基于超聲回波的煤層氣管線防腐蝕涂層缺陷檢測(cè)

強(qiáng)海亮

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司）

煤層氣作為三大重要清潔能源之一，主要以游離態(tài)的甲烷為主。 由于具有清潔性且當(dāng)前儲(chǔ)量巨大，因此市場(chǎng)前景廣闊。 為加大對(duì)煤層氣的應(yīng)用， 通常利用帶內(nèi)涂層的集輸管線進(jìn)行輸送，以提高煤層氣的輸送效率，但煤層氣輸送管線內(nèi)涂層若有破損， 會(huì)對(duì)管道造成嚴(yán)重的腐蝕和沖蝕。因此， 如何做好集輸管道中內(nèi)涂層的缺陷檢測(cè)，對(duì)管道的防護(hù)和安全使用有著極其重要的作用和價(jià)值。 目前，針對(duì)內(nèi)涂層管道的缺陷檢測(cè)，常用的無(wú)損檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)法、電流衰減（PCM）檢 測(cè) 法 和 超 聲 波 檢 測(cè) 法， 張 海 兵 等［1］、GROSSO M等［2］都采用渦流檢測(cè)法對(duì)涂層厚度進(jìn)行了檢測(cè)， 但對(duì)缺陷損傷的檢測(cè)效果還有待進(jìn)一步論證；沈非等將電流衰減檢測(cè)法應(yīng)用到特種設(shè)備涂層的檢測(cè)中，但受磁場(chǎng)的影響，檢測(cè)精度不高［3］；張恒則將超聲檢測(cè)法應(yīng)用到粘接質(zhì)量的檢測(cè)中，取得良好效果，評(píng)價(jià)了粘接的等級(jí)［4］。 但歸納發(fā)現(xiàn)，超聲檢測(cè)主要用于涂層厚度的檢測(cè)，在涂層缺陷檢測(cè)方面的應(yīng)用還相對(duì)較少。 因此，基于以上研究，本試驗(yàn)嘗試?yán)贸暀z測(cè)的原理，探究管道內(nèi)涂層的缺陷檢測(cè)。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 超聲波檢測(cè)原理

超聲波的特征體現(xiàn)在穿透性強(qiáng)、能量高及波長(zhǎng)短等方面，頻率高于0.02 MHz，在傳播到特殊的分界面時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射等現(xiàn)象，根據(jù)對(duì)接收信號(hào)的處理可以得到需要的信息。 該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需與檢測(cè)目標(biāo)接觸， 不會(huì)影響檢測(cè)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。 超聲波檢測(cè)原理如圖1所示［5～7］。

圖1 超聲檢測(cè)原理

基于上述原理，可分析煤層氣集輸管線內(nèi)涂層是否存在缺陷，具體檢測(cè)原理如圖2所示。 首先在管道外側(cè)合適位置設(shè)置超聲換能器，然后將發(fā)射的超聲波傳輸?shù)郊敼艿纼?nèi)部，超聲波在發(fā)生反射之后將會(huì)在換能器和外壁界面再次反射并進(jìn)入集輸管道內(nèi)部，所以在管道內(nèi)壁會(huì)形成超聲余振波，且逐步衰減。 超聲換能器接收到反射信號(hào)之后，將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，然后借助示波器分析信號(hào)特征，判斷集輸管線內(nèi)涂層是否存在缺陷。

圖2 壁面-內(nèi)涂層界面處超聲回波1.2 超聲波檢測(cè)主要影響因素

根據(jù)當(dāng)前的研究可知，超聲波在管道內(nèi)壁傳播時(shí)受諸多因素影響，會(huì)發(fā)生衰減，這些因素包括［8～11］：超聲波束的擴(kuò)散、管壁與其他界面的吸收作用和受管道晶粒度影響出現(xiàn)的散射。 一般在上述因素的綜合影響下出現(xiàn)衰減問(wèn)題，可以通過(guò)透射率和反射率進(jìn)行描述，透射率和反射率與界面的聲阻抗大小直接相關(guān)。 對(duì)于在管道內(nèi)壁傳輸?shù)某暡?，往往容易發(fā)生透射，主要發(fā)生位置有兩個(gè)：換能器與外壁的交界面；內(nèi)壁與介質(zhì)的交界面。 對(duì)于后者，其透射率主要與介質(zhì)聲阻抗有關(guān)，而這也是導(dǎo)致管道內(nèi)壁超聲波衰減的主要因素。

結(jié)合以上分析可以看出，超聲波傳播主要受分界面的影響而出現(xiàn)反射或者透射。 設(shè)有兩種介質(zhì)（介質(zhì)1、2），在傳播到兩種介質(zhì)的交界面時(shí)，部分超聲波反射回介質(zhì)1中， 其他部分則透射過(guò)界面進(jìn)入介質(zhì)2中。由此得到反射率R，即反射波、入射波聲強(qiáng)的比值［12，13］：

式中 Ir——反射波的聲強(qiáng)；

I0——入射波的聲強(qiáng)；

Z1、Z2——介質(zhì)1、2的聲阻抗。

透射率T為：

式中 It——透射波的聲強(qiáng)。

本次研究中煤層氣集輸管道材料、內(nèi)涂層防腐材料分別是35CrMo合金鋼和環(huán)氧樹脂，二者的聲阻抗分別是Z鋼=45.3×106kg/（m2·s）、Z內(nèi)=2.7×106kg/（m2·s），煤 層 氣 的 聲 阻 抗 為Z氣=0.03×106kg/（m2·s）。

在內(nèi)涂層完整的情況下，根據(jù)式（1）、（2）計(jì)算得到：

由此可知， 反射能量占79%， 被換能器接收到；透射能量占21%，被透射到煤層氣集輸管道中的內(nèi)涂層中。

在煤層氣集輸管道內(nèi)涂層不完整的情況下，根據(jù)式（1）、（2）得到：

由此可知， 絕大部分能量被換能器接收，比例高達(dá)99.7%， 僅極少部分能量透射， 比例約為0.3%。

基于各個(gè)界面的反射率，可得一次反射回波的波高差Δ，具體計(jì)算如下：

由此可知，處于兩個(gè)界面的波高差可達(dá)2.021 dB， 特別是在管道壁界面中出現(xiàn)多次反射時(shí)，波高差同樣會(huì)達(dá)到比較高的水平。

2 煤層氣集輸管道內(nèi)涂層檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要針對(duì)煤層氣集輸管道的防腐內(nèi)涂層缺陷進(jìn)行檢測(cè)，即根據(jù)超聲回波在各個(gè)界面的衰減特性判斷煤層氣集輸管道內(nèi)涂層是否存在缺陷。 具體方案介紹如下。

2.1.1 煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完全破損模型

煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完全破損模型指超聲波通過(guò)管道壁之后與煤層氣界面接觸 （鋼-氣界面），部分超聲波在界面位置反復(fù)反射，直至衰減。 除反射的部分之外，還有部分透射到管道中的煤層氣中。 具體方案如圖3所示。

圖3 內(nèi)涂層完全破損試驗(yàn)方案

2.1.2 煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完好無(wú)損模型

煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完好無(wú)損模型指超聲波通過(guò)內(nèi)涂層和管壁界面（鋼-內(nèi)界面）時(shí)，部分超聲波在界面反射后持續(xù)在管道壁內(nèi)傳播，直至衰減，其他聲波則透射到內(nèi)涂層介質(zhì)中。 受聲阻抗差異性的影響， 回波呈現(xiàn)出不同的衰減特性。 根據(jù)這些特性數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)涂層形態(tài)進(jìn)行分析。具體方案如圖4所示。

圖4 內(nèi)涂層完好無(wú)損試驗(yàn)方案

2.2 試樣制備

2.2.1 選擇試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料為35CrMo合金鋼，內(nèi)涂層選擇環(huán)氧樹脂， 試驗(yàn)確保與實(shí)際管道環(huán)境保持一致。35CrMo合金鋼成分見表1。

表1 35CrMo合金鋼成分 %

2.2.2 內(nèi)涂層試樣制備

結(jié)合試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)了不同試塊，主要包括內(nèi)涂層完好無(wú)損、完全破損、剝離起鼓3種類型，試樣長(zhǎng)、寬、高分別是40、50、18 mm。 內(nèi)涂層剝離起鼓 直 徑16 mm， 經(jīng)CT-200 測(cè) 定 內(nèi) 涂 層 厚 度300 μm。 具體內(nèi)涂層缺陷檢測(cè)試樣如圖5所示。

圖5 內(nèi)涂層試驗(yàn)試樣

2.2.3 搭建試驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)合圖6的試驗(yàn)流程對(duì)煤層氣集輸管道內(nèi)壁的防腐內(nèi)涂層缺陷進(jìn)行檢測(cè)。 所需的檢測(cè)設(shè)備包括示波器、超聲換能器及超聲檢測(cè)設(shè)備等。

圖6 煤層氣集輸管道防腐內(nèi)涂層缺陷檢測(cè)流程

在圖6中， 超聲換能器主要用于實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收；上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與分析。 其中，上位機(jī)配置了自主設(shè)計(jì)的內(nèi)涂層缺陷檢測(cè)軟件，可根據(jù)結(jié)果判斷缺陷情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)涂層完好無(wú)損與完全破損對(duì)比試驗(yàn)

在本次研究中，針對(duì)完好無(wú)損（鋼-內(nèi)界面）和完全破損 （鋼-氣界面） 的試樣進(jìn)行超聲波檢測(cè)， 并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)繪制了回波特性曲線，具體如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)試樣內(nèi)涂層完好無(wú)損與完全破損的回波特性曲線

根據(jù)圖7可知，隨著反射次數(shù)的增加，兩界面的回波信號(hào)均不斷衰減， 對(duì)應(yīng)的幅值保持降低的趨勢(shì)。 出現(xiàn)這一現(xiàn)象與超聲波的介質(zhì)散射、擴(kuò)散等有關(guān)。 為更準(zhǔn)確地描述其衰減過(guò)程，結(jié)合圖6采集到的數(shù)據(jù)， 得到五次回波反射的幅值（表2）。

表2 不同試樣五次回波的幅值 V

由表2數(shù)據(jù)可知， 各界面的回波信號(hào)幅值存在一定的差異性，但對(duì)于前兩次反射這種差異性不明顯， 所以無(wú)法直接對(duì)界面特性做出準(zhǔn)確判斷。 而在第3次之后發(fā)生了顯著的變化，區(qū)分度較高，幅值差距最大的是第5次。 所以可以根據(jù)第5次反射回波信號(hào)的幅值來(lái)進(jìn)行分析，確定內(nèi)涂層中的破損情況。

3.2 缺陷尺寸對(duì)內(nèi)涂層超聲檢測(cè)的影響

分析涂層超聲檢測(cè)和缺陷尺寸（直徑）之間的關(guān)系， 設(shè)計(jì)了9種不同直徑的內(nèi)涂層剝離起鼓試樣，范圍為0～16 mm，間隔為2 mm。 根據(jù)圖6的檢測(cè)流程，繪制對(duì)應(yīng)的回波特性曲線，得到如圖8所示的結(jié)果。

圖8 不同缺陷直徑對(duì)超聲波傳播的影響

根據(jù)圖8可知，在不同直徑的內(nèi)涂層缺陷下，隨著反射次數(shù)的增加，檢測(cè)到的回波信號(hào)幅值逐步降低。 另外還發(fā)現(xiàn)，在前兩次反射時(shí)，不同直徑的內(nèi)涂層缺陷導(dǎo)致的回波信號(hào)幅值基本一致，而從第3次開始出現(xiàn)了顯著的變化， 幅值差異明顯增大，特別是在第5次時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)可對(duì)內(nèi)涂層缺陷特性有較好的評(píng)價(jià)， 所以用第5次反射回波幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)涂層缺陷檢測(cè)。 不同直徑內(nèi)涂層缺陷得到的回波信號(hào)幅值見表3。

根據(jù)表3可知，在內(nèi)涂層完好的情況下，第5次回波幅值最大達(dá)到0.28 V， 且其幅值隨缺陷直徑變大而呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。 出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是在缺陷直徑變大時(shí)， 會(huì)形成更強(qiáng)的反射聲波， 所以對(duì)應(yīng)的回波幅值同樣保持較高的水平。而在完全破損的情況下，則對(duì)應(yīng)的幅值最大達(dá)到了1.08 V， 此時(shí)缺陷直徑和換能器直徑尺寸是一致的。 但是在缺陷直徑繼續(xù)增大時(shí)，回波幅值基本保持固定。 綜上，超聲波回波幅值大小可判斷缺陷尺寸和破損程度。

表3 不同內(nèi)涂層缺陷直徑下的第5次回波幅值

4 實(shí)際應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述方法的檢測(cè)效果，將其應(yīng)用到實(shí)際煤層氣集輸管道內(nèi)涂層缺陷的檢測(cè)中。實(shí)際煤層氣集輸管道試樣如圖9所示， 內(nèi)涂層環(huán)氧樹脂厚度300 μm，管道直徑和厚度分別是160、16.5 mm。

圖9 實(shí)際煤層氣集輸管道試樣

依據(jù)圖6所示的檢測(cè)流程得到實(shí)際煤層氣集輸管道完好無(wú)損（鋼-內(nèi)界面）和完全破損（鋼-氣界面）兩種狀態(tài)下的內(nèi)涂層回波特性，具體如圖10所示。

由圖10可以看出，兩種狀態(tài)下回波信號(hào)幅值均隨反射回波次數(shù)的增大而減小，前兩次回波幅值差異性較小，在第3次之后差距增大。 提取第5次回波幅值，得到的結(jié)果列于表4。

表4 實(shí)際煤層氣集輸管道不同界面處的超聲回波幅值 V

圖10 實(shí)際煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完好無(wú)損與完全破損的回波特性曲線

由表4數(shù)據(jù)可知， 兩界面回波幅值差距最大在第5次，與試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果一致。 同樣可以用第5次來(lái)判斷煤層氣內(nèi)涂層的破損情況。

設(shè)計(jì)9種尺寸的內(nèi)涂層剝離缺陷， 涂層剝離直徑同樣在0～16 mm，間隔為2 mm。 根據(jù)檢測(cè)試驗(yàn)， 得到在內(nèi)涂層不同缺陷直徑下的第5次回波幅值，具體如圖11所示。

圖11 內(nèi)涂層不同缺陷直徑下的第5次回波幅值

根據(jù)圖11可知，在不同缺陷直徑下，對(duì)應(yīng)的回波幅值是不同的。 在內(nèi)涂層完好、完全破損情況下，回波幅值最大分別是0.60、1.24 V。 內(nèi)涂層完全破損時(shí)，若缺陷直徑繼續(xù)增大，回波幅值基本保持固定。 說(shuō)明該方法在實(shí)際應(yīng)用中效果很好。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者構(gòu)建的基于超聲回波的煤層氣集輸管道內(nèi)涂層缺陷檢測(cè)方法， 可對(duì)管道內(nèi)涂層完好無(wú)損和完全破損狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)， 具體的檢測(cè)原理則是通過(guò)超聲回波的幅值差值進(jìn)行判斷。在本研究中，通過(guò)試驗(yàn)得到管壁-天然氣界面和管壁-內(nèi)涂層界面間第5次回波的差值最大。 由此可以通過(guò)第5次回波幅值的差值來(lái)判斷涂層在不同缺陷直徑下的缺陷程度。而該方法的特點(diǎn)在于，通過(guò)超聲回波這種無(wú)損檢測(cè)，大幅提高了管道的檢測(cè)效率。