管道结构作为工业运输的重要组成部分，广泛应用于石油、化工以及核能等领域。在运行周期中，受运输介质、外界环境等因素影响，管道容易发生腐蚀、变形甚至破裂等现象，导致管道泄漏、环境污染甚至人员伤亡等严重事故。因此，及时、准确地检测管道损伤具有重要意义，不仅可以预防事故，还能延长管道的使用寿命，获得更显著的经济和社会效益。

 

无损检测技术在不损坏检测部件及其使用功能的同时能够有效检测损伤，已广泛应用于工业管道的检测中。

 

无损检测技术主要包括超声检测、涡流检测、射线检测、漏磁检测和磁粉检测等。涡流检测速度快且自动化程度高，但仅限于导电材料的表面检测，无法精确检测厚壁钢管；磁粉检测灵敏度高、操作简便，但仅适用于磁性材料的表面缺陷检测；射线检测精度高，可检测整体缺陷，但辐射对人体有害且成本较高；超声检测更适合局部缺陷的精确检测，而无法进行长距离部件检测。现有方法的局限性凸显了对高效、精准损伤检测技术的需求。

 

超声导波能够沿着管道壁长距离传播，其声场可以覆盖整个部件的壁厚，具有低衰减和高穿透等特性，能够有效检测部件表面和内部缺陷，显著提高检测效率。考虑到油气管道损伤检测的重要意义和目前损伤检测技术的多样性，以及基于超声导波的管道损伤检测研究的综合评述有限，下面针对超声导波在管道损伤检测中的研究应用进行综述。

 

超声导波及其检测技术原理

 

超声引导波（UGW）是一种能够在特定几何结构（如管道、板材或轨道）中传播的特殊超声波，被广泛应用于检测部件内部缺陷。

 

在弹性介质中，超声波（包括超声引导波）在遇到不同介质或部件结构变化时会发生反射、折射和模式转换。而在复杂的检测结构中，如多层材料或曲面管道，超声波在经历多次反射或折射后，信号的处理和表征更加复杂，且会产生超声引导波，其通常被称为兰姆（Lamb）波。

 

超声导波的频散与多模态

 

频散和多模态是管道中波传播的两个关键特征，主要受到波导中导波频率等相关传播特性的影响。

 

在频域中，频散会导致不同频率分量的相位偏离，使得具有相同初始相位的频率分量在波导中传播时发生展宽，进而降低频率分辨率；在时域中，频散会引起信号展宽和波形的变化，从而降低空间分辨率，且频率分量的相速度变化会导致波形失真，频域和时域中的频散信号与非频散信号的传播示意如图1所示。

 

图1 频域和时域中的频散信号与非频散信号的传播示意

 

通过利用多模波导的传播和这些缺陷的反射，可以有效检测非轴对称缺陷。

 

通常情况下，采用解析或半解析有限元方法求解复杂结构的频散曲线，例如余旭东等通过半解析有限元方法的计算框架，实现了对周向导波频散关系的精确求解，频散曲线如图2所示，该方法对波导结构的横截面进行有限元离散，在波传播方向采用解析描述，从而将三维问题转化为二维求解，能够准确计算具有任意材料属性、层数和环向截面形状的复合圆管中的导波频散关系，适用于复杂结构的无损检测和材料表征。

 

图2 周向导波的相速度频散曲线：CLT为周向兰姆类（厚度）模态波，CHS为周向水平剪切模态波，其中导波数字代表模态波的阶数

 

导波的频散效应和多模态行为会显著增加回波信号的处理难度，但是不同模态和高阶模态簇的导波对不同的管道缺陷具有不同的敏感度。因此，多模态激励也为检测各种类型的管道缺陷提供了更多的应对策略。

 

超声导波的激励与接收

 

近年来，导波激励的研究主要集中在目标模态的激发等方面，目的是减少多模态带来的信号处理复杂性并提高缺陷的检测精度。

 

特定导波模态如L(0,1)和L(0,2)纵向模态对周向裂缝较为敏感，而T(0,1)模态则对轴向裂缝检测效果更佳。

 

空心圆柱体纵向模态和扭转模态的激励示意如图3所示。每个导波模态都有固有的截止频率，这是其能够存在的最低频率。通过选择低于高阶模态截止频率的激励频率，可以有效地实现低阶模态的独占激励，从而避免高阶模态的干扰和信号复杂性。

 

图3 空心圆柱体纵向模态和扭转模态激励示意

 

管道检测中常用的导波激发和接收方法包括：脉冲回波法、一发一收法、压电换能阵列以及激光激发与干涉接收法。

 

在脉冲回波法中，同一个换能器或换能器阵列既用于激发导波，也用于接收反射回的导波信号，因依赖波的反射来确定缺陷信息，故脉冲回波法适用于识别距离激发点较近的缺陷。

 

而在一发一收模式中，一个换能器或换能器组用于激发导波，另一个换能器或换能器组用于接收，一发一收模式可以提供缺陷的更多信息，并且能够检测长距离管道中的缺陷。脉冲回波法和一发一收模式的原理示意如图4所示。

 

图4 脉冲回波法和一发一收模式原理示意

 

导波激励与接收方法的选择取决于多种因素，例如检测距离、缺陷类型、环境条件以及设备和成本。为了实现导波单模态激发，研究人员利用换能器阵列选择性激发。

 

超声导波的衰减

 

超声波的检测范围受到各种衰减因素的限制，包括能量的扩散和吸收。在弹性介质中，波前频散是较为普遍的现象；但在黏弹性介质中，其不仅表现出波前频散，还伴随着能量吸收行为。

 

导波的衰减主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减，如图5所示。在无损检测中，可根据衰减与材料缺陷程度的线性效应，使用信噪比衡量信号的衰减。

 

图5 导波衰减示意

 

此外，研究还表明管道埋地环境以及埋地材料对导波衰减的影响非常显著，黏土环境中导波能量的衰减远高于沙土环境中。

 

超声导波检测原理和技术特点

 

超声导波检测技术主要通过激发低频超声导波在检测部件内散射，从而捕捉部件内的缺陷以检测部件损伤。管道超声导波无损检测技术的原理示意如图6所示。

 

图6 管道超声导波检测技术原理示意

 

超声导波检测技术在各种材料的损伤检测中应用广泛，其检测信号中几乎包含了结构中的所有信息。与其他检测技术相比，其主要有以下优势：

 

全面检测。可在整个构件中的任意位置进行单点激励，诱导颗粒振动，实现对被测构件的全面覆盖检测。

 

长距离检测。针对材料属性，选择合适的导波模态，能够减小导波衰减。更小的衰减意味着导波能够在材料中传播的距离更远，从而能够在不移动设备的情况下实现长距离检测。

 

缺陷适应性强。超声导波具有多模态特性，适用于检测各种不同类型的缺陷。通过控制导波的模态和频率可以对不同类型的缺陷进行检测，提高检测精度的同时还能获取多维度的检测信息。

 

检测效率高。超声导波检测技术成本相对较低，在特定位置安装换能器即可进行检测，方便且易操作。

 

超声导波换能器的研究进展

 

管道超声导波检测系统主要包括换能器及其阵列、硬件系统和软件系统，其结构框架示意如图7所示。

 

图7 超声导波检测系统结构框架示意

 

在超声导波检测过程中，导波的频散和多模态特性使得导波模态转换、波形变宽以及信噪比降低等问题普遍存在，因此，精确选择激发和接收导波的换能器具有重要作用。

 

根据其传导机理，换能器主要分为压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光换能器。

 

压电换能器

 

激励导波的两种传统压电换能器包括斜入式换能器和梳状换能器，其发射原理如图8所示。

 

图8 斜入式换能器和梳状换能器导波发射原理示意

 

斜入式换能器通过有机玻璃楔块来激励导波，其中楔块使得L波以一定角度入射到板结构中。梳状换能器由一系列排列成梳齿状的压电元件组成，能够产生相位同步的导波。

 

目前常用的压电换能器包括锆钛酸铅（PZT）换能器和聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）换能器。

 

PZT换能器利用压电陶瓷材料的逆压电效应产生高频振动，从而激励超声导波。PZT的研究主要集中在开发特定导波模态激发的换能器和研究耦合层的影响等方面。

 

PZT换能器的温度敏感性和电极连接的可靠性问题是目前研究中面临的挑战。PZT材料对温度变化较为敏感，因此需要在一定温度范围内工作。此外，在高频、高压应用环境中，PZT材料与电极连接的质量和耐久性限制了换能器的可靠性和使用寿命。

 

PVDF换能器主要通过聚偏氟乙烯材料的压电效应进行能量转换来激励导波。PVDF材料具有很高的柔性，可以弯曲和变形，可应用在曲线或复杂形状的结构中，因此该材料可灵活定制电极以适应不同的结构形状。3种PVDF换能器的实物如图9所示。

 

图9 PVDF换能器实物

 

磁致伸缩换能器

 

磁致伸缩换能器通过磁致伸缩效应生成导波信号，通常由磁致伸缩材料芯、励磁线圈和感应线圈组成。

 

当交变电流通过励磁线圈时，产生的磁场使磁致伸缩材料内部磁畴重新排列，材料发生周期性形变，从而产生超声导波。

 

磁致伸缩换能器具有高灵敏度、宽频带、非接触式操作以及高效率等优势，在管道无损检测中应用广泛。

 

电磁声换能器

 

电磁声换能器（EMAT）的工作原理主要是通过洛伦兹力和磁致伸缩效应激发和接收超声导波，如图10所示。

 

图10 基于洛伦兹力和磁致伸缩效应的电磁声换能器结构示意

 

基于洛伦兹力的EMAT利用动态电流在固体中感应涡流，并与偏置磁场相互作用，从而激发弹性波，因此仅适用于导电材料。

 

而基于磁致伸缩效应的EMAT通过压磁效应激发导波，适用于铁磁性材料或贴有高磁致伸缩贴片的试件。通过设计换能器内的线圈和磁体参数，能够优化换能器并产生多种模式的导波以及复杂波型。

 

基于洛伦兹力的换能器导波激发原理决定了该装置能够完成非接触式操作，利于其为在高温或均匀移动的工况环境下工作，更值得注意的是，高温环境会影响永磁铁和线圈的性能，因此需要在装置中设计冷却系统。

 

而基于磁致伸缩效应用于管道结构中激励扭转导波的电磁声换能器，预磁化的应用意味着会存在退磁等不稳定因素，而激发纵波、弯曲波等不利导波。

 

超声导波信号处理技术

 

导波检测信号分析技术主要包括缺陷波包的提取、多模态分离以及复杂信号的处理。其中，信号的复杂性主要由导波多模态特性以及缺陷的复杂性导致的，而噪声成分是由环境因素的干扰引起的。

 

针对上述问题，目前研究的热点主要集中在小缺陷信号的增强与识别，频散效应和近场缺陷导致重叠波包的分离上。

 

小缺陷信号的增强与识别

 

在超声导波检测过程中，小缺陷难以被准确检测，其主要原因包括小缺陷回波信号微弱以及噪声信号的覆盖。近年来，研究人员对小缺陷的超声导波检测问题提出了许多针对性的方法。

 

波包识别技术被提出用于处理小缺陷回波信号，通过设计与小缺陷信号相匹配的滤波器，能够增强目标波包的检测效果，使小缺陷信号在噪声背景中更加突出。

 

ROSTAMI等提出了一种稀疏表示与基于色散的匹配追踪（SDMP）算法，用于减少在管道检测中使用导波时的频散效应。数值模拟和试验结果均验证了其在复杂环境下导波信号分离和缺陷检测中的有效性。

 

PEDRAM等引入了分频处理（SSP）技术，通过将超声导波检测信号分解为多个子频带并进行非线性滤波处理，显著提高了信号质量和信噪比；优化的SSP参数使其在检测带涂层或埋地管道时，能够有效减小频散波模式对信号质量的影响，增强对小缺陷的检测能力，可将信噪比提高约40 dB。

 

YANG等提出了基于一种可调Q因子群稀疏小波变换（GS-TQWT）的超声导波焊缝缺陷检测特征提取方法，试验结果表明，该方法相对于传统方法在噪声环境中能更准确地提取缺陷回波且计算成本更低，适合实时检测。

 

吴锦豪等采用基于时间反转的导波检测方法，通过L(0,2)模态导波检测燃气管道的裂纹，该方法能够使导波聚焦在缺陷位置，增强信号能量，放大小缺陷的回波信号。

 

多模态分离

 

超声导波在传播过程中会产生多种模态，这些模态在传播特性和速度上有所不同，因此提出模态分离和提取方法，分析并分离多模态信号，进而通过导波模态特性与缺陷特性之间的关联识别缺陷。

 

HAYASHI等提出了一种基于正态模态展开的导波模态分离和提取方法来处理管道缺陷信号，该方法在分离轴对称波和非轴对称波方面表现良好。

 

陈乐等研究了弯曲导波模态的分离和频散补偿的方法，该方法将导波信号时频变换后的数据与理论时频曲线对比，获得导波的频散补偿，最后与波包信号进行叠加，更利于缺陷的识别和定位。

 

黄吉等利用轴对称导波在非对称结构传播时转变为弯曲模态导波的特性以及不同模态导波的振动幅值和相位特性，对混合模态的特征进行匹配并分类，进而实现模态分离，该方法在试验中被证实能够很好地分离和提取导波信号。

 

王小丫等基于频散传递函数建立了导波模态数学模型，进而提出基于导波基函数投影变换的模态分离方法，实现了混合模态信号的分离与单模态信号的提取。

 

KONG等提出了一种贝叶斯滤波方法用于自适应提取和分离超声导波的多模态信号。

 

LI等通过二维傅里叶变换将多阶模态的时空信号转换为频域信号，而后基于动态规划方法从多模态的频域信号中提取频谱峰，并重构单模态导波的时域信号；通过与理论结果进行比较，证明了该方法能够在多模态信号中分离出高纯度单模信号。

 

挑战与展望

 

虽然针对超声导波检测技术的研究已经较为深入，但该技术领域仍然存在以下挑战：

 

1、随着材料科学的深入研究，复合材料和增材制造的部件将大量应用到管道运输行业，因此，针对复合材料的特性与增材制造部件的复杂性，需要研究相适应的超声导波检测技术，确保检测方法的适用性和可靠性。

 

2、超声导波检测技术与其他检测技术的结合应用是目前针对复杂工况下管道检测的热门策略，能够实现多模态、高精度的结构损伤检测。

 

3、针对埋地管道的损伤检测仍然处于初步研究阶段，面对复杂工况（如高温、高压、复杂地质条件）的检测需要进一步的研究，并需要开发适用于特定工况的检测方法。

 

作者：左万君，戴西斌（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院）

 

江华（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院抚州分院）

 

第一作者简介：左万君，硕士，高级工程师，主要从事特种设备检验检测研究工作。

 

来源：《无损检测》2024年11期