非金屬防腐層分層缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)

李茂東， 林曉輝， 楊 波， 洪曉斌

(1. 廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510663; 2. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

工業(yè)用金屬材料表面通常覆蓋有非金屬防腐層，如各種金屬板材以及石化行業(yè)中用到的內(nèi)襯防腐管道等，隨著使用時(shí)間增加，防腐層容易產(chǎn)生各種缺陷，其中界面分層是常見的一種缺陷?？傮w而言，分層缺陷的產(chǎn)生主要來自生產(chǎn)過程和使用過程，生產(chǎn)過程中，非金屬防腐層與金屬基材之間的結(jié)合通常要經(jīng)過加熱加壓保溫的步驟，若在此過程中出現(xiàn)加壓復(fù)合時(shí)壓力過小、防腐層厚度不均勻等，則可能導(dǎo)致防腐層材料不能充分產(chǎn)生塑性變形而殘存較大應(yīng)力，進(jìn)而在冷卻時(shí)產(chǎn)生分層缺陷。而在使用過程中，可能存在反復(fù)的加載、卸載、升溫、降溫等復(fù)雜工況，會(huì)在應(yīng)力集中的區(qū)域形成很大的交變應(yīng)力，如不加以檢測(cè)防范，會(huì)使得非金屬防腐層產(chǎn)生分層缺陷，金屬基材將失去保護(hù)而遭到腐蝕甚至發(fā)生斷裂。

目前對(duì)防腐層界面損傷檢測(cè)可分為非超聲波防腐層界面損傷監(jiān)測(cè)方法和超聲波防腐層界面損傷監(jiān)測(cè)方法兩大類，其中非超聲波防腐層界面損傷監(jiān)測(cè)方法主要包括紅外熱波檢測(cè)方法、漏磁檢測(cè)方法、渦流檢測(cè)法等。如Han J S等[1]通過加熱被檢測(cè)區(qū)域，采用紅外熱像儀記錄試件表面溫度場(chǎng)，通過數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理后得到涂層缺陷程度。J.Jun等[2]使用一個(gè)掃描式的漏磁探頭結(jié)合霍爾傳感器陣列來檢測(cè)復(fù)合材料中的裂紋情況，并對(duì)其檢測(cè)能力進(jìn)行討論。JH.Rose等[3]提出了一種基于頻率變化阻抗的渦流檢測(cè)線圈，用來檢測(cè)金屬涂層的厚度和導(dǎo)電性。紅外熱波方法若要達(dá)到一定分辨率，對(duì)儀器設(shè)備要求較高；漏磁檢測(cè)需要在鐵磁材料上進(jìn)行，不適用于非金屬材料的分層檢測(cè)；渦流檢測(cè)對(duì)金屬表面或近表面的缺陷有很高的檢出靈敏度，但是對(duì)于非金屬的熱障涂層損傷卻無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)。

超聲波檢測(cè)法是廣泛用于材料探傷的常用方法，也是最早用于復(fù)合材料無(wú)損評(píng)價(jià)的方法之一。它主要利用復(fù)合材料本身或其缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響來檢測(cè)材料內(nèi)部和表面的缺陷，如氣泡、分層、裂紋、脫粘、貧膠等。超聲波應(yīng)用于防腐層界面損傷檢測(cè)主要有聲發(fā)射法、超聲脈沖回波法、超聲導(dǎo)波法等。如Gallego A等[4]基于聲發(fā)射技術(shù)，對(duì)在熱鍍鋅的鋼樣品表面防護(hù)層和本體金屬的結(jié)合程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的Y Suga等[5-6]利用超聲波方法研究了噴敷層脫粘現(xiàn)象，并探索了影響超聲波檢測(cè)效果相關(guān)因素，同時(shí)將這種方法應(yīng)用于檢測(cè)陶瓷噴敷層材料脫層現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)處于熱沖擊試驗(yàn)下產(chǎn)生的脫層現(xiàn)象可以利用這種方法有效檢測(cè)出來。韓國(guó)先進(jìn)科技學(xué)院的H.Sohn等[7]探索了使用非接觸超聲導(dǎo)波檢測(cè)多層復(fù)合材料中隱藏的脫層現(xiàn)象可行性。現(xiàn)有的超聲檢測(cè)方法大多為檢測(cè)復(fù)合材料的粘接質(zhì)量，而較少涉及對(duì)金屬和非金屬分層缺陷的研究。本文采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，利用超聲導(dǎo)波設(shè)備對(duì)分層缺陷進(jìn)行檢測(cè)并提取有效數(shù)據(jù)，接著基于小波變換，提出利用小波能量值檢測(cè)分層缺陷損傷程度的評(píng)價(jià)方法。

1 非金屬防腐層分層缺陷測(cè)量原理

1.1 超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)中的傳播規(guī)律

由于界面的存在和材料性質(zhì)的不同，超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)中的傳播不同于傳播在無(wú)限大介質(zhì)或者層板中。建立雙層板模型如圖1所示。其中，ρ，λ和μ分別為介質(zhì)密度和Lame參數(shù)，h表示介質(zhì)層厚度，x軸、y軸、z軸如圖所示。在分層介質(zhì)中，對(duì)于按eiw簡(jiǎn)諧變換的位移場(chǎng)，必定滿足Navier位移方程，即有：

圖1 雙層板模型

基于Navier位移方程結(jié)合Helmholtz分解可計(jì)算得到超聲導(dǎo)波在多層介質(zhì)中傳播的位移場(chǎng)勢(shì)函數(shù)通解[8]：

其中為任意參數(shù)；每一個(gè)勢(shì)函數(shù)可以看作向下和向上傳播的平面波兩項(xiàng)，相當(dāng)于每一層板中包括兩個(gè)縱波和兩個(gè)剪切波的4個(gè)平面體積波。從上述理論分析可知，超聲導(dǎo)波在多層介質(zhì)中傳播存在多模態(tài)，多方向等較為復(fù)雜特點(diǎn)，難以利用特定模態(tài)對(duì)分層缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。同時(shí)，隨著層數(shù)的增加，導(dǎo)波在介質(zhì)中傳播的模態(tài)大幅增加，從能量方面考慮，層數(shù)越多，在相同距離內(nèi)，導(dǎo)波發(fā)生的折射和模態(tài)轉(zhuǎn)換越多，即能量消耗越嚴(yán)重，因此，可根據(jù)接收信號(hào)能量大小對(duì)非金屬防腐層分層缺陷進(jìn)行判斷。

1.2 基于小波包變換的信號(hào)能量值評(píng)估

小波變換是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)中發(fā)展迅速的領(lǐng)域，它是以局部化函數(shù)形成的小波基作為基底展開的，具有許多特殊的性能和優(yōu)點(diǎn)，小波包變換是基于小波變換的進(jìn)一步發(fā)展，能夠提供比小波變換更高的分辨率。對(duì)于信號(hào)函數(shù)x(t)使用小波Ψ(t)為基的小波變換[9]的定義為：

其中x(t)∈L2(R)，Ψ(t)是母小波，a，b分別為小波變換的尺度因子和時(shí)間因子，滿足條件：a>0?；谑剑?）可以得到相對(duì)應(yīng)的小波重構(gòu)公式為

小波變換是一種積分變換，它的實(shí)質(zhì)在于將L2(R)空間中的任意函數(shù)表示為其在具有不同伸縮因子a和 平移因子b的 Ψ(t)之上的投影的疊加。通過調(diào)整伸縮因子a和 平移因子b可以得到具有不同時(shí)域?qū)挾鹊男〔ㄒ云ヅ湓夹盘?hào)的任意位置，達(dá)到對(duì)信號(hào)的時(shí)頻局部化分析的目的。在這里，用一個(gè)信號(hào)的3層小波包分解樹說明小波分解的過程。如圖2所示，其中A表示低頻，D表示高頻，末尾的序號(hào)數(shù)表示小波分解的層數(shù)。由圖可知，分解級(jí)數(shù)越大，也就是選擇的小波包尺度越大，小波包系數(shù)對(duì)應(yīng)的空間分辨率就越低，利用這一點(diǎn)，可以在不同的空間分辨率上進(jìn)行分析。

圖2 3層小波包分解樹

本文在基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估中，將小波包變換引入對(duì)分層缺陷信號(hào)分析，通過n階小波包對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分解，得到2n個(gè)信號(hào)小波子集分解后的子集可以表示如下：

其中j是頻率范圍，m指總的采集的數(shù)據(jù)，定義第i個(gè)經(jīng)過分解的能量信號(hào)如下：

因此，第i個(gè)能量集合定義為：

基于上面公式推導(dǎo)，定義第i個(gè)能量集合的小波能量值為：

非金屬防腐層分層缺陷損傷可以用信號(hào)的小波能量值Ew來評(píng)估。由于超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)中的傳播損耗更大，因此理論上采用基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估方法中，小波能量值越小，表明信號(hào)能量損耗越大，進(jìn)而說明分層缺陷損傷越大。

2 基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為檢測(cè)出非金屬防腐層分層缺陷，基于超聲波在雙層板中的傳播理論，本文首先搭建基于小波能量值分層缺陷損傷評(píng)估方法的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3、圖4所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由上位機(jī)、波形發(fā)生器、壓電放大器、試樣和PCI-20614數(shù)據(jù)采集卡組成。實(shí)驗(yàn)過程中，首先在上位機(jī)編制發(fā)射信號(hào)，通過波形發(fā)生器生成信號(hào)，接著信號(hào)放大器將信號(hào)放大50倍之后通過發(fā)射探頭激勵(lì)試樣，經(jīng)過分層缺陷并被接收探頭接收，接收的信號(hào)通過采集卡采集并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理。

圖3 基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖4 基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估實(shí)驗(yàn)流程圖

其中試樣的構(gòu)成如圖5所示，由上層PC板和下層鍍鋅鋼板組成，兩層介質(zhì)之間通過水緊密連接。利用兩塊PC板之間的空隙模擬分層缺陷，通過控制移動(dòng)兩塊PC板可以控制分層缺陷的位置和大小。PC板和鋼板的厚度均為3 mm。經(jīng)過測(cè)試不同頻率和入射角度的超聲斜探頭，發(fā)現(xiàn)不同的頻率和入射角度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總體趨勢(shì)影響不大，因此實(shí)驗(yàn)選擇常用的2.5Z10×10A60的超聲斜探頭作為發(fā)射和接收探頭。發(fā)射探頭與接受探頭位置固定且距離為200 mm。分層缺陷產(chǎn)生時(shí)，在缺陷產(chǎn)生的區(qū)域，非金屬防腐層與金屬基材發(fā)生分離，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬的分層缺陷與實(shí)際的分層缺陷基本符合，同時(shí)本文中涉及的基于增益值的分層缺陷損傷評(píng)估方法和基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估方法原理是利用接收信號(hào)能量在正常區(qū)域和缺陷區(qū)域的損耗不同來實(shí)現(xiàn)對(duì)分層缺陷的檢測(cè)，在這一方面模擬的分層缺陷與實(shí)際的分層缺陷對(duì)信號(hào)能量所造成的影響是一致的，因此模擬分層缺陷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的可信度。

圖5 分層缺陷試驗(yàn)實(shí)物圖

在超聲導(dǎo)波檢測(cè)領(lǐng)域中，由于經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的正弦信號(hào)具有頻散特性弱、能量損失低、信號(hào)失真低等優(yōu)點(diǎn)，因此本實(shí)驗(yàn)采用10周期漢寧窗正弦調(diào)制信號(hào)檢測(cè)分層缺陷，同時(shí)，基于探頭的諧振頻率，選擇調(diào)制信號(hào)的中心頻率為2 MHz。該漢寧窗正弦調(diào)制信號(hào)的具體時(shí)域頻域圖如圖6和圖7所示。

圖6 漢寧窗正弦調(diào)制信號(hào)時(shí)域圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 基于增益值的分層缺陷損傷評(píng)估實(shí)驗(yàn)

超聲檢測(cè)儀器的增益值是衡量回波幅值的重要指標(biāo)，增益值越大說明回波幅值越小，即信號(hào)能量越低。利用增益值的這一特點(diǎn)，本文首先探索了一種基于增益值的分層缺陷損傷評(píng)估方法。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中試樣和探頭與第2節(jié)中一致，發(fā)射和接收部分則由常規(guī)超聲儀器代替，如圖8所示。

基于增益值的分層缺陷損傷評(píng)估方法的實(shí)驗(yàn)按照模擬的分層缺陷寬度大小分為21組進(jìn)行，從分層缺陷寬度為0 mm開始到200 mm，每隔10 mm一組。對(duì)于每一組缺陷，通過移動(dòng)發(fā)射探頭和接收探頭使得缺陷回波幅值達(dá)到最高，接著利用超聲檢測(cè)儀器的自動(dòng)增益功能將回波幅值調(diào)到80%的高度，記錄下此刻儀器顯示的增益值。實(shí)驗(yàn)過程中，始終保持分層缺陷位于發(fā)射探頭和接收探頭中間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖可知，隨著分層缺陷寬度的增加，使接收信號(hào)達(dá)到80%高度的儀器增益值整體呈下降趨勢(shì)，結(jié)果表明利用接收信號(hào)的能量變化可以判斷分層缺陷的大小。然而，由于實(shí)際應(yīng)用這種基于增益值的分層缺陷損傷檢測(cè)方法時(shí)，需要通過移動(dòng)發(fā)射探頭和接收探頭使得缺陷回波幅值達(dá)到最高，這個(gè)過程中產(chǎn)生的誤差影響其檢測(cè)精度。此方法只能在分層缺陷較大的情況下才能將其有效分辨出來，從圖中可以看出，當(dāng)分層缺陷為0 ，10 ，20 mm時(shí)，增益值分別為47.2 ，47.3 ，47 dB，即在此范圍內(nèi)，增益值并沒有隨著分層缺陷的增大而單調(diào)減小，此時(shí)利用超聲儀器增益值的方法難以有效分辨出分層缺陷。下面利用小波能量法檢測(cè)非金屬防腐層分層缺陷并進(jìn)行比較。

圖9 基于增益值的分層缺陷損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估實(shí)驗(yàn)

本文基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估方法總共進(jìn)行了41組實(shí)驗(yàn)，為了更加細(xì)致地觀察不同分層缺陷寬度下接收信號(hào)的小波能量值的規(guī)律，從分層缺陷寬度為0 mm開始到200 mm每隔5 mm取一組缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次并取接收信號(hào)的平均值進(jìn)行3層的小波包分解，如圖2所示。用A表示低頻，D表示高頻，末尾的序號(hào)數(shù)表示小波分解的層數(shù)，則得到小波包分解信號(hào)如圖10所示。

實(shí)驗(yàn)過程中始終保持發(fā)射探頭和接收探頭位置不變。對(duì)接收信號(hào)利用Matlab程序提取小波能量值，記錄這41組數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖11所示。

從圖中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著分層缺陷寬度的增大，接收信號(hào)的小波能量值單調(diào)增大，表明分層缺陷寬度越大，超聲導(dǎo)波傳播過程中發(fā)生的反射、折射和損耗就越小，因此小波能量值越大。不同于基于增益值的評(píng)估方法，由于在此方法中，探頭始終保持固定，不需要每一組實(shí)驗(yàn)都移動(dòng)發(fā)射接收探頭，避免了移動(dòng)過程中可能產(chǎn)生的誤差。在基于增益值的評(píng)估方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，增益值總體呈減少趨勢(shì)，但具體在相鄰的某幾組實(shí)驗(yàn)中，并不一定是單調(diào)減少的。而在基于小波能量值的分層缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，可發(fā)現(xiàn)接收信號(hào)的小波能量值具體到相鄰的實(shí)驗(yàn)中，都是隨著缺陷寬度而單調(diào)增加。同時(shí)，對(duì)于分層缺陷寬度在0～20 mm的范圍內(nèi)，由于較多誤差存在使得基于增益值的分層缺陷評(píng)估方法并不能很好地反映出缺陷問題，對(duì)較小分層缺陷容易產(chǎn)生漏檢的情況。如表1所示，利用基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估方法，即使在缺陷寬度為0～20 mm的情形下，也具有比較明顯的趨勢(shì)，雖然小波能量值的增長(zhǎng)絕對(duì)值不大，但隨著分層缺陷寬度的增加仍有明顯的單調(diào)上升趨勢(shì)，即通過小波能量值可判斷出較小分層缺陷的存在。

圖10 分層缺陷寬度為5 mm時(shí)接收信號(hào)的三層小波包分解信號(hào)

圖11 基于小波能量值的分層缺陷評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 較小分層缺陷下的小波能量值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文為了實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬防腐層的分層缺陷檢測(cè)，首先基于超聲導(dǎo)波在多層介質(zhì)中的傳播理論，建立了超聲導(dǎo)波在雙層板狀介質(zhì)中的傳播模型，提出了基于小波能量值的分層缺陷檢測(cè)方法，搭建了基于小波能量值的分層缺陷檢測(cè)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)部分首先利用超聲儀器增益值的指標(biāo)對(duì)分層缺陷寬度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明隨著分層缺陷寬度的增加，達(dá)到相同回波幅度的增益值逐漸下降，但由于存在操作誤差和儀器誤差，在局部范圍內(nèi)無(wú)法識(shí)別出分層缺陷。接著利用基于小波能量值的分層缺陷檢測(cè)方法對(duì)分層缺陷做進(jìn)一步的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明接收信號(hào)的小波能量值這一指標(biāo)能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)分層缺陷的檢測(cè)，特別是在缺陷寬度較低的情況下，采用小波能量法能更好滿足分層缺陷檢測(cè)需求。

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