周海鵬，韓贊東，王維斌，康葉偉

（1.清華大學 機械工程系，北京 100084；2.中國石油管道科技研究中心，廊坊 065000）

在管道防腐作業(yè)中，管道補口的防腐層一般采用底漆－熱熔膠－聚乙烯三層結構，其中聚乙烯層通常與熱熔膠復合在一起，稱為熱收縮帶；底漆一般由熱收縮帶廠家配套提供［1］。相對于機械涂敷的主體管道防腐層，目前管道補口的熱收縮帶防腐作業(yè)均是在現場手工操作完成的，產品性能及質量受現場作業(yè)條件、操作人員操作技能影響較大，因此防腐層補口已成為管道建設質量控制中較薄弱的環(huán)節(jié)［2］。

剝離強度是衡量補口粘接質量的關鍵指標。一般的合格標準是：管體溫度為25±5℃時，剝離強度應不小于50N／cm。目前普遍使用破壞性的剝離強度檢測方法，將防腐層劃開后使用測力計勻速拉起，以測力計讀數作為剝離強度。這種方法操作復雜，且無法全面評估補口質量。超聲檢測具有無損傷、效率高、操作方便等特點，如果應用在熱收縮帶的剝離強度檢驗中，將大大提高管道補口粘接質量的檢測效率，進而提高管道補口現場作業(yè)的生產效率和產品質量。

國內外針對類似粘接結構（鋼和多層橡膠粘接）的超聲檢測研究比較廣泛：高志奇［3］使用小波變換提取信號的高頻和低頻特征，并結合模糊模式識別算法實現了鋼和橡膠粘接質量的有效評價；San Emeterio J L等人［4］分析了鋼和兩層橡膠形成的兩個粘接界面上脫粘缺陷的時域及頻域特征；張建生、李明軒先后運用人工神經網絡［5］、小波變換［6］、同態(tài)解卷積［7］等信號處理方法對鋼層與三層橡膠層構成的粘接結構進行研究，在不同程度上實現了粘接缺陷的特征識別與檢測。

以上方法雖然在不同程度上實現了鋼與橡膠粘接質量的超聲檢測，但對于管道補口粘接質量的評價針對性不強。筆者分析了管道補口的水浸式超聲檢測信號，并在理論分析的基礎上選取合適的參數對檢測信號進行計算，得到了可以用于管道補口粘接質量評價的超聲檢測方法及信號處理方法。

1 超聲檢測理論模型分析

使用水浸式脈沖回波法對管道補口進行檢測的理論模型如圖1所示。其中，檢測所使用的管道補口試樣由防腐層、膠層及管道層三層材料組成。水浸探頭發(fā)出的信號Tw0在水中傳播一定距離后到達試樣表面，產生表面回波Rw0和透射波Tw1；Tw1在到達防腐層和膠層的粘接面1（膠層上界面）以及膠層和管道層的粘接面2（膠層下界面）時，會形成回波信號Rw1和Rw2。此外，信號在管道層中還會發(fā)生多次反射，形成強度較弱的多次底面回波信號Rw31，Rw32等，此處不對這部分信號進行分析。

圖1 水浸式脈沖回波法檢測理論模型

將超聲波在表面及粘接面1，2處的反射系數分別記為γ0，γ1和γ2，水、防腐層、膠層和管道層的聲阻抗分別記為Z0，Z1，Z2和Z3。根據超聲波的反射公式［8］，可以得到膠層上下界面回波Rw1，Rw2的聲壓與入射信號Tw0的聲壓有如下關系：

式中：Px為超聲波的聲壓，下標x指代對應的透射波或反射波；α1和α2為比例系數，與信號的衰減程度有關。

粘接質量的變化會導致膠層聲阻抗Z2發(fā)生變化，從而引起粘接面回波信號Rw1和Rw2的強度也隨之改變，對這兩個信號進行分析即可得到反映粘接質量的信息。

2 檢測信號分析

使用掃查系統(tǒng)控制水浸探頭，對浸入水槽的管道補口試樣的中心區(qū)域進行掃查檢測，掃查范圍為20mm×400mm，如圖2所示。

圖2 管道補口試樣及檢測范圍

其中，試樣為粘接質量依次下降的Ⅰ～Ⅲ號三組試樣，Ⅲ號試樣標示有明顯的脫粘點。試驗采用中心頻率為5MHz的水浸探頭，其能量較為集中，對試樣的弧形表面較為敏感，得到的檢測信號中間部分信號較強，兩側及焊縫附近信號較弱。這里挑選每組試樣中5個典型實驗點進行信號分析。

三組試樣的典型檢測信號如圖3所示，其中（a）～（c）組信號較為清晰，可以明確分辨出表面回波Rw0、粘接面回波Rw1和Rw2等典型回波；（d）組為不理想信號，單從波形上不易區(qū)分出各典型回波。另外，根據Ⅲ號試樣的回波位置特點可以判斷，膠層上界面發(fā)生脫粘，此時超聲波在防腐層和空氣層的交接界面處發(fā)生反射，由于空氣的聲阻抗約為零，故脫粘界面反射系數約為－1，信號幾乎完全被反射。將此時的脫粘信號記為RwA，如圖3所示。對于RwA，由式（3）可知此時Z′2≈0，故γ′1≈－1；此時式（1）將變?yōu)椋?/p>

粘接面回波信號Rw1及Rw2與粘接質量有關，計算各實驗點信號中Rw1與Rw2（RwA）的最大幅值，如表1所示；表1中還給出了Ⅰ號和Ⅱ號試樣中Rw1和Rw2的時間差ΔT12，這一時間差使用互相關最大的方法算出?？梢钥闯觯S著管道補口粘接質量的下降，超聲檢測信號有以下幾個變化趨勢：① 粘接面1回波Rw1信號減弱，粘接面2回波Rw2信號增強。②Rw1與Rw2時間差減?。ㄒ訰w2前移為主）。③ 脫粘信號只包含一個回波RwA，與Rw1，Rw2相比信號強度顯著增加。

表1 回波最大幅值對比

3 信號處理及參數計算

對于較為理想的信號，可以直接利用Rw1和Rw2（或RwA）的上述變化規(guī)律，通過觀察檢測波形的特征即可基本確定粘接質量的相對好壞。但對于實際檢測中可能出現的不理想信號（如圖3（d）所示），無法明顯區(qū)分出Rw1和Rw2，也不能確定為RwA。本節(jié)將選用更加普適的計算參數，對兩個波形的混合信號進行綜合計算，以實現管道補口粘接質量的全面評價。

首先選擇適當的時間窗口將Rw1和Rw2（或RwA）包含在內，這里取為［t0，t0＋Δt］；其中t0為表面回波的結束時刻，窗口寬度Δt＝3μs，如圖3（a）～（c）中方框所示。分析圖3中的信號波形可以發(fā)現，未脫粘信號中Rw2的信號強度總是大于Rw1，可以認為粘接質量下降時Rw2的增強程度比Rw1的減弱程度更為顯著，因此混合信號的總強度是增強的；另外，脫粘信號RwA的強度明顯大于Rw1和Rw2，此時窗口內混合信號的總強度即為RwA的強度。綜合以上分析可知，粘接質量下降時混合信號總強度增加。取窗口內混合信號總強度E為計算參數，其定義式如下：

式中：x（t）為連續(xù)的波形信號。式（5）的離散化計算式為：

式中：x（k）為離散化取樣之后的波形信號；nt0為時間窗口起始時刻t0對應的序號；Nt為窗口寬度Δt對應的取樣點個數；由于采樣頻率為100MHz，故時間窗口Δt＝3μs對應的點數Nt＝300。

由式（6）定義的E值相當于時間窗口內混合信號的有效幅值，單位為mV。根據式（6）對所有檢測信號進行計算，結果如圖4所示。可以看出，Ⅱ號試樣的計算值比I號試樣更大，且Ⅲ號試樣的脫粘信號特征非常明顯，這與理論分析結果一致。對Ⅲ號試樣的計算結果進行實物對比后可以看出，計算結果與實際情況吻合得很好。

圖4 混合信號總強度E計算結果及實物對比

筆者還對檢測信號進行了頻譜分析。對窗口內的Rw1和Rw2混合信號進行快速傅里葉變換（FFT），其頻譜如圖5所示。頻譜信號由Rw1和Rw2兩個頻率基本相同、幅度有一定差異的信號疊加而成，由文獻［8］中的分析可知，疊加后的頻譜與單一信號的頻譜的包絡線形狀相同，其極大值和極小值與兩個信號的時間延時Δt及幅值比有關。

頻譜中的幅值強度與波形信號強度成正比，類似波形信號中的E值，頻譜信號中混合信號的強度也可以作為評價粘接質量的參數。以fc＝5MHz為中心頻率，選取頻率窗口為［fc－0.5Δf，fc＋0.5Δf］，其中窗口寬度Δf＝8MHz。這樣選取的頻率窗口可以有效去除低頻及直流干擾信號的影響，同時能夠包含信號的絕大部分頻譜，如圖5所示。

取以上頻率窗口內的混合信號頻譜強度F為計算參數，其定義式如下：

式中：X（f）為連續(xù)的頻譜信號。式（7）的離散化計

圖5 混合信號頻譜圖

算式為：

式中：X（k）為離散化取樣之后的波形信號；nfc為中心頻率對應的序號，Nf為窗口寬度Δf對應的取樣點個數；這里FFT的計算點數為4 096，對應采樣頻率100MHz，故fc＝5MHz對應的序號為nfc≈205（圓整為整數），Δf＝8MHz對應的點數為Nf≈328（圓整為偶數）。

由式（8）定義的F值相當于頻率窗口內混合信號的有效幅值，與E值量級相當，單位為mV。根據式（8）對所有檢測信號進行計算，結果如圖6所示?？梢钥闯?，F值與E值的計算結果基本一致，Ⅲ號試樣的實物對比結果也較為匹配，計算結果與實際情況吻合得很好。

圖6 混合信號頻譜響度F計算結果及實物對比

4 結論

（1）管道補口超聲檢測信號中，膠層上下界面的回波包含了與粘接質量有關的信息，其信號強度的變化趨勢與粘接質量有較強的相關關系。

（2）隨著粘接質量的下降，膠層上界面回波信號減弱，下界面回波信號增強，兩者的時間差減??；脫粘信號中表面回波之后只有一個回波，且強度顯著增大；以上特點適用于較為理想的檢測波形，可實現粘接質量的直接估計。

（3）使用混合信號總強度E及頻譜強度F兩個計算參數，可實現對絕大部分檢測信號的定量分析，理論上可實現對管道補口剝離強度的定量計算，但需要種類和數量足夠多的管道補口試樣來確定計算參數與剝離強度之間的定量關系。

［1］ 李愛貴，韓文禮，張其濱.三層結構熱收縮帶補口存在的主要問題及應對措施探討［J］.全面腐蝕控制，2011，25（8）：37－40.

［2］ 羅鋒，王國麗，竇鵬，等.管道熱收縮帶補口失效原因分析及相關對策研究［J］.石油規(guī)劃設計，2012，23（1）：11－15.

［3］ 高志奇.復合材料粘接質量評價方法研究［J］.內蒙古工業(yè)大學學報（自然科學版），2012，31（3）：32－36.

［4］ SAN EMETERIO J L，RAMOS A，PARDO E，et al.Ultrasonic pulse propagation in a bonded three－layered structure［J］.Acoustics，2008，94（9）：4639－4644.

［5］ 張建生，李明軒.多層粘接結構中脫粘界面的人工神經網絡余弦變換譜特征識別［J］.聲學學報，2001，26（4）：349－354.

［6］ 張建生，李明軒.脫粘界面超聲檢測信號的小波多分辨率分析與重構［J］.聲學學報，2001，26（3）：231－238.

［7］ 張建生，李明軒.層狀粘接結構超聲檢測信號的同態(tài)解卷積脫粘界面定征［J］.應用聲學，2001，20（1）：23－29.

［8］ 林莉，李喜孟.超聲波頻譜分析技術及其應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：43－47.