管道補(bǔ)口防腐層粘接處超聲檢測信號相位分析

劉清松，王維斌，王立君，朱子?xùn)|，禹化民，龐 笑

（1.沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110034；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072）

為了確保油氣管道焊縫不受外界物質(zhì)的腐蝕，熱收縮帶被廣泛應(yīng)用于油氣管道焊接和修復(fù)中。目前，國內(nèi)管道焊接部位采用的熱收縮帶主要由聚乙烯防腐結(jié)構(gòu)和熱熔膠構(gòu)成［1］?，F(xiàn)場安裝時(shí)，將熱收縮帶包裹在環(huán)焊縫外側(cè)并進(jìn)行加熱，即可將其緊緊地包覆在焊縫處，形成一段管道補(bǔ)口防腐層（如圖1所示），補(bǔ)口防腐層的粘接品質(zhì)對管道焊縫的腐蝕防護(hù)具有重要影響。

圖1 管道環(huán)焊縫補(bǔ)口防腐層宏觀形貌

GB／T 23257－2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以防腐層的剝離強(qiáng)度作為管道補(bǔ)口品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，檢測溫度為10～35℃，剝離強(qiáng)度不小于50 N／cm，剝離面的底漆應(yīng)完整附著在鋼管表面［2］。檢測方法為先將防腐層沿環(huán)向劃開寬20mm，長10cm 左右的長條，劃開時(shí)應(yīng)劃透補(bǔ)口防腐層，并撬起一端，用測力計(jì)以10mm／min的速率垂直鋼管表面勻速拉起防腐層，記錄測力計(jì)的穩(wěn)定數(shù)值，即為防腐層的剝離強(qiáng)度。但該檢測方法是一種破壞防腐層的檢測方法，無法確保補(bǔ)口防腐層的完整性。

目前，超聲檢測技術(shù)已經(jīng)在多層粘接結(jié)構(gòu)的檢測中得到了廣泛的運(yùn)用。周海鵬等［3］對管道補(bǔ)口粘接品質(zhì)的超聲檢測信號進(jìn)行了分析，提出了利用混合信號總強(qiáng)度和頻譜強(qiáng)度對粘接質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)的方法；王海濤［4］對復(fù)合材料薄板粘接結(jié)構(gòu)脫粘程度的量化識別進(jìn)行了研究，利用時(shí)－頻域信號分析方法對超聲回波信號進(jìn)行了分析，準(zhǔn)確地對復(fù)合薄板粘接品質(zhì)進(jìn)行了定量檢測；艾春安等［5］采用聲－超聲方法對復(fù)合材料殼體／絕熱層試件進(jìn)行了檢測，利用小波變換實(shí)現(xiàn)了對信號的多分辨率分析，有效的檢測和定性分析了孔洞缺陷大?。焕顒Φ龋?］針對鋼／橡膠膠接結(jié)構(gòu)，研究了Lamb波質(zhì)點(diǎn)振動位移與脫粘缺陷檢測靈敏度之間的關(guān)系。

筆者根據(jù)檢測試驗(yàn)結(jié)果，介紹了一種基于超聲脈沖回波信號相位變化的分析方法，從而實(shí)現(xiàn)了對管道補(bǔ)口的無損檢測。

1 超聲波衰減理論推導(dǎo)

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會發(fā)生衰減，聲壓P隨傳播距離的增加而減小。聲壓衰減公式［7］為：

式中：P0為起始聲壓；P為距聲源距離為L處的聲壓；α為介質(zhì)衰減系數(shù)，主要取決于材料特性和超聲波頻率。

超聲波在傳播過程中遇到不同介質(zhì)界面時(shí)，一部分聲壓透過界面，一部分被反射回來。聲壓反射系數(shù)γ和透射系數(shù)τ的計(jì)算公式［7］為：

式中：P0、Pr和Pt分別為入射波、反射波和透射波的聲壓；Z＝ρV為介質(zhì)的聲阻抗；ρ為介質(zhì)密度；V為超聲波在介質(zhì)中的縱波傳播速度；聲阻抗（Z）下標(biāo)1表示入射介質(zhì)，下標(biāo)2表示透射介質(zhì)。

結(jié)合公式（1），（2），（3）可知，各界面反射回波的聲程一定，探頭接收到各界面反射信號的聲壓也是一定的。當(dāng)Z1＞Z2時(shí)，界面反射系數(shù)γ＜0，此時(shí)反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0相位相反；當(dāng)Z1＜Z2時(shí)，γ＞0，此時(shí)反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0相位相同；透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0相位始終相同。

1.1 管道補(bǔ)口防腐層及超聲波傳播模型

管道補(bǔ)口防腐層結(jié)構(gòu)包含熱收縮帶層和管道層，如圖2所示。脈沖回波法采用自發(fā)自收縱波直探頭，將脈沖信號垂直入射到工件表面，對接收的回波信號進(jìn)行相位分析即可得到補(bǔ)口防腐層粘接品質(zhì)的相關(guān)信息。

圖2 管道補(bǔ)口防腐層結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 粘接完好補(bǔ)口防腐層的信號

如圖2所示，探頭激發(fā)脈沖信號T1后，在耦合劑中傳播一定距離到達(dá)界面1，反射回波透過耦合劑，產(chǎn)生信號R1，同時(shí)產(chǎn)生透射波T2；T2在熱收縮帶中傳播一定距離后到達(dá)界面2，反射回波依次透過熱收縮帶和耦合劑，產(chǎn)生信號R2，同時(shí)產(chǎn)生透射波T3；T3在鋼管中傳播一定距離后到達(dá)界面3，反射回波依次透過管道、熱收縮帶和耦合劑，產(chǎn)生R3，同時(shí)產(chǎn)生透射波T4。

假設(shè)界面1、2和3的反射系數(shù)分別為γ1、γ2和γ3；耦合劑、熱收縮帶、鋼管和空氣的聲阻抗分別為Z1、Z2、Z3和Z4。結(jié)合公式（1），（2），（3），推導(dǎo)出各界面回波的聲壓公式：

式中：K1、K2和K3分別為耦合劑層、熱收縮帶層和管道層的衰減常數(shù)，K＝e－αL。

公式（4）表明，各界面回波信號聲壓P的正負(fù)只與γ和PT1相關(guān)，即各界面回波信號的聲壓相位只與各界面的反射系數(shù)γ以及激發(fā)的始脈沖信號T1的聲壓相位有關(guān)。

1.1.2 存在粘接問題補(bǔ)口的信號

若補(bǔ)口中出現(xiàn)脫粘或夾層等缺陷，即在熱收縮帶層和管壁之間出現(xiàn)脫粘層，如圖3所示。探頭激發(fā)脈沖信號T1后，穿過耦合劑到達(dá)界面1，反射回波透過耦合劑，產(chǎn)生信號R1，同時(shí)產(chǎn)生透射波T2；T2在熱收縮帶中傳播一定距離后到達(dá)界面2′，反射回波依次透過熱收縮帶和耦合劑，產(chǎn)生信號R2′，同時(shí)產(chǎn)生透射波T3′；T3′在缺陷層中傳播一定距離后到達(dá)界面3′，反射回波依次透過脫粘層、熱收縮帶和耦合劑，產(chǎn)生信號R3′，同時(shí)產(chǎn)生透射波T3′；T3′在鋼管中傳播一定距離后到達(dá)界面3，反射回波依次透過管道、缺陷層、熱收縮帶和耦合劑，產(chǎn)生R3，同時(shí)產(chǎn)生透射波T4。

圖3 內(nèi)含脫粘層的管道補(bǔ)口防腐層結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)界面2′和3′的反射系數(shù)分別為γ2′和γ3′；缺陷層的聲阻抗為Z3′，衰減系數(shù)為K3′。推導(dǎo)出各界面回波的聲壓公式：

公式（5）表明，由于粘接脫粘層的出現(xiàn)，熱收縮帶和鋼管間的界面由界面2變?yōu)榻缑?′和界面3′，對應(yīng)的反射系數(shù)為γ2′和γ3′，界面回波R2′的聲壓相位將會發(fā)生相應(yīng)變化。因此，通過分析R2和R2′信號的相位變化，即可對補(bǔ)口防腐層粘接品質(zhì)進(jìn)行判斷。

1.2 粘接判斷依據(jù)

1.2.1 粘接良好依據(jù)

粘接完好時(shí)，管道補(bǔ)口防腐層結(jié)構(gòu)中沒有缺陷，缺陷層聲阻抗Z3′＝0、衰減系數(shù)K3′＝0，公式（5）與公式（4）相同。超聲檢測的典型回波信號中包括R1、R2和R3。由于各界面層的聲阻抗關(guān)系為Z1＜Z2、Z2＜Z3、Z3＞Z4，根據(jù)聲壓公式（4）可知，回波信號R1與R2的起始相位相同、R2與R3的起始相位相反。

1.2.2 粘接區(qū)域脫粘判據(jù)

補(bǔ)口防腐層中出現(xiàn)脫粘時(shí)，脈沖信號的激發(fā)和接收如圖3所示，界面2′兩側(cè)聲阻抗差別很大，反射系數(shù)很高，脈沖信號幾乎不能穿透脫粘層，超聲檢測的典型回波信號中只包含R1和R2′。

1.2.3 粘接品質(zhì)欠佳判據(jù)

補(bǔ)口防腐層粘接脫粘欠佳時(shí)，脈沖信號的激發(fā)和接收如圖3所示，界面2′兩側(cè)聲阻抗差別較小，脈沖信號能夠穿透缺陷層，在界面2′和界面3′處會產(chǎn)生回波信號。超聲檢測的典型回波信號中包括R1、R2′、R3′和R3。由于各界面層的聲阻抗關(guān)系為Z1＜Z2、Z2＞Z3′、Z3′＜Z3、Z3＞Z4，根據(jù)聲壓公式（5）可知，回波信號R1與R2′的起始相位相反、R2′與R3′的起始相位相反、R3′與R3的聲壓起始相位相反。

2 管道補(bǔ)口防腐層超聲檢測

2.1 試樣尺寸及屬性

根據(jù)管道補(bǔ)口防腐層可能出現(xiàn)的缺陷類型，在一段φ529mm 的管道補(bǔ)口上模擬了粘接品質(zhì)的3種狀況（如圖4所示），分別記為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)域。其中，區(qū)域Ⅰ粘接良好，區(qū)域Ⅱ?yàn)槊撜硡^(qū)域，區(qū)域Ⅲ內(nèi)置機(jī)油。表1所示為管道補(bǔ)口各層結(jié)構(gòu)的材料屬性和厚度。

圖4 管道焊縫補(bǔ)口防腐層試樣

表1 管道補(bǔ)口防腐層各界面層的材料厚度和屬性

2.2 檢測結(jié)果和分析

2.2.1 檢測過程和檢測結(jié)果

試驗(yàn)選用中心頻率為5 MHz、φ9mm 的縱波直探頭、水為耦合劑對管道補(bǔ)口防腐層試樣進(jìn)行檢測，得到不同粘接區(qū)域的檢測結(jié)果；再根據(jù)信號出現(xiàn)的時(shí)間、補(bǔ)口各層結(jié)構(gòu)厚度以及聲速，判斷出各信號的來源，分別如圖5（a）～（c）所示。

圖5 管道補(bǔ)口防腐層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域檢測信號

2.2.2 檢測結(jié)果分析

分析檢測結(jié)果圖像中各回波信號出現(xiàn)的時(shí)間，結(jié)合表1中各結(jié)構(gòu)層的厚度和聲速，不難判斷檢測結(jié)果圖像中包含的回波信號的種類和來源。

（1）圖5（a）表明，粘接良好區(qū)域檢測結(jié)果中包含各界面的回波信號R1、R2和R3，其中，回波信號R2與R3的起始相位相反；結(jié)合表1中各界面層的聲阻抗關(guān)系：Z1＜Z2、Z2＜Z3、Z3＞Z4，根據(jù)聲壓公式（4），信號R1與R2的起始相位相同、R2與R3的起始相位相反。波形顯示與理論分析結(jié)果均與

1.2.1 中的判據(jù)相符。

（2）圖5（b）表明，脫粘區(qū)域的檢測結(jié)果中只有熱收縮帶層的回波信號R1和R2′，沒有管道層回波信號；并且由于脫粘后熱收縮帶底面的不平整，使得底面回波信號R2′幅度很低。波形顯示與理論分析結(jié)果均與1.2.2中的判據(jù)相符。

（3）圖5（c）表明，內(nèi)置機(jī)油區(qū)域檢測結(jié)果中也包含各界面的回波信號R1、R2′、R3′和R3，由于內(nèi)置機(jī)油層很薄，R3′信號緊跟著R2′信號出現(xiàn)，不容易區(qū)分開，但是不難看出，回波信號（R2′＋R3′）的起始相位與R3相同；結(jié)合表1中各界面層的聲阻抗關(guān)系：Z1＜Z2、Z2＞Z3′、Z3′＜Z3、Z3＞Z4，根據(jù)聲壓公式（5）可知，回波信號R1與R2′的起始相位相反、R2′與R3′的起始相位相反、R3′與R3的聲壓起始相位相反。波形顯示與理論分析結(jié)果均與1.2.3中的判據(jù)相符。

3 結(jié)論

（1）對比熱收縮帶層底面回波信號R2（或R2′＋R3′）與鋼管層的底面回波信號R3的起始相位，可以對管道補(bǔ)口粘接品質(zhì)做出判斷：①若R2（或R2′＋R3′）與R3的起始相位相反，則管道補(bǔ)口粘接良好。②若R2（或R2′＋R3′）與R3的起始相位相同，則管道補(bǔ)口粘接欠佳，熱收縮帶和管道之間夾雜著與熱收縮帶聲阻抗差別較小的介質(zhì)。

（2）超聲檢測回波信號中只包含熱收縮帶層回波信號R1、R2′，且R2′強(qiáng)度很低。說明脈沖信號沒有進(jìn)入管道層，則管道補(bǔ)口中熱收縮帶和管道之間夾雜著與熱收縮帶聲阻抗差別較大的介質(zhì)，甚至存在脫粘缺陷。

［1］王維斌，周海鵬，康葉偉，等.管道補(bǔ)口熱收縮帶粘接質(zhì)量的超聲檢測方法［J］.油氣儲運(yùn)，2014，33（6）：643－647.

［2］GB／T 23257—2009埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層［S］.

［3］周海鵬，韓贊東，王維斌，等.管道補(bǔ)口粘接質(zhì)量超聲檢測信號處理［J］.無損檢測，2014，36（5）：1－5.

［4］王海濤.復(fù)合薄板粘接缺陷超聲回波的時(shí)－頻域分析及特征提取的研究［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2012：52－59.

［5］艾春安，劉瑜，趙文才，等.固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量的聲－超聲檢測［J］.無損檢測，2009，31（12）：974－976.

［6］李劍，劉松平.鋼／橡膠膠接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷Lamb波檢測的模式選擇［J］.航空制造技術(shù)，2009，（5）：78－81.

［7］J.L.羅斯［美］.固體中的超聲波［M］.何存富，吳斌，王秀彥，譯.北京：科學(xué)出版社，2004.