摘要：分析了传统的管道缺陷检测技术的缺点，论述了超声导波检测技术、超声相控阵检测技术、衍射时差检测技术的工作原理和优点。
关键词：完整性管理；管道缺陷检测；超声导波；超声相控阵；衍射时差
Review of New Technologies for Defect Detection of Natural Gas Pipeline in Service
JI Shouhong，WANG Qiang，SONG Yixin
Abstract：The disadvantages of conventional detection technologies of pipeline defbcts are analyzed.The working principles and advantages of new technologies including ultrasonic guided wave inspection technology，ultrasonic phased array inspection technology and time-of-flight diffraction are described.
Key words：integrity management；pipeline defect detection；sonic phased array；time-of-flight diffraction
1 概述
陕京管道、西气东输和川气东送等大型天然气管道的投产运营，标志着我国已经步入天然气高速发展的时代。天然气管道在长期的服役过程中，由腐蚀、疲劳破坏、第三方破坏或管道内部潜在缺陷导致的管道泄漏事故频频发生[1]，不仅给管道运营企业带来巨大的经济损失，甚至会出现人身伤亡、环境污染等特大事故，进而影响到社会的稳定。因此，各个管道运营企业都非常重视对在役天然气管道缺陷的检测技术研究。为了防止天然气管道腐蚀穿孔、开裂等事故发生，我国每年用于管道维修的费用高达(3～5)×108元，而且有逐年增加的趋势。受检测手段的制约，天然气管道损伤状况多数不明，往往造成盲目开挖、盲目报废，维修缺少科学性，从而造成人力、物力的大量浪费。对天然气管道缺陷的检测一直是困扰管道安全管理者的问题。因此，定期对天然气管道的完整性[2～4]进行检测成为管道维护不可缺少的必要手段之一。对天然气管道缺陷的检测是管道完整性检测的一个重要组成部分。寻找一种经济适用、快速高效的天然气管道缺陷检测新技术是迫切需要解决的问题。
2 天然气管道缺陷检测技术
依据天然气管道缺陷检测的原理，现有的检测方法[5～6]可分为直接检测法和间接检测法。最常用的直接检测法是空气取样法，此法主要有两种检测器，即火焰电离检测器和可燃气体监测器；间接检测法的方法较多，如超声波检测技术、射线(X射线、叫射线)成像技术、漏磁检测技术、超声导波检测技术、超声相控阵检测技术、衍射时差检测技术等。本文主要介绍超声导波检测技术、超声相控阵检测技术、衍射时差检测技术。
3 超声导波检测技术
超声波检测技术、射线成像技术和磁漏检测技术都属于逐点检测技术，只能对传感器接触到的天然气管道部位进行检测，而且检测效率较低。对于传感器难以接触到的某些管道位置，例如套管、穿越铁路(公路)管道、架空管道以及水下穿越管道，这些检测技术无法进行有效的检测。随着科技的发展，超声导波检测技术的出现，解决了先前的间接检测法(超声波检测技术、射线成像技术和磁漏检测技术)在检测天然气管道缺陷时效率较低的问题。
3.1 传统超声波检测技术的不足
传统超声波检测技术只能集中检测管道的局部区域，具有检测大面积管道缺陷速度慢、检测效率低、只能检测到探头下面的那部分管道的不足。传统超声波检测技术进行大面积管道缺陷的检测时，就必须逐点地作许多次测量，也就是要频繁地接近被检测管道表面。对于难以接近或费用较大的区域，如此精细的检测是不经济的。
3.2 超声导波的工作原理
超声导波[7]是指在有边界的介质内平行于它的边界线沿轴向传播的超声速机械波。超声导波技术能够从任意一个比较方便接近的天然气管道截面位置进行检测。检测埋地天然气管道时，超声导波技术不需要直接接触所有的天然气管道，而是在现场开挖一处合适的位置就可以对一段埋地天然气管道进行检测。当需要检测的天然气管道穿越铁路(公路)时，可以从铁路(公路)的任意一侧进行检测。使用超声导波技术可以节约大量的天然气管道维护费用。
超声导波的工作原理[8～9]就是利用探头上的压电陶瓷材料和管壁紧密结合，激发出低频超声波脉冲信号，此脉冲信号充斥整个天然气管道圆周方向和整个管壁厚度，沿管道轴向向远处传播。超声导波在管道中传播时，若遇到缺陷则会立即发生反射和透射现象，产生携带管道缺陷信息的反射回波，反射回波被探头传感器所接收。利用软件将探头传感器所接收到的反射回波信号加以分析、比对处理后，即可判断出天然气管道内外壁是否有腐蚀或裂纹等缺陷。
超声导波检测技术能够检测长距离天然气管道的缺陷或损伤而，无需剥离管道防腐层，能够检测天然气管道内外壁的腐蚀状况和环向、纵向裂纹，可以检测架空、穿越和跨越天然气管道，可以从较远的位置检测到设备难以到达的区域，可以在线检测管道腐蚀状态或监测管道的状态。
3.3 超声导波检测的优点
超声导波是以超声波入射到管壁中传播从而进行长距离快速筛选检测的技术，具有检测效率高、一次检测覆盖范围大、速度快和可检测整个管壁等优点。利用超声导波技术可以实现对大型天然气管道缺陷的快速、大范围检测，可以有效地提高检测效率，而且能够实现对水下穿越天然气管道的检测，具有良好的可操作性，越来越多地被应用在天然气管道的长距离快速检测和性能评价等方面。
超声导波检测技术与传统超声波检测技术相比具有突出的优点。一方面，由于超声导波沿传播路径衰减小，可沿管道传播50 In远的距离，且回波信号包含管道整体性信息。因此，相对于超声波检测、漏磁检测、射线成像等技术，超声导波检测技术实际上是检测了一条线，而非一点。另一方面，由于超声导波在管道的内外表面和管壁中都有质点的振动，声场遍及整个壁厚，因此，整个壁厚都可以被检测到，这就意味着既可以检测管道的内部缺陷，也可以检测管道的表面缺陷。
4 超声相控阵检测技术
超声相控阵检测技术是近年来天然气管道超声波无损检测领域发展起来的新技术，以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视与应用。
4.1 超声相控阵的工作原理
超声相控阵技术[10～11]。是多声束扫描成像技术，使用由多个晶片组成的多阵元换能器来产生和接收超声波波束，通过控制阵列中各阵元发射激励(或接收)脉冲时间的延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系.实现聚焦点和声束方位的变化，然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像的检测技术。
由多阵元换能器来产生的超声波是一种由高频电脉冲激励压电晶片在弹性介质(管道)中产生的机械振动。超声相控阵发射是通过控制各个独立阵元的延时和灵敏度，可以生成不同辐射面的声波.产生不同形式的电控声场。由于超声相控阵阵元的延迟时间可动态改变，因此，使用超声相控阵技术检测天然气管道缺陷主要是利用它的声束角度可控和可动态聚焦两大特点来实现。
4.2 超声相控阵检测的优点
超声相控阵技术的主要特点是多晶片探头中各晶片的激励(振幅和延时)均由计算机控制。压电复合晶片受激励后产生超声波聚焦波束，声束参数(如角度、焦距)均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的，能以镜面反射方式检测出不同方位的裂纹，这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。由于相控阵探头声束不仅聚焦而且可以转向，因此，多向裂纹都可以被超声相控阵探头检出。
与射线成像检测技术相比，超声相控阵检测技术有如下优点[12]：①超声相控阵技术可以检测出管道缺陷的埋藏深度及自身高度，而射线成像技术只能显示管道缺陷的平面投影，超声相控阵技术在缺陷定位方面要比射线成像技术准确；②超声相控阵技术可以检测出管道密集气孔的埋藏深度，而射线成像技术只能定量缺陷的点数；③超声相控阵技术可以检测出管道焊缝未焊透缺陷的长度、埋藏深度及自身高度，而射线成像技术不能显示管道焊缝未焊透缺陷的埋藏深度及自身高度。
5 衍射时差检测技术
衍射时差检测技术是一种较新的天然气管道缺陷检测技术，它利用在管道中声速最快的纵波在缺陷端部产生的衍射能量来进行检测。
5.1 衍射时差检测的工作原理
衍射时差检测技术的工作原理[13～14]：衍射时差检测技术是依靠超声波与缺陷端部的相互作用发出的衍射波来检测出缺陷并对其进行定量的。当超声波入射到缺陷端部时，依据惠更斯原理[15]可知，此端部立即成为新的衍射波源，该波源向360°方向发射衍射波。检测时采用一发一收(一个激发探头和一个接收探头)角度相同的双探头模式，利用缺陷尖端产生的衍射波信号进行探测和测量管道缺陷的尺寸。检测过程中，激发探头产生的宽角度纵波可以覆盖整个管道的检测区域。在无缺陷部位，接收探头首先接收到在两个探头之间以纵波速度进行传播的直通波，然后接收到底面反射回波。如果在天然气管道中存在裂纹缺陷，则通过缺陷上尖端和下尖端的超声波将分别产生衍射波，这两束衍射波在直通波和底面反射波之间出现。衍射波的信号比底面反射波的信号要弱很多，但比直通波的信号强。如果缺陷高度较小，则上尖端产生的衍射波和下尖端产生的衍射波可能互相重叠。从管道缺陷下尖端传到接收探头的衍射波信号，要迟于从上尖端传到接收探头的衍射波信号，通过测量该时间差即可测量出缺陷的长度。
5.2 衍射时差检测的优点
衍射时差检测技术克服了其他超声波检测的一些固有缺点，天然气管道缺陷的检出和定量不受声束角度、探测方向、缺陷表面粗糙度、管道表面状态及探头压力等因素的影响。
衍射时差检测技术与传统超声波检测技术、射线成像技术相比有如下的优点[16]：①衍射时差检测技术的缺陷检出率明显高于传统超声波检测技术和射线成像技术；②衍射时差检测技术可用于管道缺陷扩展的监控，是有效且能精确测量裂纹增长的方法之一；③衍射时差检测技术可以精确地检测出缺陷的埋藏深度和自身高度，定量的精度很高，一般误差为±1mm，裂纹扩展检测误差可达±0.3mm；④有效地检测出任意方向的缺陷。
6 结语
随着在役天然气管道服役年限的逐年增加，为减少管道在运行中的事故隐患，有必要对在役天然气管道进行完整性管理，而对在役天然气管道缺陷的检测是管道完整性管理中的一个重要环节。随着科学技术的发展，以超声导波、超声相控阵和衍射时差检测技术为代表的检测新技术的出现，克服了传统检测技术的许多缺点，不仅提高了检测精度，而且也提高了检测的速度，具有非常高的性价比，因此，这些检测新技术代表了天然气管道检测技术的发展方向。精准的检测技术能够促进管道的完整性，提高天然气管道的本质安全。
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(本文作者：季寿宏1 王强2 宋祎昕1 1.浙江浙能天然气运行有限公司 浙江杭州 310052；2.中石油昆仑燃气公司西北分公司 甘肃兰州 730050)
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