石油管道检测中超声探头的选择及声场分析

李德荣

摘要：经过详细的研究，我们发现，在管道检测方面，使用不同类型的超声波探头可以获得更准确的结果。此外，我们还利用几何声学原理，确定了两种超声探头的焦距和焦柱尺寸，以便更好地满足检测要求。经过研究，我们发现，温度、透镜曲率半径和油层厚度都会对探头的声场产生重要的影响。经过数值模拟，我们发现，当油层厚度达到180mm，而透镜曲率半径仅有25mm的情况下，即使是297mm的内径，也能够获得更加优异的检测效果。

关键词：石油管道检测；超声探头；声场分析

引言：随着海底管道的使用，由于原油的腐蚀性以及恶劣的海底环境，如地表不稳、波浪侵蚀、介质腐蚀等，管道的管壁可能出现严重的腐蚀和裂纹，而且随着损伤的加剧，管壁可能会完全断裂，从而引起溢油的危险。通过对海底管道的研究与设计，我们能够更加准确地检测出潜在的危险，并且能够更好地评估损坏的程度，从而避免采取有效措施规定的泄漏事件的发生，确保海洋石油天然气管线的安全运营。超声波探头在这一过程中扮演着至关重要的角色。通过精心挑选，我们可以确定哪种超声探头能够提供最佳的信号。这对于在线信息处理至关重要。为了确保准确性，我们需要考虑不同的探头的使用环境，例如油中或者管壁，并进行详尽的声场分析。鉴于实际的传感器需要超出正常的温度范围，本文将深入研究探头的声场特性，并就如何调整透镜表面的曲率半径及探头在油中的位置，以达到最优的检测效果。

1. 海底管道检测中超声探头种类的选择

当进行检测时，超声波扁探头、聚焦探头和发散探头都是常见的选择。尤其是当从管道内部进行检测时，为了获得更准确的结果，发散探头就显得尤其重要，它们拥有凸透镜的表面，能够更好地捕捉到物体的细微变化【1】。经过精心比较，根据不同的声场特征，确定最佳的探测器。

1.1平探头与发散探头在管道中声场的比较

根据图1 (a)，采用凸透镜技术，超声波会在油中分布，而不会聚焦到管壁上。然而，当管道的直径超出D值时，声束会穿过透镜，并且管道表面的每个点的声场都是一致的，这就意味着它们是一个平面探头，SS是其半径。而图1 (b)则展示了采用扁平探头的情形。通过对比，我们可以发现，采用发散式探头的覆盖范围要比扁平式探头广【2】。从一点一的结论来看，尽管两种方法的声压最高值相同，但采用凸透镜后，脉搏波声压曲线会减小，焦点也会增大，从而提高检测的准确性。

图12种探头在石油管道中的声场

1.2探头倾斜时对检测结果的影响

通过使用USN60超声波探伤仪，我们发现，当温度为十五摄氏度，油层厚度为二十五毫米时，探头的轴线会发生变化，导致它们与管壁的接触面不再垂直。经过实验证明，在具有平坦底部的反射器中，当探头的倾斜度低于二度时，发散探头的作用要远远低于平坦的探头。

2.发散探头在油中及管道中的声场和声场的影响因素

2.1探头在管壁中声场影响因素的理论分析

在a / r0. 1的要求下，我们应该根据油层的厚度来确定探头尖端与被检测管道表面之间的距离，以便确定最佳的发散探头，其直径应该是14mm，而透镜面曲率半径则应该是90mm、100mm、120mm、150mm和200mm。通过对图1 (a)的分析，我们可以清楚地知道，要想准确地检测管道壁面的缺陷，就需要把S点纳入焦柱的范围，这样就能够获取管道的最大厚度，也就是所谓的油层。此外，还能够通过观察发散探头对管道的聚焦程度来获取最低厚度【3】。根据最大厚度，我们对焦点位置和焦柱尺寸进行了精确的计算，并将其详细记录在表一中。

透镜曲率半径(ｍｍ)	油中的焦距(ｍｍ)	最小油层厚度(ｍｍ)	最大油层厚度(ｍｍ)	ＳＰ′(ｍｍ)	焦柱直径(ｍｍ)	焦柱长度(ｍｍ)
90	173.08	18	201	85.30	15.12	170.48
100	192.311	0	210	79.51	14.56	158.13
120	230.77	0	227	71.71	13.85	143.04
150	288.46	0	254	64.53	13.15	128.91
180	346.15	0	282	60.10	12.69	120.07
200	384.62	0	301	57.99	12.46	115.83

表1各探头在管壁中声场的特性

根据表一的数据，当透镜面曲率半径变大时，探头在管壁上的焦点与S点的距离和焦柱尺寸也会相应减少，同时，可调范围内的油层厚度也会有所提升。然而，若油层厚度超出允许的范围，焦柱的直径又太小，将导致探头偏心位置的误差增加。为了获得更准确的测量结果，建议使用hmin较低、焦径柱适中的发散探头。另外，如果透镜表面的曲率半径超过100mm，则油层的厚度可能会降至几毫米【4】。同时，如果声束轴与管道表面垂直，则会导致探头接收到较强的反射信号。

根据图2，S点是管道外壁与探头轴线的交点，因此，我们可以在S点和S'点之间进行管壁腐蚀检测。为了更准确地检测出缺陷，我们需要确保探头到管道内表面的距离d1等于管壁厚度d2，这样才能避免将两者混淆。

ｄ1≥ｄ2/2.25

图2管壁表面回波的影响

通过对d1=h和d2=14mm的公式进行分析，我们得出d2≥6.22mm。为了确定每个透镜表面曲率半径，我们将h=8mm和h=25mm的数值应用于管道的焦点位置和焦柱尺寸，具体情况参见表2。

R透(ｍｍ)	Ｆ油(ｍｍ)	ＳＰ′(ｍｍ)	φ油(ｍｍ)	Ｌ油(ｍｍ)
100	192.31	845.48	310.98	72122.85
120	230.77	206.69	76.53	4368.31
150	288.46	117.06	43.64	1420.06
180	346.15	90.58	33.92	857.92
200	384.62	81.32	30.52	694.59
Ｒ透(ｍｍ)	Ｆ油(ｍｍ)	ＳＰ′(ｍｍ)	φ油(ｍｍ)	Ｌ油(ｍｍ)
100	192.31	338.07	114.62	9797.52
120	230.77	163.84	56.64	2392.09
150	288.46	106.67	37.61	1054.86
180	346.15	86.00	30.73	704.14
200	384.62	78.26	28.15	591.05

表2ｈ=8ｍｍ（上）与ｈ=25ｍｍ（下）时探头在管壁内的声场参数

根据表格数据，当h和曲率半径增大时，SP′和焦柱的值会显著降低，这有助于提高声场的聚集度，同时，探头能够获得更强的信号。此外，随着曲率半径的增大，SP′和焦柱的变化幅度也会相应降低【5】。采用180mm的曲率半径的透镜，将h值调节至25mm，不仅可以有效地抑制管壁表面的反射波，减小探头与轴心之间的距离，同时也能够获得更加清晰的反射信号，从而扩展检测的范围。

2.2不同油层厚度时的检测结果分析

使用USN60超声探伤仪和14mm的发散探头，我们可以精确地检测到八点一毫米和24.8mm厚的加工试块。表三提供了这些实验的详细结果。

测试条件	油层厚度(ｍｍ)	油层回波与试块的底面一次反射回波的声程差值(ｍｍ)	试块的底面一次反射回波与试块的底面二次反射回波的声程差值(ｍｍ)
油浸泡	8.1	10.5	9.7
和测试	24.8	9.7	9.5

表3实验数据分析

当油层厚度达到8.1mm时，前沿法的精确性可以达到0.7~-0.1;；而当油层厚度达到24.8mm时，精确性可以达到-0.3~-0.1。通过对比实验数据，可以发现，随着油层厚度的增加，所获得的波形变得更加清晰，而且检测出的偏差也会变得更加小。

结语

经过声场分析和探头倾斜的实验，我们发现凸透镜的液浸探头更能够准确地检测石油管道内壁的腐蚀状态，而且，在实际应用中，温度变化也会产生重要的影响。经过精确的理论计算，我们发现，当透镜的曲率半径达到180mm时，油层的厚度也会达到25mm，这样就能够更好地反映出探头的声场特性。因此，我们采用这两种参数，并且将其应用于实际的测量中，从而达到最佳的检测效果。

参考文献

[1]冯俊淇.石油管道检测中超声波技术的应用[J].科技展望,2014(16):113+144.

[2]曹冲振,王凤芹,李玉善,张吉亮,赵春雨.海底石油管道超声检测双向伞式变径技术[J].机械设计与制造,2009(10):88-90.

[3]蔡敏.海底输油管道超声检测信号的分析与缺陷评估的研究[D].上海交通大学,2008.

[4]陆唯一,张琦,阙沛文.石油管道检测中超声探头的选择及声场分析[J].传感器与微系统,2007(08):20-22+25.DOI:10.13873/j.1000-97872007.08.012.

[5]周明,陶纪明.在役石油管道超声检测[J].测试技术学报,1998(03):37-41.