆放阶段，需要控制管体轴线与分割线夹角，一般情况下二者之间的角度控制在90°最佳，接触试件时，要在探头上端额外增加一部分压力，控制其大小为（20～30N），待探头与试件耦合效果最佳后，排除多余耦合剂，合理控制耦合剂厚度，避免耦合剂过厚影响声波传输速度，提升管道壁厚测量结果准确性。（2）利用3.2当中的测量法测量。若要在某一范围内开展密集点厚度测量，应将探头进行跳跃式移动，避免管道表面与探头接触时相互移动。

3.3.4 读数

待数值稳定后进行读数，读数过程中保证相同数值稳定时间在3s以上。

3.3.5 重新校对测厚仪

（1）一般具体操作开展前应校对一遍测厚仪；（2）发生如下情况也要对测厚仪进行重新校对：1）仪器声速开关发生变化；2）测量厚度值不达标；3）探头、耦合剂更换过后；4）更换电池、电源之后；5）探头、仪器等修理过后；6）测量工作结束后。（3）校对完仪器，若仍存在明显的显示误差，应对上次测量完的数据进行二次复核。

4 钢管超声测厚影响因素

4.1 声速

测量操作开展前，需要先结合材料种类预测声速大小。使用一种材料进行仪器校正，而后用仪器测量其他材料的过程中，很容易导致测量数据错误。因此，测量前期，有必要准确辨识材料，正确选用声速。

4.2 表面曲率半径

小直径钢管管壁厚度测量期间，在普通探头为平面和曲面相互接触多为点或者线解除，该过程很容易影响声强透射率。所以在这种情况下，可将专用探头应用期间，便于提升测量精度。

4.3 表面粗糙度

管壁厚度测量期间，使用超声波测厚仪阶段，若工件表面过于粗糙，很容易影响接触面和探头间的耦合效果，加上反射回波较低，有时还会接收不到回波信号。对于这种情况，可先对管道表面进行处理，提升管道表面光亮与顺滑度，或者利用氧化物将表面杂物去除掉，待管道光泽露出后，再利用超声波进行测量，即可达到理想的耦合效果。

4.4.涂层

虽然涂层和管道材料结合紧密，边界不明显，但声速传播受介质影响，若介质不同，势必会影响声速传播大小，进而引起管道壁厚测量误差；另外，涂层厚度存在差异也会导致测量结果不同。应用普通超声波测厚仪期间，应保证管道涂层位置整洁干净，且管道金属能露出一定光泽。

4.5 耦合剂

添加耦合剂前，应提前处理好测量表面，保证表面整洁无杂物。例如，测量操作开展前，提前将管道表面的灰尘与污垢等除去。遇到一些特殊情况，例如，管道表层存在明显凹陷，此时厚度测量值需要包含耦合剂厚度。

4.6 材料多相性

被测物体材料组成多为合金或一些其他杂质，其中物体制造过程会对晶粒取向与结构产生影响。不同晶粒结构下的超声波传播路径、速度与方向不同，相应地产生的波形、散射、绕射效果也不一样，与之相应的，测厚仪上面的读数变化也不同。

4.7 材料各相异性

  各相异性材料当中，不同平面声速也不一样。材料结构差异会改变波束方向，进而引起读数误差，这种情况在很多合金与不锈钢等材料中十分常见。

结语：管道腐蚀不仅容易导致油气泄漏，还会影响企业正常生产，污染周边环境。为防止这一问题发生，有必要加强管道测量工作开展。管道钢管壁厚测量中，常用的技术有很多，超声波检测技术因能提升管道壁厚测量结果准确率，及时检测管道厚度与缺陷，时长作为管道壁厚测量方法的首选。利用超声波检测技术，不仅可以预测管道剩余裕度，还能为管道维护工作开展提供有利的数据支撑，减少管道运行维护中的各项风险，确保管道运输安全稳定。

参考文献：

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