基于超声导波的氟化工高温管道壁厚检测技术

李 岩 罗 茜 刘睿浩 云 泽 张冀翔

（中国石油大学（北京）a.机械与储运工程学院；b.过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室）

氟化工泛指所有含氟元素的产品及其衍生品，可分为有机氟化工和无机氟化工两类，其品类繁多，广泛应用于国防军工、建筑、农业、医疗及新能源等行业，被称为“黄金产业”。 氢氟酸作为氟化工行业最重要的中间体，高温会促使HF电离并提高介质与金属间的反应速率，进而加剧其对金属管道的腐蚀。 管道发生腐蚀以后，会表现出管壁变薄、出现蚀损斑等情况，存在一定的安全隐患。 因此，通过科学有效的方式对管道壁厚进行监测，及时发现腐蚀部位以便采取相应措施预防安全事故的发生极为重要。

目前， 检测管道内腐蚀的方法主要有漏磁检测、涡流检测、超声波和射线检测技术［1～3］。漏磁检测方法适用于中小型管道的快速检测，成本较低［2］，但是检测灵敏度低；涡流检测方法属于无损检测技术，通过检测交变磁场中的涡流变化进而完成腐蚀部位的定位分析［4］；超声波检测方法适用于壁厚较厚、口径大的管道的检测，能够高效完成缺陷定位，但无法确定缺陷性质［5］；射线检测方法能够对管道中的缺陷部位进行有效检测且灵敏度高，但是其检测成本较高。

在一些恶劣条件下， 如检测高温管道壁厚时，传统的超声检测技术面临很大的挑战，主要表现在直接接触会导致传感器失效，其原因在于传感器的耦合特性和耐受性［6］。 基于超声导波的检测技术是一种比较新的超声检测方法，可以应用于极端工况下的材料评估和表征［7］。因此，基于超声导波检测技术开发出一套非侵入式的壁厚检测装备，并利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对波导杆和试件内超声波场进行了模拟分析，为氟化工装置中高温管道壁厚在线检测提供了理论指导。

1 波导杆结构设计

波导杆是用来引导波传播的结构， 通常由铜、铝及不锈钢等材质制成。 它也能作为温度缓冲结构，率先提出采用波导杆作为高温试件的温度缓冲结构并申请了专利的是美国学者CROSS N O［8］，他采用不完全焊接的方式将一根圆柱形波导杆焊接在工件表面。 随后，很多学者也采用了与被测管道相同材质的圆柱形波导杆开展了相关试验研究［3,9］。 但是，使用这种长圆柱形波导杆的一个关键问题是，在超声波传播过程中发生在杆侧表面的反射波和模态转换波会引起拖尾信号的产生。 FOUDZI F M和IHARA I［10］曾基于有限差分法的三维数值模拟软件Wave 3000， 探究具有不同多边形截面的波导杆的超声波脉冲回波行为。 IZMAILOVA E V等开发了一种通过声学方法检测管道腐蚀失效的技术，根据回波信号判断管壁减薄等缺陷及其几何尺寸［11］。

采用波导杆作为温度缓冲结构使被检工作表面的高温降至超声探头正常工作的温度范围，不仅与波导杆的长度有关， 还与其材料属性、几何形状等因素有关，因此合理设计波导杆结构是非侵入式壁厚检测技术的关键之一。

笔者采用COMSOL Multiphysics软件分别对铜、 铝和不锈钢3种材质的不同截面形状和尺寸进行优化， 最后给出适用于500 ℃高温工况下的波导杆结构设计方案。 该温度缓冲过程包含热传导、热对流和热辐射3种传热方式。 在COMSOL中选择辐射和固体传热模块进行稳态分析，仿真模型和网格划分如图1所示。 圆柱形波导杆和矩形波导杆的截面面积和长度均相同。 在被检工件下表面施加500 ℃高温热源， 以模拟管道内的高温介质，环境温度设为25 ℃，添加对流换热及表面对表面辐射边界条件。

圆柱形和矩形波导杆的温度缓冲曲线如图2a所示， 可见矩形波导杆的温度缓冲效果更好；316L不锈钢、铝和铜质矩形波导杆的温度缓冲曲线如图2b所示， 相对而言，316L不锈钢是制作波导杆的最佳材质， 且300 mm即可满足降温需求；采取控制变量法研究了矩形波导杆截面不同宽度w和厚度d对温度缓冲效果的影响（图2c、d），可以发现，矩形波导杆的厚度是影响其降温效果的重要尺寸，宽度影响不大。 对于波导杆的结构设计，应在满足降温长度的前提下，尽可能选用大宽厚比的316L不锈钢矩形形状波导杆。 考虑到加工难易程度， 设计一个长宽厚分别为300 mm×18 mm×1 mm的矩形波导杆可满足500 ℃高温测量需求。

图2 影响波导杆降温效果的主要因素

2 非侵入式管道壁厚检测系统设计

2.1 原理

图3为本研究所用基于波导结构的管道壁厚检测示意图，利用超声脉冲反射原理对被测管道进行壁厚测量。 超声探头发射的脉冲信号经波导杆传播到工件表面，发生反射和透射。 透射波进入被检工件并在下表面发生反射，反射信号沿波导返回并由超声探头接收。 在声速已知的情况下，通过测量相邻两底面反射信号间的时间间隔便可计算出壁厚。

图3 管道壁厚检测示意图

本研究采用的超声导波为水平剪切波（SH波），其振动方向与波传播的方向垂直，其频率大小需要满足频宽积大于准SH0模态下的非频散临界频宽积（不锈钢的频宽积为15 MHz·mm），频厚积小于SH1模态下的截止频厚积（不锈钢的频厚积为1.6 MHz·mm）［12］，如下：

式中 d——波导杆的厚度；

f——激励信号频率；

w——波导杆的宽度。

模拟过程中采用频率为1 MHz的高斯脉冲信号作为激励信号，其函数表达式为：

2.2 超声导波传播特性

衡量超声波作用效果的一个重要参数是声场中的声压分布， 因此采用COMSOL软件对超声导波在波导杆和待测工件中的传播过程进行瞬态求解，根据声压分布进而研究超声导波的传播特性与机理。 图4为不同时刻下的声压分布云图，根据声压分布情况可以看出超声导波在待测工件上表面发生了反射和透射现象。 反射信号沿波导杆返回并由超声探头接收，透射进入待测工件的超声导波在工件内部的有限边界发生反射，并伴有模态转换，反射信号同样经波导杆返回并由超声探头接收。

图4 不同时刻的声压分布

图5为超声换能器表面的平均声压曲线，除初始信号，波峰较高的信号是发生在待测工件上表面的反射信号；波峰较低的是发生在下表面的反射信号，分别记为一次波、二次波、三次波。 观察声压曲线可以发现，接收到的脉冲回波信号彼此分离纯度较高，波形稳定，并且清晰可辨。 由于矩形波导杆的厚度远小于水平剪切波的波长，当这种水平剪切波入射时理论上可以将其视为一种反平面剪切线源，其在待测工件内部只会激励出水平剪切波，并沿各方向均匀扩散。 因此，水平剪切波可以作为一种用于壁厚检测的理想的激励源模式。

图5 换能器表面平均声压曲线

2.3 试验结果分析

图6所示为搭建的非侵入式超声波壁厚检测装备，该装备由信号发生器、超声探头、耦合剂、固定夹具、波导杆、待测工件、示波器和计算机组成。 与Tektronix-AFG信号发生器连接的奥林巴斯V154-RB横波探头通过夹具固定在波导杆的一端作为激励端，另一个横波探头连接波导杆作为接收端， 接收到的脉冲回波信号通过Tekteonix-TBS1102B-EDU示波器显示。 试验时，由信号发生器产生一个五周期正弦脉冲信号，该脉冲信号接到奥林巴斯横波探头作用于波导杆，并沿波导杆传播到待测工件表面，在待测工件中激励出水平剪切波，并在厚度方向上发生多次反射，反射回波由示波器进行采集和显示。

图6 非侵入式超声波壁厚检测装备

为准确计算待测工件厚度值，首先应确定回波信号中波峰的具体位置。 将示波器采集到的回波信号导入至MATLAB进行Hilbert变换，图7是经过Hilbert变换后得到的10 mm待测工件的回波信号包络曲线，波峰波谷位置清晰可辨。

图7 回波信号包络曲线

对两个相邻波峰邻域内的包络曲线求极值点，分别记为tA和tB，根据下式即可计算得到待测试件厚度δ：

式中 c——超声波波速。

试验所用波导杆和待测工件材质均为316L不锈钢，已知常温状态下（25 ℃），超声波在该材质中的剪切波速为3 154.4 m/s， 因而得到试件测量厚度值为10.09 mm，相对误差为0.9%。 利用该设备对不同温度下的试件进行了测量，测量结果如图8所示。 从图中可以看出，随着温度上升，测量厚度几乎线性增长， 导致测量误差越来越大，试件温度高于250 ℃时， 误差已经达到5%以上。这是由于温度升高，超声波速会发生变化，而当前是按照固定波速计算，因此会导致测量误差增大。 因此针对更高温度工件检测时，必须要考虑温度的影响，后续研究需要对测量数据计算进行温度补偿修正，从而得到更准确的结果。

图8 不同温度下的试件测量厚度

3 结束语

基于超声导波无损检测理念，设计了一种非侵入式的管道壁厚检测装备， 其结构简单轻便，可通过夹具进行压力耦合固定，实现壁厚定点检测。 采用有限元仿真软件对波导杆进行热仿真分析， 设计了一种大宽厚比的矩形波导杆结构， 该结构既能实现温度缓冲， 又能够有效地传递非频散水平剪切波。 声场模拟结果也说明， 使用该矩形波导对待测工件进行厚度测量， 超声换能器接收到的各次反射回波信号清晰可辨， 利用相邻回波信号之间的时间差可计算得到厚度值。 试验测量了室温下10 mm厚的316L不锈钢板， 接收到的脉冲回波信号波峰波谷清晰可见， 信号彼此分离， 并且回波信号经处理后较为准确地计算出了工件厚度。 利用该设备对不同温度下试件厚度进行测量， 发现测量误差随温度几乎线性增加， 因此高温工件检测时需要进行温度修正， 从而得到更精准的结果。 笔者基于波导结构并利用SH超声导波的厚度测量方法， 将常规超声换能器与高温管道分离开来， 实现了对高温管道壁厚的间接测量，若结合无线传输技术将能够实现对高温管道腐蚀状况的长期在线监测。