微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在管道中的應(yīng)用

陳 波

（運(yùn)城市水利工程建設(shè)局有限公司，山西 運(yùn)城 044000）

修建基礎(chǔ)水利設(shè)施是維持國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要措施之一，泵站在水資源調(diào)度等方面有著重要作用，其中管道的安全穩(wěn)定性直接影響泵站高效運(yùn)行與管理。隨著管道長(zhǎng)期運(yùn)行，其腐蝕老化及管理問(wèn)題將會(huì)逐漸出現(xiàn)，惡性事故發(fā)生率也會(huì)逐年增長(zhǎng)并極大影響城市環(huán)境。若管道缺乏定期檢測(cè)或檢測(cè)技術(shù)有限，則給泵站的控制和維修必然帶來(lái)許多問(wèn)題，外國(guó)的環(huán)保機(jī)構(gòu)要求各城市定期對(duì)管道進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便更好地了解管道的狀態(tài)和制定維修管理決策。當(dāng)前，為更加科學(xué)、合理、全面地評(píng)價(jià)管道缺陷，研究者提出許多測(cè)試技術(shù)，并將其用于缺陷的探測(cè)。但是，由于管道情況復(fù)雜，加上管件、技術(shù)規(guī)范、經(jīng)濟(jì)成本和人力成本等因素的制約，使得對(duì)管道的檢查工作變得十分困難[1]。因此，急需發(fā)展一種經(jīng)濟(jì)便捷高效的無(wú)損管道檢測(cè)技術(shù)。微波檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，開展例如路面結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)、天然氣管道檢測(cè)等工作。本文主要利用這項(xiàng)新技術(shù)對(duì)水利工程中泵站管道的外表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)其在理想狀態(tài)下的檢測(cè)規(guī)律，最后模擬實(shí)際管道情況，完善其在水利工程應(yīng)用中的有效性。

1 常用管道外表面檢測(cè)技術(shù)

1.1 超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波勻速傳播且在金屬表面能夠部分反射的特性，進(jìn)行管道探傷檢測(cè)的方法。該方法檢測(cè)的原理是基于超聲波特性，傳感器發(fā)出一束超聲波后，遇到管道缺陷會(huì)反射部分能量回到傳感器，傳感器會(huì)計(jì)算入射波與反射波之間的時(shí)間間隔。該時(shí)間差與管道缺陷距離傳感器的長(zhǎng)度形成函數(shù)關(guān)系，有利于快速檢測(cè)長(zhǎng)距離管道的缺陷位置[2]。與電視視頻檢測(cè)（CCTV 檢測(cè)）、管道潛望鏡檢測(cè)（QV 檢測(cè)）相比，超聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)速度快、造價(jià)低，適用于管道凹坑較大的缺陷檢測(cè)，是一種常見(jiàn)的管道無(wú)損檢測(cè)方法。但是，該技術(shù)在檢測(cè)過(guò)程中起輔助作用的耦合劑對(duì)周圍環(huán)境例如土壤、地下水有一定的影響，并且檢測(cè)范圍有局限性，結(jié)果需要專業(yè)人士來(lái)辨別缺陷類別。

1.2 射線檢測(cè)技術(shù)

射線檢測(cè)技術(shù)又稱X 射線照相檢測(cè)技術(shù)。X 射線是一種能量較高的射線，能穿透可見(jiàn)光不能穿透的物體，照射管道時(shí)能與管道發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熒光，通過(guò)膠片的感光效應(yīng)可以計(jì)算出投射的X射線強(qiáng)度[3]。因此，該技術(shù)根據(jù)投射強(qiáng)度的異常判斷管道是否缺陷，但是檢測(cè)過(guò)程也存在一些缺點(diǎn)。如，射線對(duì)人體有危害，具有一定的副作用，且協(xié)助膠片感光的定影液不易回收，對(duì)環(huán)境會(huì)造成影響。陳耀瑜等[4]介紹了X 射線數(shù)字成像檢測(cè)新技術(shù)，研制了非膠片數(shù)字成像系統(tǒng)，其具有適應(yīng)射線能量范圍寬、成像時(shí)間長(zhǎng)和質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。張曉光等[5]針對(duì)射線檢測(cè)焊縫對(duì)比度差、光照不均等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了區(qū)域算法，建立了缺陷識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)一步提高了現(xiàn)有技術(shù)的管道缺陷識(shí)別率。

1.3 漏磁檢測(cè)技術(shù)

漏磁檢測(cè)技術(shù)適用于金屬直線管道外表面的缺陷識(shí)別，當(dāng)金屬管道被磁化后，因管道表面的缺陷而在其表面形成漏磁場(chǎng)，人們可以通過(guò)檢測(cè)漏磁場(chǎng)的變化進(jìn)而發(fā)現(xiàn)缺陷[6]。該技術(shù)是一種檢測(cè)鐵磁性材料表面腐蝕、凹坑等缺陷的電磁無(wú)損檢測(cè)方法，檢測(cè)速度快，操作方便。但是，該技術(shù)檢測(cè)結(jié)果容易受到磁化強(qiáng)度、掃查速度、缺陷位置等影響[7]。何輔云[8]利用漏磁原理和二維磁化研究了鋼管自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。王亞?wèn)|[9]也研究了國(guó)內(nèi)外管道漏磁檢測(cè)技術(shù)識(shí)別管道腐蝕的狀況。

2 微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

上述常見(jiàn)的管道檢測(cè)技術(shù)，雖然有的技術(shù)檢測(cè)速度快、成本低、準(zhǔn)確率高，但是大多數(shù)技術(shù)存在缺點(diǎn)，例如檢測(cè)不全面、適應(yīng)管道類別少和環(huán)境危害大等。而微波檢測(cè)技術(shù)與上述技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，即適用廣泛且檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)對(duì)檢測(cè)人員造成危害[10]。因此，在未來(lái)實(shí)際泵站管道檢測(cè)中，利用這種新技術(shù)進(jìn)行缺陷識(shí)別是最佳的選擇。

2.1 微波無(wú)損檢測(cè)原理

無(wú)線電波中頻率范圍在300 MHz～300 GHz，波長(zhǎng)范圍在1 mm～1 m的電磁波為微波。微波在非金屬材料中能夠發(fā)生穿透，在金屬材料界面產(chǎn)生反射。對(duì)于檢測(cè)管道外表面缺陷，微波信號(hào)源發(fā)出微波信號(hào)，經(jīng)傳輸線將信號(hào)傳達(dá)至檢測(cè)探頭并在金屬表面發(fā)生反射作用。與無(wú)缺陷管道表面相比，存在缺陷的管道表面的微波信號(hào)分布和特征參數(shù)會(huì)發(fā)生改變。微波網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示該變化并且通過(guò)計(jì)算機(jī)識(shí)別分析變化數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷管道缺陷情況。

2.2 微波無(wú)損檢測(cè)特點(diǎn)

一般泵站管道周圍檢測(cè)條件復(fù)雜，管道外表面一般有防腐層，這給缺陷檢測(cè)施加了難度。而微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能很好地克服以上局限性，具有以下特點(diǎn)。

（1）非接觸檢測(cè)。微波可以穿透管道外表面的非金屬防腐層或保溫層，實(shí)現(xiàn)管道的非接觸檢測(cè)，可以減少成本。

（2）操作方便，環(huán)境友好。微波檢測(cè)儀器小、便于攜帶，檢測(cè)過(guò)程中不需要對(duì)環(huán)境有害的輔助劑，如耦合劑、定影液等。

（3）自動(dòng)化、準(zhǔn)確度高。微波檢測(cè)能實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)的檢測(cè)，并提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)判斷缺陷范圍和大小，形成三維實(shí)時(shí)圖像。

3 微波無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

微波檢測(cè)方法采用掃頻法，將波導(dǎo)探頭垂直于被測(cè)管道在其表面逐點(diǎn)檢測(cè)。如圖1 所示，微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)出微波信號(hào)，從輸出端經(jīng)無(wú)損電纜傳至反射電橋一端，再?gòu)姆瓷潆姌騻鬟f至波導(dǎo)探頭與管道表面發(fā)生反射反應(yīng)，管道表面的缺陷情況將影響微波的信號(hào)分布和特征參數(shù)變化，這些變化通過(guò)反射電橋傳入分析儀的輸入端并顯示參數(shù)變化情況。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析參數(shù)變化，以此判斷缺陷類別。

圖1 管道外表面檢測(cè)方案

3.2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)選擇10 塊長(zhǎng)寬高為500 mm×100 mm×10 mm的金屬板材試件，編號(hào)為1#～10#。其中，1#～5#試件缺陷寬度6～10 mm，缺陷長(zhǎng)度40 mm，缺陷深度5 mm，用于檢測(cè)缺陷寬度影響；6#～10#試件缺陷長(zhǎng)度200 mm，缺陷寬度5 mm，缺陷深度1～5 mm，用于檢測(cè)缺陷深度影響。試件概況，詳見(jiàn)表1。

表1 試件概況mm

試驗(yàn)采用的主要儀器，詳見(jiàn)表2。

3.3 試驗(yàn)步驟

首先，按圖1 方案搭建試驗(yàn)檢測(cè)裝置，搭建好后設(shè)置微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃頻范圍、掃描點(diǎn)數(shù)和測(cè)量格式，參數(shù)分別為12～20 GHz、200 點(diǎn)和對(duì)數(shù)幅度格式。其次，利用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)波導(dǎo)端口的開路和短路。最后，開始對(duì)管道外表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

（1）先將波導(dǎo)探頭放在1#試件無(wú)缺陷的地方，觀察分析儀上的對(duì)數(shù)幅度曲線，再每隔1 mm沿管道寬度和深度方向逐步移動(dòng)探頭至缺陷位置，觀察曲線變化并記錄最小值和對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)。

（2）將1#～5#試件平放，通過(guò)波導(dǎo)探頭依次對(duì)試件缺陷寬度進(jìn)行檢測(cè)，觀察每個(gè)試件缺陷對(duì)數(shù)幅度曲線變化并記錄曲線最小值和對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)。

（3）將6#～10#試件平放，通過(guò)波導(dǎo)探頭依次對(duì)試件缺陷深度進(jìn)行檢測(cè)，觀察每個(gè)試件缺陷對(duì)數(shù)幅度曲線變化并記錄曲線最小值和對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 缺陷識(shí)別

通過(guò)微波檢測(cè)技術(shù)可以精確識(shí)別1#試件的缺陷位置，如圖2 所示。波導(dǎo)探頭長(zhǎng)寬尺寸為10 mm×5 mm，當(dāng)探頭中心距離缺陷中心大于5 mm、沒(méi)有掃描到缺陷時(shí)，對(duì)數(shù)幅度值穩(wěn)定在-0.75 dB 左右；當(dāng)探頭繼續(xù)掃描到缺陷時(shí)，產(chǎn)生電磁波，微波反射信號(hào)發(fā)生改變，對(duì)數(shù)幅度值開始降低，直至探頭中心與缺陷中心重疊，對(duì)數(shù)幅度值降低到-3 dB。當(dāng)探頭繼續(xù)掃描，對(duì)數(shù)幅度值又由-3 dB 恢復(fù)至穩(wěn)定值-0.75 dB 左右，此時(shí)探頭完全離開缺陷范圍。因此，根據(jù)對(duì)數(shù)幅度值變化可以識(shí)別金屬表面的缺陷位置。

圖2 1#試件缺陷識(shí)別示意

3.4.2 缺陷寬度尺寸檢測(cè)

當(dāng)波導(dǎo)探頭沿缺陷寬度掃描時(shí)，可以根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)確定缺陷寬度尺寸。圖3 顯示了1#～5#試件在同一深度下，不同缺陷寬度對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)幅度值。隨著缺陷寬度的增加，對(duì)數(shù)幅度值逐漸降低。

圖3 缺陷寬度檢測(cè)

3.4.3 缺陷深度尺寸檢測(cè)

通過(guò)對(duì)6#～10#試件進(jìn)行缺陷深度尺寸檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)探頭掃描這些不同深度的缺陷時(shí)對(duì)數(shù)幅度值沒(méi)有明顯變化，如圖4所示。因此，利用檢測(cè)寬度的微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的特征參數(shù)不能滿足缺陷深度的檢測(cè)。

圖4 缺陷深度檢測(cè)

4 工程應(yīng)用

運(yùn)城市部官揚(yáng)水改擴(kuò)建工程二級(jí)站位于平陸縣境內(nèi)，新建1 座前池、1 座進(jìn)水池、1 座二級(jí)站廠房和1 條壓力管線。其中，廠房?jī)?nèi)設(shè)5 臺(tái)水泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程167 m，壓力管道為鋼管，直徑1820 mm，長(zhǎng)度1516 m。

通過(guò)微波無(wú)損檢測(cè)和超聲波檢測(cè)技術(shù)，分別對(duì)鋼管焊縫進(jìn)行缺陷檢測(cè)，結(jié)果詳見(jiàn)表3。由表3 可知，兩者所有焊縫質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果一致，均符合Ⅱ級(jí)要求，由此證明了微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在管道檢測(cè)中的應(yīng)用。

表3 壓力管道焊接接頭概況

5 結(jié)語(yǔ)

與目前常見(jiàn)的管道檢測(cè)技術(shù)相比，微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有成本低、操作方便、環(huán)境友好并且自動(dòng)化、準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì)。本文利用微波掃描缺陷的試驗(yàn)，確定了該技術(shù)可以通過(guò)對(duì)數(shù)幅度的變化來(lái)快速識(shí)別缺陷的存在和范圍，另外可以根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)值確定缺陷寬度尺寸。同時(shí)，微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了實(shí)際工程中鋼管焊縫質(zhì)量的檢測(cè)。

但是，目前微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于管道缺陷的識(shí)別還處于起步階段，其缺陷深度尺寸值檢測(cè)方法需要進(jìn)一步研究。另外微波不能穿透金屬以及一些導(dǎo)電性能較好的復(fù)合材料，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)此類材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，而只能針對(duì)其表面缺陷等進(jìn)行檢測(cè)，因此這也是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。