超聲導(dǎo)波技術(shù)-1緒論_第1頁
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文檔簡介

1、1緒論1.1 本課題的研究背景和意義管道在現(xiàn)代的日常生活中的運(yùn)用相當(dāng)廣泛。自從1965年美國賓夕法尼亞州鋪設(shè)第一條油氣管道至今,全球運(yùn)輸管道干線長度超過230多萬公里,幾乎承擔(dān)了全部天然氣運(yùn)輸和85%以上石油運(yùn)輸1。管道作為當(dāng)今的運(yùn)輸生命線之一,在運(yùn)輸石油、化工液體原料、生活用水等方面具有明顯的優(yōu)勢。據(jù)數(shù)據(jù)顯示我國在二十世紀(jì)初已建成的輸油、輸氣管道超過30多萬公里,且每年以10002000公里速度鋪設(shè)新管道2。到目前為止,城市供水系統(tǒng)、石油化工業(yè)運(yùn)輸系統(tǒng)早已形成了巨大的管道網(wǎng)絡(luò),已和人類的生活緊密相關(guān)。然而管道在長期使用中會發(fā)生各種缺陷,缺陷不斷擴(kuò)大,進(jìn)而發(fā)生泄漏事故,不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失

2、,而且會給環(huán)境帶來中重大影響,影響生態(tài)平衡。據(jù)統(tǒng)計(jì)世界各大中城市自來水的泄漏損失率在l20%左右3。近年來管道泄漏事故頻有發(fā)生,引起了全世界各國人民的特別關(guān)注。例如,1993年委內(nèi)瑞拉一條氣體管道發(fā)生泄漏,氣體爆炸,致使51人死亡;1994年美國新澤西州的一條管道泄漏,造成火災(zāi),致使1人死亡50多人受傷。近年來還有其他一些國家如俄羅斯、加拿大和英國等國家的管道發(fā)生各種事故的報(bào)道4。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截止1990年,我國僅輸油管道在20年時(shí)間里,共發(fā)生大小事故628次。天然氣管道也曾多次發(fā)生事故,后果特別嚴(yán)重,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失4。更為嚴(yán)重的是原油管道泄漏會造成惡劣的環(huán)境污染,海洋、陸地

3、都會慘遭毒手,惡性加劇了人類生存家園的環(huán)境污染。 目前,我國大部分管道老齡化嚴(yán)重,使用過久或維護(hù)不力,導(dǎo)致近年來管道進(jìn)入事故多發(fā)階段。為確保在役管道的安全運(yùn)行,最好的辦法就是在管道的缺陷發(fā)展到泄漏前,找出管道已發(fā)生腐蝕或產(chǎn)生裂紋的位置,采取加固修復(fù)或更換部件等措施,大大降低泄漏事故發(fā)生的幾率。由于受到檢測手段的制約,對在役管道損傷情況并不明確,維護(hù)也沒有科學(xué)依據(jù),往往會造成盲目開挖或盲目更新,很大程度上造成人力、物力的浪費(fèi)5,6。維護(hù)管道安全運(yùn)行,防止管道運(yùn)輸事故的發(fā)生,是無損檢測領(lǐng)域近來比較關(guān)注的話題。管道缺陷檢測是維護(hù)管道安全的主要途徑和重要內(nèi)容。當(dāng)前,用于管道缺陷檢測的常規(guī)方法有:超聲波

4、檢測、磁粉檢測、渦流檢測、滲透檢測和射線法檢測等,最新發(fā)展的方法有激光全息無損檢測、微波無損檢測、紅外無損檢測、聲振檢測、聲發(fā)射檢測等7。傳統(tǒng)的檢測方法十分費(fèi)事費(fèi)時(shí),如果用于當(dāng)今石油化工業(yè)巨大的管道網(wǎng)絡(luò)檢測,很明顯是不科學(xué)的。雖然漏磁內(nèi)檢測是對長距離輸送管道缺陷檢測是近年來人們常用的正規(guī)方法,但很多其他區(qū)域的等管道根本無法用該法進(jìn)行全面的檢測。輸油和輸氣管道通常有多種腐蝕存在,許多腐蝕與缺陷表現(xiàn)為局部的,區(qū)域性的,隱蔽的,并呈點(diǎn)(塊)狀區(qū)域性分布,特別是在彎頭轉(zhuǎn)角部位、管托處和穿越溝渠、道路(墻垛)的套管地段,腐蝕穿孔的幾率較大,僅僅依靠5年一個(gè)周期的內(nèi)檢測是不夠的。從管道運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來說,

5、迫切需要采取一種檢測手段,可以在每二年就有重點(diǎn)和針對性地對上述管段進(jìn)行跟蹤檢測,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。輸油和輸氣站場的工藝管線,由于周邊工業(yè)區(qū)大地雜散電流大,影響陰極保護(hù),在管道絕緣法蘭的前后部位腐蝕嚴(yán)重,干線一經(jīng)腐蝕穿孔可以旁接管道,但是站區(qū)工藝管線如若發(fā)生事故,將直接危及全線的輸油、輸氣安全。長期以來根本沒有有效的檢測手段,摸清場站特別是在役運(yùn)行多年的管網(wǎng)站區(qū)工藝管線的腐蝕狀況十分迫切。據(jù)管道公司沈陽調(diào)度中心管道安全處提供的資料,僅東北管網(wǎng)共有11條管線,共計(jì)長度2400公里9。沿線穿越河流360條,穿越長度約36公里;穿越公路375條,約8公里;穿越鐵路80條,約2公里;穿越城鎮(zhèn)60余

6、處,約100余公里,這部分管道約占總長的6%;現(xiàn)有站場30個(gè)。這些管線運(yùn)行時(shí)間長,迫切需要對其狀況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。由此就急需一種全新的無損檢測技術(shù),它不僅能克服常規(guī)傳統(tǒng)檢測技術(shù)的各種缺點(diǎn),同時(shí)又能對管道缺陷進(jìn)行快速、有效的無損檢測,超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,特別適合上述各種問題,是個(gè)可行的方法。由于超聲導(dǎo)波技術(shù)在管道檢測中優(yōu)勢明顯:導(dǎo)波衰減小、傳播距離遠(yuǎn)、檢測速度快和檢測效率高等,所以超聲導(dǎo)波檢測技術(shù),特別受到管道缺陷無損檢測和管道完整性評價(jià)等方面的研究人員的關(guān)注。 近年來隨著超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的不斷發(fā)展,技術(shù)各方面已經(jīng)日趨成熟,國內(nèi)外關(guān)注度持續(xù)不下。在無損檢測領(lǐng)域,同其他管道缺陷檢測方法相比,超

7、聲導(dǎo)波檢測方法具有以下優(yōu)勢:(1)超聲導(dǎo)波在管道內(nèi)傳播衰減明顯小于其它檢測方法,它在檢測點(diǎn)雙向檢測,向前后兩個(gè)方向發(fā)射導(dǎo)波信號,由此可以對管道進(jìn)行長距離檢測,不用像其它傳統(tǒng)檢測方法那樣在管線依次檢測,更節(jié)約時(shí)間和成本。(2)帶防腐層或?yàn)r青層的管道不會明顯影響導(dǎo)波在管線內(nèi)傳播,只需在檢測點(diǎn)周圍清除防腐層或?yàn)r青層用于安裝檢測傳感器,其他部位的外包層均不用清除,這樣節(jié)省了很多工時(shí),大大降低了檢測的成本。(3)不僅可以對空管線進(jìn)行檢測,還可對正在輸送介質(zhì)的管道進(jìn)行即時(shí)的無損檢測。無需等待,無需關(guān)閘,隨時(shí)隨地均可檢測。(4)很多人類無法到達(dá)的區(qū)域管道均可檢測,如海下輸油管道、埋地管道、道路交叉口的地下管

8、道等等。 (5)可對整個(gè)管壁作100%檢測。研究超聲導(dǎo)波的原理、方法、評價(jià)準(zhǔn)則及應(yīng)用的問題,對于石油化工和日常生活具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和重大的學(xué)術(shù)意義,同時(shí)也具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義,是未來無損檢測技術(shù)發(fā)展的新方向之一。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外的研究現(xiàn)狀早在二十世紀(jì)初,國外已對超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)進(jìn)行了初步的探究。研究者首先對不同波導(dǎo)中的導(dǎo)波傳播特性進(jìn)行理論上的研究,從無邊界介質(zhì)中的導(dǎo)波傳播理論到板狀波導(dǎo)中的導(dǎo)波傳播理論,再到與實(shí)際應(yīng)用接近的柱面導(dǎo)波的傳播特性研究,最后到較復(fù)雜的管狀波導(dǎo)中的導(dǎo)波傳播特性10。最早的導(dǎo)波研究工作偏向于進(jìn)行理論求解;二十世紀(jì)60年代,人們才開始逐漸進(jìn)行實(shí)

9、驗(yàn)研究;近年來,導(dǎo)波發(fā)展應(yīng)用到無損檢測領(lǐng)域中,特別是對管道缺陷的無損檢測。由于導(dǎo)波檢測技術(shù)在管道缺陷無損檢測的明顯優(yōu)勢,越來越多的公司和部門引進(jìn)導(dǎo)波檢測技術(shù)對各式各樣的管道進(jìn)行缺陷檢測和安全評估。下表為國外超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展歷程: 表1-1 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)發(fā)展歷程11-16年份研究人物貢獻(xiàn)1917年J.Rayleigh和H.Lamb推導(dǎo)出在平面應(yīng)變假設(shè)下單層、各向同性自由 Rayleigh-Lamb超越方程,該方程可用于確定在板內(nèi)傳播的波的波數(shù)和頻率之間的關(guān)系1920年A.Love和J.Rayleigh利用板殼理論,分析了波在空心圓柱殼中的整個(gè)傳播過程1923年J.Ghosh推導(dǎo)出波在空心

10、圓柱殼中傳播的線彈性解,得到了兩個(gè)同軸圓柱體相套結(jié)構(gòu)的頻散方程1925年N.A.Armenakas指出波在管線結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)存在的許多模態(tài),并且在相速度頻散曲線中給出了可能出現(xiàn)的模態(tài)1928年M.V.Broolc對管道進(jìn)行檢測,證明利用軸向?qū)Р▽艿肋M(jìn)行檢測的可行性1931年Sokolov (蘇聯(lián))將導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用于工業(yè),大大促進(jìn)了超聲檢測技術(shù)發(fā)展1944年F. A. Firestone使用超聲脈沖法,并發(fā)表檢測儀器得出的檢測報(bào)告1964年Krautkramer公司研制成功小型超聲檢測儀,其主要性能指標(biāo)取得了突破性的進(jìn)展,標(biāo)志著進(jìn)入近代超聲檢測技術(shù)階段如今,超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在國外早已相當(dāng)成熟,早已

11、發(fā)展成為無損檢測家族中的一門先進(jìn)的新興檢測方法,廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,包括輸油管道、工業(yè)管道、蒸汽管道、生活用水管道等等。1.2.2國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 我國在新興科技方面起步都較晚,導(dǎo)波檢測技術(shù)的研究也是近二十年才興起的,而且最初做的多是理論和實(shí)驗(yàn)研究,沒有落實(shí)到實(shí)踐,到如今研究范圍和研究的內(nèi)容都很廣泛而深?yuàn)W。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的研究論文及文獻(xiàn)愈來愈多。 劉鎮(zhèn)清綜述了近年來國內(nèi)外在超聲導(dǎo)波技術(shù)、聲發(fā)射新技術(shù)、新型超聲非接觸換能方法、超聲信號處理與模式識別等方面的若干研究成果17。何存富、吳斌等綜述了無損檢測中的超聲柱面導(dǎo)波技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展18,著重評述了超聲導(dǎo)波的模態(tài)和頻率選擇、導(dǎo)波的激勵(lì)和接收方法、導(dǎo)波與缺陷的相互作用、信號處理與特征提取及導(dǎo)波技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用前景。武新軍,康宜華,王悅明等人也在超聲導(dǎo)波方面有較深入的

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