基于超聲導波的氟化工高溫管道壁厚檢測技術

李 巖 羅 茜 劉睿浩 云 澤 張冀翔

（中國石油大學（北京）a.機械與儲運工程學院；b.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室）

氟化工泛指所有含氟元素的產品及其衍生品，可分為有機氟化工和無機氟化工兩類，其品類繁多，廣泛應用于國防軍工、建筑、農業、醫療及新能源等行業，被稱為“黃金產業”。 氫氟酸作為氟化工行業最重要的中間體，高溫會促使HF電離并提高介質與金屬間的反應速率，進而加劇其對金屬管道的腐蝕。 管道發生腐蝕以后，會表現出管壁變薄、出現蝕損斑等情況，存在一定的安全隱患。 因此，通過科學有效的方式對管道壁厚進行監測，及時發現腐蝕部位以便采取相應措施預防安全事故的發生極為重要。

目前， 檢測管道內腐蝕的方法主要有漏磁檢測、渦流檢測、超聲波和射線檢測技術［1～3］。漏磁檢測方法適用于中小型管道的快速檢測，成本較低［2］，但是檢測靈敏度低；渦流檢測方法屬于無損檢測技術，通過檢測交變磁場中的渦流變化進而完成腐蝕部位的定位分析［4］；超聲波檢測方法適用于壁厚較厚、口徑大的管道的檢測，能夠高效完成缺陷定位，但無法確定缺陷性質［5］；射線檢測方法能夠對管道中的缺陷部位進行有效檢測且靈敏度高，但是其檢測成本較高。

在一些惡劣條件下， 如檢測高溫管道壁厚時，傳統的超聲檢測技術面臨很大的挑戰，主要表現在直接接觸會導致傳感器失效，其原因在于傳感器的耦合特性和耐受性［6］。 基于超聲導波的檢測技術是一種比較新的超聲檢測方法，可以應用于極端工況下的材料評估和表征［7］。因此，基于超聲導波檢測技術開發出一套非侵入式的壁厚檢測裝備，并利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件對波導桿和試件內超聲波場進行了模擬分析，為氟化工裝置中高溫管道壁厚在線檢測提供了理論指導。

1 波導桿結構設計

波導桿是用來引導波傳播的結構， 通常由銅、鋁及不銹鋼等材質制成。 它也能作為溫度緩沖結構，率先提出采用波導桿作為高溫試件的溫度緩沖結構并申請了專利的是美國學者CROSS N O［8］，他采用不完全焊接的方式將一根圓柱形波導桿焊接在工件表面。 隨后，很多學者也采用了與被測管道相同材質的圓柱形波導桿開展了相關試驗研究［3,9］。 但是，使用這種長圓柱形波導桿的一個關鍵問題是，在超聲波傳播過程中發生在桿側表面的反射波和模態轉換波會引起拖尾信號的產生。 FOUDZI F M和IHARA I［10］曾基于有限差分法的三維數值模擬軟件Wave 3000， 探究具有不同多邊形截面的波導桿的超聲波脈沖回波行為。 IZMAILOVA E V等開發了一種通過聲學方法檢測管道腐蝕失效的技術，根據回波信號判斷管壁減薄等缺陷及其幾何尺寸［11］。

采用波導桿作為溫度緩沖結構使被檢工作表面的高溫降至超聲探頭正常工作的溫度范圍，不僅與波導桿的長度有關， 還與其材料屬性、幾何形狀等因素有關，因此合理設計波導桿結構是非侵入式壁厚檢測技術的關鍵之一。

筆者采用COMSOL Multiphysics軟件分別對銅、 鋁和不銹鋼3種材質的不同截面形狀和尺寸進行優化， 最后給出適用于500 ℃高溫工況下的波導桿結構設計方案。 該溫度緩沖過程包含熱傳導、熱對流和熱輻射3種傳熱方式。 在COMSOL中選擇輻射和固體傳熱模塊進行穩態分析，仿真模型和網格劃分如圖1所示。 圓柱形波導桿和矩形波導桿的截面面積和長度均相同。 在被檢工件下表面施加500 ℃高溫熱源， 以模擬管道內的高溫介質，環境溫度設為25 ℃，添加對流換熱及表面對表面輻射邊界條件。

圓柱形和矩形波導桿的溫度緩沖曲線如圖2a所示， 可見矩形波導桿的溫度緩沖效果更好；316L不銹鋼、鋁和銅質矩形波導桿的溫度緩沖曲線如圖2b所示， 相對而言，316L不銹鋼是制作波導桿的最佳材質， 且300 mm即可滿足降溫需求；采取控制變量法研究了矩形波導桿截面不同寬度w和厚度d對溫度緩沖效果的影響（圖2c、d），可以發現，矩形波導桿的厚度是影響其降溫效果的重要尺寸，寬度影響不大。 對于波導桿的結構設計，應在滿足降溫長度的前提下，盡可能選用大寬厚比的316L不銹鋼矩形形狀波導桿。 考慮到加工難易程度， 設計一個長寬厚分別為300 mm×18 mm×1 mm的矩形波導桿可滿足500 ℃高溫測量需求。

圖2 影響波導桿降溫效果的主要因素

2 非侵入式管道壁厚檢測系統設計

2.1 原理

圖3為本研究所用基于波導結構的管道壁厚檢測示意圖，利用超聲脈沖反射原理對被測管道進行壁厚測量。 超聲探頭發射的脈沖信號經波導桿傳播到工件表面，發生反射和透射。 透射波進入被檢工件并在下表面發生反射，反射信號沿波導返回并由超聲探頭接收。 在聲速已知的情況下，通過測量相鄰兩底面反射信號間的時間間隔便可計算出壁厚。

圖3 管道壁厚檢測示意圖

本研究采用的超聲導波為水平剪切波（SH波），其振動方向與波傳播的方向垂直，其頻率大小需要滿足頻寬積大于準SH0模態下的非頻散臨界頻寬積（不銹鋼的頻寬積為15 MHz·mm），頻厚積小于SH1模態下的截止頻厚積（不銹鋼的頻厚積為1.6 MHz·mm）［12］，如下：

式中 d——波導桿的厚度；

f——激勵信號頻率；

w——波導桿的寬度。

模擬過程中采用頻率為1 MHz的高斯脈沖信號作為激勵信號，其函數表達式為：

2.2 超聲導波傳播特性

衡量超聲波作用效果的一個重要參數是聲場中的聲壓分布， 因此采用COMSOL軟件對超聲導波在波導桿和待測工件中的傳播過程進行瞬態求解，根據聲壓分布進而研究超聲導波的傳播特性與機理。 圖4為不同時刻下的聲壓分布云圖，根據聲壓分布情況可以看出超聲導波在待測工件上表面發生了反射和透射現象。 反射信號沿波導桿返回并由超聲探頭接收，透射進入待測工件的超聲導波在工件內部的有限邊界發生反射，并伴有模態轉換，反射信號同樣經波導桿返回并由超聲探頭接收。

圖4 不同時刻的聲壓分布

圖5為超聲換能器表面的平均聲壓曲線，除初始信號，波峰較高的信號是發生在待測工件上表面的反射信號；波峰較低的是發生在下表面的反射信號，分別記為一次波、二次波、三次波。 觀察聲壓曲線可以發現，接收到的脈沖回波信號彼此分離純度較高，波形穩定，并且清晰可辨。 由于矩形波導桿的厚度遠小于水平剪切波的波長，當這種水平剪切波入射時理論上可以將其視為一種反平面剪切線源，其在待測工件內部只會激勵出水平剪切波，并沿各方向均勻擴散。 因此，水平剪切波可以作為一種用于壁厚檢測的理想的激勵源模式。

圖5 換能器表面平均聲壓曲線

2.3 試驗結果分析

圖6所示為搭建的非侵入式超聲波壁厚檢測裝備，該裝備由信號發生器、超聲探頭、耦合劑、固定夾具、波導桿、待測工件、示波器和計算機組成。 與Tektronix-AFG信號發生器連接的奧林巴斯V154-RB橫波探頭通過夾具固定在波導桿的一端作為激勵端，另一個橫波探頭連接波導桿作為接收端， 接收到的脈沖回波信號通過Tekteonix-TBS1102B-EDU示波器顯示。 試驗時，由信號發生器產生一個五周期正弦脈沖信號，該脈沖信號接到奧林巴斯橫波探頭作用于波導桿，并沿波導桿傳播到待測工件表面，在待測工件中激勵出水平剪切波，并在厚度方向上發生多次反射，反射回波由示波器進行采集和顯示。

圖6 非侵入式超聲波壁厚檢測裝備

為準確計算待測工件厚度值，首先應確定回波信號中波峰的具體位置。 將示波器采集到的回波信號導入至MATLAB進行Hilbert變換，圖7是經過Hilbert變換后得到的10 mm待測工件的回波信號包絡曲線，波峰波谷位置清晰可辨。

圖7 回波信號包絡曲線

對兩個相鄰波峰鄰域內的包絡曲線求極值點，分別記為tA和tB，根據下式即可計算得到待測試件厚度δ：

式中 c——超聲波波速。

試驗所用波導桿和待測工件材質均為316L不銹鋼，已知常溫狀態下（25 ℃），超聲波在該材質中的剪切波速為3 154.4 m/s， 因而得到試件測量厚度值為10.09 mm，相對誤差為0.9%。 利用該設備對不同溫度下的試件進行了測量，測量結果如圖8所示。 從圖中可以看出，隨著溫度上升，測量厚度幾乎線性增長， 導致測量誤差越來越大，試件溫度高于250 ℃時， 誤差已經達到5%以上。這是由于溫度升高，超聲波速會發生變化，而當前是按照固定波速計算，因此會導致測量誤差增大。 因此針對更高溫度工件檢測時，必須要考慮溫度的影響，后續研究需要對測量數據計算進行溫度補償修正，從而得到更準確的結果。

圖8 不同溫度下的試件測量厚度

3 結束語

基于超聲導波無損檢測理念，設計了一種非侵入式的管道壁厚檢測裝備， 其結構簡單輕便，可通過夾具進行壓力耦合固定，實現壁厚定點檢測。 采用有限元仿真軟件對波導桿進行熱仿真分析， 設計了一種大寬厚比的矩形波導桿結構， 該結構既能實現溫度緩沖， 又能夠有效地傳遞非頻散水平剪切波。 聲場模擬結果也說明， 使用該矩形波導對待測工件進行厚度測量， 超聲換能器接收到的各次反射回波信號清晰可辨， 利用相鄰回波信號之間的時間差可計算得到厚度值。 試驗測量了室溫下10 mm厚的316L不銹鋼板， 接收到的脈沖回波信號波峰波谷清晰可見， 信號彼此分離， 并且回波信號經處理后較為準確地計算出了工件厚度。 利用該設備對不同溫度下試件厚度進行測量， 發現測量誤差隨溫度幾乎線性增加， 因此高溫工件檢測時需要進行溫度修正， 從而得到更精準的結果。 筆者基于波導結構并利用SH超聲導波的厚度測量方法， 將常規超聲換能器與高溫管道分離開來， 實現了對高溫管道壁厚的間接測量，若結合無線傳輸技術將能夠實現對高溫管道腐蝕狀況的長期在線監測。