超聲回波法海底管道外涂層檢測(cè)技術(shù)

趙湘陽(yáng),曹學(xué)文,曹恒廣,張磐,雷 毅

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266580)

管道在運(yùn)行過程中容易發(fā)生腐蝕穿孔進(jìn)而產(chǎn)生泄露問題。目前管道的腐蝕防護(hù)主要依靠陰極保護(hù)和外防腐層,其中外防腐層是隔絕金屬管道與外界土壤、海水等腐蝕環(huán)境的重要屏障[1]。但是受防腐層涂覆工藝的限制以及管道敷設(shè)的影響,管道外涂層易出現(xiàn)不同程度的缺陷。在管道的實(shí)際運(yùn)行過程中,涂層缺陷處易成為腐蝕熱點(diǎn),造成局部腐蝕,這加劇了腐蝕穿孔的風(fēng)險(xiǎn)。因此對(duì)管道的外涂層進(jìn)行有效檢測(cè)至關(guān)重要。管線在建成投產(chǎn)以后,無(wú)法采取大規(guī)模開挖的方式對(duì)外涂層進(jìn)行檢測(cè),因此需要開發(fā)非接觸式、高精度的管道外涂層檢測(cè)技術(shù)。目前僅有密間隔電位測(cè)量法、多頻管中電流法以及直流電壓梯度法等方法可應(yīng)用于管道外涂層缺陷檢測(cè)[2-3],但這些檢測(cè)技術(shù)均為外檢測(cè)。對(duì)于海底管道而言,外部環(huán)境的特殊性很大程度上限制了涂層檢測(cè)技術(shù)的推廣,常見的應(yīng)用于陸上埋地管道的外部檢測(cè)技術(shù)很難直接應(yīng)用到海底管道。超聲波檢測(cè)技術(shù)因其穿透性強(qiáng)、靈敏度高以及無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[4-8]。研究發(fā)現(xiàn),超聲波檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面涂層缺陷以及復(fù)合材料分層缺陷的有效識(shí)別[9-17],但并沒有針對(duì)海底管道外涂層缺陷檢測(cè)的相關(guān)研究。一方面海底管道的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,除管道外壁的防腐涂層外還會(huì)有保溫層以及混凝土配重層等結(jié)構(gòu)。超聲波在管道多層結(jié)構(gòu)中的透射和反射特性比較復(fù)雜;另一方面,管道內(nèi)部的沖刷腐蝕現(xiàn)象也會(huì)對(duì)超聲波的傳播特性造成影響。因此筆者采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)管道外涂層超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 超聲波涂層檢測(cè)原理

當(dāng)超聲波在多層結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生透射、反射以及衰減。對(duì)于管道的多層結(jié)構(gòu)而言,超聲回波容易發(fā)生混疊導(dǎo)致難以對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取和分析。與此同時(shí),盡管涂層的厚度僅有幾百微米,但涂層對(duì)聲波的傳播有強(qiáng)烈的阻尼作用,聲波衰減較為嚴(yán)重,因此采用垂直入射的脈沖縱波可顯著降低信號(hào)分離和提取難度。

涂層材料一般為環(huán)氧樹脂等大分子聚合物,因此涂層的聲阻抗與水、空氣等介質(zhì)有顯著差異,超聲波在不同界面處的透射與反射特性有著很大不同。圖1為超聲波在材料界面處的透射和反射。超聲波聲壓表示為

pc=pcmexp(j(ωt+k1ycosα-k1xsinα)).

(1)

ps=psmexp(j(ωt+k2ycosβ-k2xsinβ)).

(2)

pr=prmexp(j(ωt-k1ycosαr-k1xsinαr)).

(3)

式中,pc、ps、pr、pcm、psm和prm均為超聲波聲壓,Pa;α、αr和β分別為入射波角、反射波角和透射波角,rad;其余參數(shù)均為公式系數(shù)。

超聲波在界面處的反射率R為反射波聲壓pr與入射波聲壓pc比值,即

(4)

式中,Z1、Z2分別為兩種材質(zhì)的聲阻抗,kg/(m2·s)。

可得垂直入射波(α=β=0)的反射系數(shù)Rv為

(5)

圖1 超聲波在兩種介質(zhì)界面處的反射與透射Fig.1 Reflection and transmission of ultrasonic wave at interface of two medias

可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)的聲阻抗Z2不同時(shí),反射率會(huì)有顯著差異。基于反射特性差異,利用在涂層完好與涂層缺陷界面處超聲回波的差異可以對(duì)涂層缺陷進(jìn)行識(shí)別。鋼的聲阻抗Z1(45.3×106kg·m-2·s-1)要明顯高于空氣(0.000 4×106kg·m-2·s-1)、海水(1.53×106kg·m-2·s-1)以及環(huán)氧樹脂((2.7～3.6)×106kg·m-2·s-1),因此管道界面處的反射率Rv為

(6)

當(dāng)管道外涂層完好時(shí),Z2即為環(huán)氧樹脂的聲阻抗;當(dāng)管道外涂層破損時(shí),Z2為海水或者空氣的聲阻抗。因此當(dāng)管道涂層發(fā)生失效時(shí),界面處的反射率較高,超聲波的回波強(qiáng)度較高,根據(jù)回波強(qiáng)度差異可對(duì)涂層缺陷進(jìn)行識(shí)別。

2 涂層檢測(cè)數(shù)值模擬

2.1 模型建立

選取結(jié)構(gòu)復(fù)雜的單層配重保溫管為研究對(duì)象,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,由內(nèi)而外依次為管道金屬基體、防腐層、聚氨酯保溫層、聚乙烯夾克層以及混凝土配重層。涂層缺陷中防腐層剝離起鼓,缺陷內(nèi)部有海水侵入。

圖2 單層配重保溫管結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of single-layer counterweight insulation pipe

為了驗(yàn)證超聲波涂層缺陷檢測(cè)的可行性,建立超聲波涂層檢測(cè)的有限元模型,求解超聲波在管道結(jié)構(gòu)中的傳播特性。如圖3所示,以管道-防腐層-保溫層3層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),分別建立涂層完好與涂層缺陷的二維模型。涂層缺陷的形式為剝離起鼓,內(nèi)部有海水侵入;兩個(gè)模型的寬度均為30 mm,厚度均為45.6 mm,其中管道金屬基體、防腐層和海水層的厚度分別為15、0.6和1 mm,計(jì)算網(wǎng)格大小均為0.1 mm。相應(yīng)地,保溫層厚度分別為30和29 mm,為了減小計(jì)算量,網(wǎng)格尺寸為1 mm。

固-液界面處設(shè)置為FSI耦合以準(zhǔn)確描述金屬管壁與海水之間的相互作用,模型的左右兩邊界均設(shè)置為無(wú)限邊界,初始激勵(lì)信號(hào)采用中心頻率為2.5 MHz的窗函數(shù)。通過將數(shù)值計(jì)算得到的聲速和波長(zhǎng)與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了模型的合理性。

圖3 涂層完好與涂層缺陷兩種情況下的數(shù)值模型Fig.3 Numerical models for two cases of intact coating and defective coating

2.2 模擬結(jié)果

圖4為涂層完好時(shí)的超聲波波場(chǎng)。可以發(fā)現(xiàn),超聲波信號(hào)在界面處發(fā)生了反射,大部分超聲波信號(hào)被反射回管道的金屬基體,僅有少部分超聲波信號(hào)可以進(jìn)入涂層內(nèi)部,而超聲波信號(hào)未能進(jìn)入保溫層,因此忽略混凝土配重層等管道結(jié)構(gòu)是合理的。進(jìn)一步地,可以忽略聚氨酯保溫層,以管道金屬基體-涂層兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)研究。

圖4 涂層完好情況下的超聲波波場(chǎng)Fig.4 Wave field snapshot for intact coating

圖5為模擬得到的涂層完好與缺陷兩種情況下的回波信號(hào)。回波信號(hào)中第一個(gè)波形為入射的縱波即初始的激勵(lì)信號(hào),在多次反射過程中,回波信號(hào)的幅值逐漸減小。而回波信號(hào)在涂層完好界面處衰減更快,兩種情況下第五次回波信號(hào)幅值差異達(dá)到了63.5%。因此可以選擇回波幅值作為識(shí)別涂層缺陷的判別標(biāo)準(zhǔn),采用超聲回波進(jìn)行管道涂層缺陷檢測(cè)是可行的。

圖5 涂層完好與缺陷兩種情況下的回波信號(hào)Fig.5 Ultrasonic echo signal for two cases of intact coating and defective coating

3 超聲回波響應(yīng)特征與降噪

采用自主研發(fā)的超聲波涂層檢測(cè)儀及涂層檢測(cè)專用探頭對(duì)試塊表面的涂層缺陷進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)。圖6為涂層檢測(cè)系統(tǒng),整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)儀、檢測(cè)換能器、示波器以及待檢試塊組成。超聲波涂層檢測(cè)儀可完成超聲信號(hào)發(fā)射與回波信號(hào)的采集工作,回波信號(hào)可通過示波器顯示,也可導(dǎo)出波形數(shù)據(jù)。試塊的金屬基體材料采用35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼,表面為環(huán)氧樹脂涂層。試塊和涂層厚度分別為20.5 mm和300 μm,涂層完好與缺陷的形貌如圖6所示,涂層覆蓋試塊表面一半的面積,涂層缺陷為完全剝離并裸露出金屬基體。

圖6 超聲波涂層缺陷檢測(cè)儀與試塊Fig.6 Ultrasonic coating defects detector and test blocks

圖7為試塊表面涂層完好與缺陷兩種情況下的回波信號(hào)。從第二個(gè)超聲回波開始,回波信號(hào)開始出現(xiàn)衰減,其衰減特性符合指數(shù)衰減規(guī)律。隨著回波次數(shù)增加,兩種情況下超聲回波幅值逐漸減小,回波幅值的差異也開始顯現(xiàn)。涂層完好情況下第四次回波的幅值為0.67 V,而涂層缺陷情況下的第四次回波幅值達(dá)到了1.55 V,兩種情況下回波幅值差異顯著,因此可通過第四次回波幅值差異對(duì)涂層是否完好進(jìn)行識(shí)別。

與此同時(shí),回波幅值差異會(huì)受到試塊厚度、涂層厚度以及缺陷尺寸的影響。為此采用厚度為15 mm的試塊進(jìn)行涂層檢測(cè)試驗(yàn),涂層厚度分別為200、300、420、540和610 μm,在相同的檢測(cè)參數(shù)下,研究涂層厚度對(duì)回波特性的影響,結(jié)果表明第五次回波幅值均約0.5 V,因此涂層厚度對(duì)檢測(cè)沒有明顯的影響。與此同時(shí)在相同的檢測(cè)參數(shù)下,對(duì)不同厚度的試塊進(jìn)行涂層檢測(cè),如表1所示。隨著試塊厚度增加,超聲波在金屬基體中的損耗增加,回波數(shù)量減少;但涂層完好與缺陷兩種情況下的回波幅值差異也逐漸增大。因此在實(shí)際檢測(cè)過程中,對(duì)于較厚的管道,回波幅值差異明顯,這有利于涂層缺陷識(shí)別;但當(dāng)管道較厚時(shí),也應(yīng)適當(dāng)增加超聲激勵(lì)信號(hào)強(qiáng)度,以免超聲波在管道內(nèi)的損耗過大影響檢測(cè)結(jié)果。當(dāng)涂層缺陷尺寸小于超聲探頭的直徑時(shí),反射回波的能量損失較大,不利于缺陷識(shí)別,選用小直徑超聲探頭有助于對(duì)小尺寸缺陷的識(shí)別。因此在實(shí)際檢測(cè)過程中,需要制作對(duì)應(yīng)情況下的標(biāo)準(zhǔn)試樣以確定最適合涂層缺陷識(shí)別的檢測(cè)參數(shù)和判定標(biāo)準(zhǔn)。超聲波管道涂層缺陷檢測(cè)依賴于超聲回波的響應(yīng)特性。在實(shí)際檢測(cè)過程中,回波信號(hào)容易受到儀器、探頭以及待檢管件表面粗糙度等多種因素的影響,回波信號(hào)容易遭受噪聲干擾。為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性,采用小波分析法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理[18-21],從而提高信號(hào)的信噪比進(jìn)而提取分離出有效的回波信號(hào)。

圖8為采用小波分析法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理的參數(shù)選擇流程。以信噪比改善情況為依據(jù),分別對(duì)小波基函數(shù)、分解層數(shù)以及閾值函數(shù)進(jìn)行比選。比選結(jié)果表明,采用sym8小波基函數(shù)、4層分解以及半軟閾值函數(shù)的情況下,超聲回波的降噪效果最好。因此采取上述降噪策略對(duì)圖7所示的試驗(yàn)回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理。圖9為小波降噪后的回波信號(hào)?？梢园l(fā)現(xiàn),采用小波分析法可以有效地對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理,回波信號(hào)擁有更高的信噪比。因此采用小波降噪可以顯著提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性。在后續(xù)檢測(cè)中將采用小波分析法對(duì)獲取的回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理。

圖7 試塊涂層完好與缺陷兩種情況下的超聲回波信號(hào)Fig.7 Ultrasonic echo signal for two cases of intact and defective coating of test block

表1 不同試塊厚度下檢測(cè)結(jié)果

圖8 超聲回波信號(hào)小波降噪?yún)?shù)比選流程Fig.8 Parameter selection process of ultrasonic echo signal wavelet denoising

圖9 小波降噪處理后的超聲回波信號(hào)Fig.9 Ultrasonic echo signal after wavelet denoising treatment

4 管道外涂層連續(xù)檢測(cè)

4.1 檢測(cè)平臺(tái)

搭建超聲波管道涂層連續(xù)檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái),整個(gè)裝置由行走控制系統(tǒng)、超聲波管道涂層檢測(cè)系統(tǒng)、超聲波數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)以及無(wú)線傳輸模塊4部分組成。

行走控制系統(tǒng)主要是由檢測(cè)小車帶動(dòng)超聲波換能器對(duì)管道進(jìn)行連續(xù)檢測(cè),通過行走控制箱控制小車的行走速度。

超聲波管道涂層檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)換能器、超聲波涂層檢測(cè)儀和示波器等部分組成。所用超聲波換能器安裝于檢測(cè)小車,主要是發(fā)射超聲波信號(hào)和接收反射回來(lái)的超聲回波信號(hào)。

超聲波數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)作為整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理終端,負(fù)責(zé)接收來(lái)自檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,由計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件構(gòu)成。

無(wú)線傳輸模塊作為檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的橋梁,負(fù)責(zé)將檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

4.2 檢測(cè)流程

圖10為連續(xù)檢測(cè)原理示意圖,檢測(cè)小車車輪與管道內(nèi)壁相匹配。為保證耦合良好,超聲波換能器要能夠浸沒在水中,因此水位需要滿足一定高度要求。超聲換能器安置于凸臺(tái)孔內(nèi)。

超聲波從換能器發(fā)出并沿著水傳播到管道,經(jīng)反射后超聲回波返回超聲波換能器完成檢測(cè)。由于超聲波在不同界面處的反射特性存在差異,在涂層完好的地方,超聲波在界面處的反射率較小,回波幅值較小;而在涂層破損的地方,超聲波的回波幅值較大。通過回波幅值的差異辨別涂層是否有缺陷,管道涂層連續(xù)檢測(cè)的流程如圖11所示。

圖10 管道涂層連續(xù)檢測(cè)原理示意圖Fig.10 Schematic diagram of continuous detection for pipeline coating

圖11 管道涂層連續(xù)檢測(cè)流程Fig.11 Process of continuous detection for pipeline coating

在實(shí)際管道的外涂層檢測(cè)中,檢測(cè)表面為管道的圓柱形外表面。連續(xù)檢測(cè)試驗(yàn)采用內(nèi)徑為254 mm的鋼管,壁厚為10 mm,表面為環(huán)氧樹脂涂層。在管道外表面制造若干涂層剝離缺陷,圖12為管道涂層檢測(cè)試驗(yàn)中所用的管道試樣,黑色的部分為涂層完好的區(qū)域,而裸露金屬基體部分表示外涂層完全破損。

圖12 管道試樣實(shí)物Fig.12 Physical image of pipe sample

4.3 檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)管道外涂層連續(xù)檢測(cè)需求,將檢測(cè)小車放置于待檢管道內(nèi),調(diào)整行走控制參數(shù)使檢測(cè)小車在管道內(nèi)部勻速前進(jìn)。與此同時(shí),超聲波涂層檢測(cè)儀不斷地通過超聲換能器采集超聲回波數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)通過無(wú)線傳輸模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中,并繪制出管道外涂層連續(xù)檢測(cè)的峰值曲線。

對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,見圖13。圖13中試驗(yàn)檢測(cè)區(qū)間為點(diǎn)a到點(diǎn)b距離(480 mm),在檢測(cè)區(qū)間內(nèi)有兩道涂層剝離缺陷。通過對(duì)檢測(cè)區(qū)間內(nèi)的涂層進(jìn)行檢測(cè),共采集3 200組數(shù)據(jù)。

圖13 管道涂層連續(xù)檢測(cè)曲線Fig.13 Continuous detection curve analysis for pipeline coating

從圖13中可以看出,缺陷位置的超聲回波峰值超過40%,而涂層完好位置的超聲回波峰值幾乎低于10%,因此涂層缺陷和涂層完好位置的超聲回波峰值差異巨大。圖中所顯示的涂層破損位置與待檢測(cè)管道外涂層破損位置相吻合,因此檢測(cè)試驗(yàn)成功識(shí)別了涂層缺陷的位置。與此同時(shí),可以發(fā)現(xiàn)在涂層完好位置處的超聲回波也存在一定的波動(dòng),這是因?yàn)樗玫臋z測(cè)管道為退役管道,管道內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的沖刷腐蝕損傷,管壁上存在大量的坑點(diǎn),粗糙度非常大,這對(duì)超聲波傳遞產(chǎn)生了干擾,但并未對(duì)涂層缺陷位置的識(shí)別產(chǎn)生影響,因此超聲波涂層檢測(cè)技術(shù)具有較高的抗干擾性與靈敏度。除此之外,該檢測(cè)為室內(nèi)原理性試驗(yàn),僅能完成一個(gè)方向的檢測(cè),無(wú)法同時(shí)識(shí)別軸向和環(huán)向的涂層缺陷。若將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際管道的外涂層檢測(cè),還需開發(fā)適用于管道外涂層在線檢測(cè)的內(nèi)檢測(cè)器,以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道涂層的全面檢測(cè)。

超聲波管道涂層檢測(cè)技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道外涂層的連續(xù)檢測(cè),該檢測(cè)技術(shù)具有較高的靈敏度與抗干擾性,其彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的局限性,完善了海底管道的外涂層評(píng)價(jià)體系。

5 結(jié) 論

(1)超聲波信號(hào)在界面處發(fā)生反射,大部分超聲波信號(hào)返回管道的金屬基體,僅有少部分能量進(jìn)入涂層內(nèi)部,而在保溫層內(nèi)沒有超聲波信號(hào),可以忽略聚氨酯保溫層等外部結(jié)構(gòu)以管道金屬基體-涂層兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

(2)涂層完好與缺陷兩種情況下的回波幅值存在差異,可以將超聲回波幅值的差異作為涂層缺陷識(shí)別的判別標(biāo)準(zhǔn)。

(3)采用小波分析法可以有效地對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理,回波信號(hào)擁有更高的信噪比。

(4)搭建的適用于管道外涂層缺陷連續(xù)檢測(cè)的室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道外涂層缺陷的連續(xù)檢測(cè),該檢測(cè)技術(shù)具有較高的靈敏度與抗干擾性。