無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在聚乙烯管道缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

習(xí)西男XI Xi-nan；寧莉NING Li；徐星潔XU Xing-jie；范雨馨FAN Yu-xin

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089）

0 引言

近年來(lái)，非金屬管道在環(huán)保工程、供水工程、城市燃?xì)夤こ痰戎械氖褂糜兴黾印８呙芏染垡蚁┕艿酪蚱淞己玫哪透g性、不泄漏、高強(qiáng)度和韌性、優(yōu)異的柔韌性、易于裝卸和安裝等特點(diǎn)，在中低壓輸氣中逐漸取代了傳統(tǒng)鋼管和鑄鐵管道[1]。因此，已成為城市燃?xì)膺\(yùn)輸?shù)氖走x管道。但由于管道在地下埋藏，當(dāng)管道發(fā)生缺陷時(shí)，無(wú)法有效檢測(cè)缺陷。而太赫茲（THz）輻射是指頻率范圍為0.1 至10THz（1 THz=1012Hz）、低能量（4.1meV）、高信噪比、高分辨率和其他特性的電磁波，已用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，科學(xué)家們一直在研究發(fā)射和接收太赫茲波的設(shè)備[2]。2008 年，Stoiks 將太赫茲時(shí)域光譜（TDS）應(yīng)用于飛機(jī)玻璃纖維復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)，并使用簡(jiǎn)單振幅二維圖像評(píng)估了熱損傷程度。太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備隨著其不斷發(fā)展，將在非金屬管道無(wú)損檢測(cè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[3]。太赫茲無(wú)損檢測(cè)近年來(lái)發(fā)展迅速，并取得了大量的研究成果[4]。多數(shù)學(xué)者主要專注于扁平材料中的缺陷檢測(cè)，并獲得了良好的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果[5]；然而，在實(shí)際管道中，管道結(jié)構(gòu)具有給定的曲率，因此會(huì)導(dǎo)致缺陷無(wú)法檢測(cè)。且管道非平面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷是否可以使用現(xiàn)有的太赫茲技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

基于此，本文針對(duì)廣泛應(yīng)用于城市燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)的聚乙烯管道開(kāi)發(fā)了一種缺陷管道的檢測(cè)方法，利用太赫茲TDS 技術(shù)，檢測(cè)聚乙烯管道缺陷。研究結(jié)果可為非金屬管道缺陷檢測(cè)提供理論和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

本研究主要研究聚乙烯管表面的劃傷損傷缺陷以及管道材料內(nèi)部的損傷缺陷。研究了黃管和黑色兩種管道材料，使用的管道試樣為匯達(dá)管業(yè)生產(chǎn)的外徑為315mm、壁厚為30mm 的黃色和黑色聚乙烯管。在制造缺陷時(shí)，考慮了1/4 的周向管段，并使用不同尺寸的鉆頭在管段上的不同位置制造不同尺寸和類型的缺陷。埋藏缺陷和內(nèi)表面缺陷分布在管段的兩個(gè)端面。外表面缺陷分布在管段的中軸線方向上，缺陷沿管段的軸線方向拉長(zhǎng)[6]。

使用垂直鉆頭來(lái)制造兩個(gè)端面的埋藏缺陷和內(nèi)表面缺陷。在制造埋藏缺陷時(shí)，鉆頭的中心位于壁的中間。當(dāng)制造內(nèi)表面缺陷時(shí)，鉆頭的中心位于距管段的內(nèi)表面的鉆頭直徑的1/2 的深度處。鉆頭的直徑用于控制埋藏缺陷和內(nèi)表面缺陷的直徑，鉆頭的深度用于控制缺陷的軸向長(zhǎng)度[7]。通過(guò)垂直于管段外壁鉆孔鉆頭來(lái)制造外表面缺陷。在鉆到所需缺陷深度后，鉆頭可以沿著管段的軸線緩慢移動(dòng)，同時(shí)切割管體的材料，直到移動(dòng)距離達(dá)到所需缺陷長(zhǎng)度。表1 為不同的缺陷類型和尺寸；最小缺陷直徑為2mm[8]。黃色和黑色聚乙烯管道試樣如圖1 所示。且直接在非金屬管道上制作缺陷，最后將樣品切割成小正方形塊，不僅可以保留非金屬管道本身的弧度，還可以減少試樣所占的空間，從而方便運(yùn)輸，為管道現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)的室內(nèi)模擬奠定了基礎(chǔ)[9]。

圖1 聚乙烯管道圖像

表1 缺陷類型和尺寸

2 測(cè)試方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文采用API 公司生產(chǎn)的T-Ray 5000 智能TCU 控制單元和機(jī)械手。T-Ray 5000 智能TCU 控制單元包含一個(gè)激光源，具有超高速光學(xué)延遲掃描以獲得太赫茲波形、顯示數(shù)字太赫茲波形、數(shù)值分析和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸測(cè)試報(bào)告等許多實(shí)用功能。激光源由鎖模鈦藍(lán)寶石制成，脈沖寬度為100fs，平均輸出功率為20mW，檢測(cè)光譜寬度為0.2-2.5THz。采樣間隔為0.1ps。聚焦透鏡直徑為75mm，光斑直徑約為2mm，瑞利長(zhǎng)度為5-50mm（試樣厚度為30mm）。在檢測(cè)過(guò)程中，以1mm 的步長(zhǎng)掃描樣品表面。將檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，并使用自行開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行處理后獲得缺陷圖像[10]。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)T 射線5000 無(wú)法檢測(cè)到黑色PE 管中的缺陷，因此選擇Terakalis 的TK-LAB 作為替代品，該設(shè)備配備平均輸出功率為2mW、頻率范圍為100-600GHz 的光學(xué)設(shè)備。聚焦透鏡直徑為60mm，光斑直徑約為2mm，瑞利長(zhǎng)度為3-40mm。該設(shè)備僅用于檢測(cè)黑色聚乙烯管道試樣。

2.2 缺陷檢測(cè)原理

本文的主要目的是驗(yàn)證太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能否應(yīng)用于聚乙烯（PE）管道工程的缺陷檢測(cè)。因此本文采用測(cè)試設(shè)備的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)太赫茲信號(hào)進(jìn)行處理。

2.2.1 太赫茲成像技術(shù)

利用太赫茲成像技術(shù)，對(duì)被測(cè)物體的反射光譜（幅度、相位等）進(jìn)行處理與分析，獲取待測(cè)物體的太赫茲成像。太赫茲成像系統(tǒng)包括一種圖象處理器及一種掃描控制器。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是一種能夠同時(shí)獲得三維時(shí)空信息的技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，得到了不同樣品的THz 成像結(jié)果。另外，單時(shí)刻太赫茲圖像中所蘊(yùn)含的信息量較?。▋H為單個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的波形信息），往往需采集完整的太赫茲成像數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)缺陷重構(gòu)。目前，太赫茲成像技術(shù)主要是利用太赫茲時(shí)域波形的具體參量或者峰位的延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，樣本重構(gòu)的主要方法有五種：

①飛行時(shí)間成像：利用各象素的時(shí)域延時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)太赫茲進(jìn)行圖像處理。該成像方式可以很好地反映出材料在太赫茲波段的折射率變化。

②時(shí)域最大值、最小值和峰值成像：利用各象素內(nèi)的THz 時(shí)域信號(hào)的極大值、最小值或極大值與最小值之間的差異來(lái)對(duì)其圖像進(jìn)行圖像處理。最大時(shí)間域圖像以太赫茲波的形式來(lái)體現(xiàn)樣品的消光系數(shù)。

③特定頻率振幅（相位）成像：利用各象素內(nèi)某一頻率的THz 頻域信號(hào)的幅值（相位）來(lái)對(duì)其進(jìn)行成像。

④功率譜成像：通過(guò)對(duì)一定頻率范圍內(nèi)每個(gè)像素的太赫茲頻域信號(hào)幅度的平方進(jìn)行積分來(lái)獲得圖像信息。

⑤脈沖寬度成像：通過(guò)對(duì)太赫茲波峰值的脈寬進(jìn)行成像，其成像模式主要體現(xiàn)了被測(cè)物體的散射特征，能夠清楚地顯示出被測(cè)物體的外形。

結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)可以通過(guò)分析結(jié)果中的二維掃描圖像來(lái)進(jìn)行。在太赫茲成像中，對(duì)檢測(cè)區(qū)域中的像素的行和列執(zhí)行二維掃描成像，其中橫軸指示行或列的位置，縱軸指示對(duì)應(yīng)飛行時(shí)間的信號(hào)強(qiáng)度。二維掃描成像可用于定位和分析缺陷，與缺陷對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間可用于分析缺陷的深度方向。此外，可以提取THz 時(shí)域波形中的缺陷特征，并可以根據(jù)這些特征對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行成像分析。

2.2.2 缺陷高度的計(jì)算原理

太赫茲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)在界面上發(fā)生透射和反射，如圖2 所示。假設(shè)試樣是各向同性的，太赫茲波以θi角入射，由于折射率的變化，在空氣-介質(zhì)界面會(huì)產(chǎn)生太赫茲回波Eup。傳輸?shù)奶掌澆ㄔ谌毕莸纳媳砻娣瓷洹＝?jīng)過(guò)時(shí)間差ΔT 后，探測(cè)器連續(xù)檢測(cè)到太赫茲回波Edown。

圖2 太赫茲波的反射原理

缺陷的埋深與太赫茲回波的飛行時(shí)間差之間存在線性關(guān)系。反射的單點(diǎn)厚度提取模型如下：

式中，n 和n0分別為空氣和待測(cè)材料的折射率；Tup和Tdown分別為Eup和Edown的飛行時(shí)間；c 為空氣中的光速。當(dāng)太赫茲波垂直入射時(shí)，單點(diǎn)距離提取模型可簡(jiǎn)化為：

根據(jù)兩個(gè)峰值之間的時(shí)間差，即飛行時(shí)間差，利用峰值提取技術(shù)可以得到太赫茲波在不同材料中的飛行時(shí)間差特征，進(jìn)而計(jì)算出缺陷上表面的埋深。峰值提取技術(shù)是通過(guò)將實(shí)際檢測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)試塊檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，結(jié)合設(shè)定的頻率和振幅閾值，來(lái)識(shí)別檢測(cè)信號(hào)的缺陷特征波形。利用同樣的原理，可以計(jì)算出缺陷下表面的埋深。用缺陷下表面的埋深減去缺陷上表面的埋深，即可計(jì)算出缺陷的高度。

3 結(jié)果與討論

3.1 太赫茲波折射率和吸收率

本節(jié)主要測(cè)量THz 波在不同波長(zhǎng)下所用材料的折射率和吸收系數(shù)，如表2 所示。可以看出，黑色聚乙烯管道的太赫茲吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于黃色聚乙烯管道，主要因?yàn)樘亢诒惶砑拥胶谏垡蚁┕艿乐幸苑乐棺贤饩€老化，并且炭黑吸收了大量的THz 波。

表2 聚乙烯材料對(duì)太赫茲波的折射率和吸收系數(shù)

3.2 黃色聚乙烯管材樣品中的缺陷檢測(cè)

3.2.1 試樣的二維掃描圖像

使用時(shí)域最大值、最小值和峰值成像獲得預(yù)制缺陷的圓形平面圖像，如圖3 所示，其中顏色深度表示由反射波/入射波歸一化的反射波振幅。從圖中可以看出，檢測(cè)到的缺陷有四行三列?？梢钥闯?，第一列表示埋藏缺陷，第二列表示外表面缺陷，第三列表示內(nèi)表面缺陷。缺陷的直徑從第一行到第四行減小。檢測(cè)到的缺陷排名如下：第一排：1-1#、1-2#、1-3#；第二排：2-1#、2-2#、2-3#；第三排：3-1#、3-2#、3-3#；第四排：4-1#、4-2#、4-3#。

圖3 缺陷的環(huán)形二維掃描圖像

3.2.2 壁厚方向缺陷的層析成像

可以使用斷層成像方法獲得缺陷在樣品厚度方向上的位置圖，斷層成像方法是一種將不同厚度的反射信號(hào)疊加在同一掃描線上以顯示不同厚度層的缺陷特性的技術(shù)。事實(shí)上，太赫茲波將在固體和氣體之間的界面產(chǎn)生反射和透射。在實(shí)驗(yàn)中，采用基于反射波振幅特性的反射成像方法。因此，圖像輪廓在某些部分會(huì)更深。成像顏色的深度沒(méi)有實(shí)際意義，但它所反映的位置特征相對(duì)準(zhǔn)確，可以幫助我們識(shí)別和計(jì)算結(jié)構(gòu)的幾何特征。提取第一行中三個(gè)缺陷位置的斷層圖像，如圖4 所示。在圖中，縱坐標(biāo)是掃描時(shí)間，橫坐標(biāo)是軸向掃描位置。在圖中，最上層上較淺的輪廓是反射波在樣品上表面疊加的結(jié)果，而下層上顏色最深的輪廓?jiǎng)t是反射波疊加在樣品下表面的結(jié)果。

圖4 圖3 中第一排缺陷的斷層掃描圖像

從圖4（a）中可以看出，埋藏缺陷產(chǎn)生了陡峭的輪廓，這是反射波在上表面疊加的結(jié)果。該輪廓位于上表面輪廓和下表面輪廓之間；由于波在缺陷的下表面上的漫反射，輪廓不清晰。

圖4（b）為上表面存在缺陷，進(jìn)一步導(dǎo)致上下表面的反射波疊加后，輪廓中出現(xiàn)不連續(xù)的模糊段。主要因?yàn)橥獗砻嫒毕萆系奶掌澆ǖ南卤砻嫔系穆瓷洳▽?dǎo)致接收到的反射波幅度變小，并且圖像不清晰。因此，外表面缺陷的主要特征是內(nèi)外表面上反射波的圖像輪廓中的不連續(xù)模糊段。

圖4（c）為內(nèi)表面缺陷的存在（表面反射波的輪廓是不連續(xù)的模糊段）。同時(shí)，在表面和表面下成像輪廓之間的輪廓，對(duì)內(nèi)表面缺陷的輪廓進(jìn)行反射波成像。且對(duì)內(nèi)表面缺陷的成像特征，對(duì)表面輪廓的成像進(jìn)行離散模糊分割。在內(nèi)表面輪廓和外表面輪廓之間存在成像輪廓。

3.3 缺陷的軸向和環(huán)向尺寸

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)算出缺陷的軸向尺寸（La）和周向尺寸（Lw）。計(jì)算方法如下：缺陷的軸向和周向長(zhǎng)度均為1mm，因此像素大小為1×1mm2。La 和Lw 可以通過(guò)測(cè)量圖3 中缺陷的像素點(diǎn)數(shù)量來(lái)計(jì)算。測(cè)量結(jié)果如表3 所示。與實(shí)際缺陷尺寸相比，最大軸向缺陷尺寸為6mm，而最大周向尺寸為31mm，較最小軸向缺陷尺寸及最小周向尺寸分別增加200%、93.75%，且檢測(cè)誤差小于10%。

表3 缺陷尺寸

4 結(jié)論

本文研究中，在聚乙烯管道中最小尺寸為2mm 的缺陷。利用THz-TDS 成功地檢測(cè)出了黃色聚乙烯管道管內(nèi)部缺陷。同時(shí)，計(jì)算缺陷的周向和軸向尺寸，以及埋藏缺陷的高度。結(jié)果表明，太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可用于檢測(cè)黃色聚乙烯管道中的常見(jiàn)缺陷，檢測(cè)誤差小于10%。