Page 145 - 化工产品质量与安全管理

第五章 化工产品质量检测问题的相关分析

第二节 长输天然气管道无损检测质量控制

一、长输管道的超声导波无损检测技术分析

（一）磁致伸缩超声导波检测原理
磁致伸缩超声导波检测，是利用导波探头激励出相应频率的超声导波，导波

以一定的速度在被检测的物体中传播，遇到几何特征（缺陷、焊缝、法兰、端面
等）发生反射，反射的导波被导波探头感应到后，根据导波激励和感应的时间差，
计算几何特征距离导波探头的位置实现几何特征的定位。选取已知特征（通常是

焊缝）的导波信号为参考，可以估计其他几何特征（腐蚀、缺陷等）的大小。磁
致伸缩超声导波利用扭转磁致伸缩效应即威德曼效应产生超声导波激励源。魏德
曼效应是指磁致伸缩材料在径向及轴向相互垂直的两磁场作用下，在圆周方向会

产生机械作用力，使径向扭转变形。这种扭转以固体中超声波的速度向两端传播，
形成扭转波。当圆形铁杆置于环形磁场中，对杆件施加外力使其拉、压或扭曲，
放在杆圆周方向上的线圈会有感应电流产生，这种由于杆件扭曲或纵向力而产生

输出电动势的现象被称为逆威德曼效应。利用这种磁致伸缩效应就可以实现电 -
机械 - 电之间的能量转换。

（二）长输管线导波传输特性
超声导波具有多模态及频散的特性。在不同的应用中，需要根据实际的需求，
选择正确的导波模态，以及根据实际的频散特性选择正确的导波频率，才可达到
比较理想的检测效果。超声导波的多模态和频散效应，也使得超声导波的应用比

超声体波更加复杂。在空气中的空心钢管，导波会产生三种模态：纵向、扭转模
态和弯曲模态。纵向模态和扭转模态是轴对称模态，弯曲模态是非轴对称模态。

超声导波除了模态多样，还具有频散特性。扭转模态中的 T（0，1）模态群速度
和相速度都是恒定的，不受导波频率影响，而除 T（0，1）之外的扭转模态群速
度和相速度都随频率变化。如果要避开导波频散效应，选择 T（0，1）模态是比
较合适的。根据导波的频散曲线，在频率 400kHz 以下，扭转模态只存在 T（0，1），

没有其他的扭转模态，这样只要在 400kHz 以下激励出导波，会明显降低多种模
态间的相互影响。

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