李茂東　林曉輝 楊波 洪曉斌

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內襯防腐管道分層缺陷評估技術研究*

李茂東1林曉輝2楊波1洪曉斌2

（1.廣州特種承壓設備檢測研究院 2.華南理工大學機械與汽車工程學院）

內襯防腐管道大量應用于石油化工行業(yè)，由于復雜的工作環(huán)境，管道中可能產生分層缺陷，使金屬層得不到保護，容易導致安全事故的發(fā)生。常規(guī)的檢測方法難以實現(xiàn)對分層缺陷損傷程度的評估檢測?；诜蔷€性超聲理論，通過搭建實驗平臺，采用PZT應變片作為發(fā)射和接收傳感器，研究單一諧波激勵下利用非線性諧波分量表征內襯防腐管道分層缺陷的方法。實驗結果表明：基于小波能量法的二次諧波系數隨著缺陷寬度的加大而大致呈單調減小的趨勢，利用這個趨勢可以評估內襯防腐管道的分層缺陷損傷程度。

內襯防腐管道；分層缺陷；非線性超聲；小波能量值

0　引言

管道元件是石油化工產業(yè)中最重要的設備之一，目前在石油化工行業(yè)中仍然以使用防腐壓力管道元件為主。壓力管道所處外部環(huán)境惡劣，容易使防腐層產生腐蝕甚至引發(fā)泄漏事故，造成嚴重經濟損失。對于內襯防腐壓力管道元件，因內襯工藝不完善以及長期處于流體、腐蝕、多種化學物質混合等環(huán)境，內襯防腐壓力管道元件較外防腐壓力管道元件的腐蝕損傷情況更為復雜與嚴重，大部分管道的穿孔泄漏事故是因內襯防腐層發(fā)生分層損傷，進而發(fā)展至破裂使得金屬失去保護而導致的。

目前對防腐層的研究主要集中于外防腐層，有較成熟的檢測方法與儀器，然而外防腐層的檢測方法大部分并不適用于內防腐蝕材料。內襯防腐管道的界面缺陷主要表現(xiàn)為分層、氣孔、縮孔和裂紋等。目前對防腐層界面損傷的研究主要有漏磁檢測方法、渦流檢測法、聲發(fā)射法、超聲脈沖回波法和超聲導波法等。Jun J等使用掃描式的漏磁探頭結合霍爾傳感器陣列來檢測復合材料中的裂紋情況，并對其檢測能力進行討論[1]。Yang HC等通過使用脈沖渦流檢測技術實現(xiàn)對金屬涂層的厚度檢測，同時討論了脈沖渦流檢測與金屬覆蓋層的相互作用[2]。阿根廷圣馬丁國家大學的Piotrkowski R等將小波變換引入聲發(fā)射技術，檢測帶有鉻氮化物和鈦氮化物的鋼樣本，探索研究了涂層接合的失效機制[3]。日本慶應義塾大學的Suga Y等利用超聲波方法研究了噴敷層的脫粘現(xiàn)象，并探索了影響超聲波檢測效果的相關因素[4]。韓國先進科技學院的Sohn H等探索使用非接觸超聲導波檢測多層復合材料中隱藏的脫層現(xiàn)象的可行性[5]。

漏磁檢測、渦流檢測等常規(guī)的無損檢測手段因需要鐵磁體或導電體才能發(fā)揮作用，不適用于對內襯防腐管道界面損傷的檢測。紅外熱波等檢測方法因內襯防腐層較厚，需要激勵源功率較大，且難以在管道中操作，也不適用于對內襯防腐管道界面損傷的檢測。聲發(fā)射法只能在損傷發(fā)生時接收應力波信號，對于未知損傷與否的內襯防腐管道的檢測效果有限；而超聲回波法存在點對點檢測的局限性，同時在多層結構中超聲波的折射和反射較為復雜，難以提取出有效的回波信號，因此這2種傳統(tǒng)的超聲方法均不適用于對內襯防腐管道界面損傷的檢測。近年來的研究表明，表面涂層的損傷及涂層與基體材料間的界面粘接狀況與超聲信號的非線性效應密切相關[6]。本文基于非線性超聲理論，搭建內襯防腐管道分層缺陷檢測實驗平臺，通過提取非線性損傷分量，尋找能夠表征分層缺陷損傷程度的特征量，實現(xiàn)對內襯防腐管道分層缺陷損傷程度的評估。

1　內襯防腐管道分層缺陷檢測原理

1.1　內襯防腐層管道中的非線性超聲調制現(xiàn)象及非線性系數

內襯防腐管道由金屬層和非金屬層組成，屬于固-固復合材料。固體材料具有體彈性和切變彈性，在外力作用下會同時產生體形變和切向形變?？紤]外力作用下的位移-應變公式和位移-應力公式，忽略物理強度的影響[7]，可得到三維情況下，內襯防腐管道中的聲波動方程

在單一頻率信號的激勵下，方程(1)的解根據微擾動近似理論[8]可以假設為

1.2　內襯防腐管道分層損傷非線性分量評估

其中，是頻率范圍；指總的采集數據；定義第個經過分解的能量信號可以表示為

將第個能量向量定義為

基于上面公式推導，定義第個能量向量的小波能量值為

基于小波包變化的小波能量值對信號進行處理分析，從能量角度衡量接收信號對于分層缺陷的反映，而定義基于小波能量值的非線性諧波系數，可更好地與非線性理論結合，來評價分層缺陷。

2　內襯防腐管道分層缺陷評估實驗

2.1　實驗平臺

基于單一諧波激勵下的非線性超聲理論，搭建內襯防腐管道分層缺陷評估實驗平臺如圖1所示。

圖1　內襯防腐管道分層缺陷評估實驗平臺

實驗平臺由波形生成軟件、波形發(fā)生器、放大器和采集軟件組成。采集卡使用PCI-20614數據采集卡并集成于上位機中，波形生成軟件和采集軟件在上位機中控制操作。實驗操作時，首先利用信號生成軟件生成單一頻率的激勵信號，信號經過放大器放大后通過發(fā)射傳感器在內襯防腐管道中激勵出超聲波；然后在管道上的另一端用接收傳感器接收傳播了一段距離的超聲波；最后用采集卡將超聲波信號采集后送到上位機進行處理。實驗原理圖如圖2所示。

圖2　分層缺陷檢測實驗原理圖

實驗中，發(fā)射傳感器和接收傳感器都選擇6 mm× 6 mm×1 mm的厚度型PZT應變片，并將應變片通過環(huán)氧樹脂固定在內襯防腐管道外表面平行與軸線的同一直線上。發(fā)射傳感器和接收傳感器之間距離為100 mm，實驗使用的內襯防腐管道如圖3所示。

分層缺陷保持周向長度為50 mm，寬度的增加代表分層缺陷損傷程度的增加，缺陷位于發(fā)射傳感器與接收傳感器中間的位置，不同寬度的缺陷如表1所示。

表1　不同缺陷狀態(tài)對應的缺陷長度

圖3　實驗用內襯防腐管道側視圖

2.2　分層缺陷評估實驗

在激發(fā)激勵信號前，需選擇合適的信號頻率。首先進行掃頻實驗，通過發(fā)射傳感器激勵0 Hz~500 kHz的掃頻信號，得到信號的頻譜圖如4所示。

圖4　內襯防腐管道掃頻信號頻譜圖

由圖4可知，激勵信號在100 kHz、200 kHz附近響應較好。為最大化激發(fā)的信號以及接收到的相應諧波分量，應盡量使基波頻率、二次諧波頻率落在響應較好的范圍內。為此，本文選擇100 kHz的正弦信號作為發(fā)射信號，二次諧波分量對應的頻率為200 kHz。

通過在不同缺陷狀態(tài)下的內襯防腐管道中激勵單一頻率正弦信號，在接收傳感器中采集信號進行分析。首先對接收信號進行去除工頻的陷波處理，將其通過中心頻率分別為基波頻率、二次諧波頻率的帶通濾波器；再分別對濾波后的信號進行小波包變換，依據式(8)~式(11)，計算出基波和二次諧波小波能量值，分別如圖5和圖6所示。

圖5　基波小波能量值

從圖5和圖6中可以發(fā)現(xiàn)：基波的小波能量值在一定的波動范圍內波動，這是因每次發(fā)射激勵信號時儀器設備誤差導致的；二次諧波能量值大致呈隨缺陷寬度增加而減小的規(guī)律。結合非線性超聲理論，通過式(12)，計算基于小波能量值的二次諧波非線性系數，如圖7所示，可見隨著缺陷寬度的增加，基于小波能量值的二次諧波系數呈下降趨勢，從而利用基于小波能量值的二次諧波系數可對分層缺陷進行有效評估。

圖7　基于小波能量值的二次諧波系數

3　結論

本文基于非線性超聲理論，搭建實驗平臺，研究了單一諧波激勵下利用非線性諧波分量表征內襯防腐管道分層缺陷的方法。首先根據管道對不同頻率信號的響應頻譜圖，選擇二次諧波有較好響應的100 kHz正弦信號作為激勵信號；接著對接收到的信號，進行傅里葉變換得到其頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)二次諧波的存在；最后基于非線性理論計算二次諧波系數，發(fā)現(xiàn)二次諧波系數隨著缺陷寬度的增大而減小規(guī)律。該規(guī)律對分層缺陷檢測的進一步研究奠定了基礎。

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Research on Evaluation Technology of Layer Defect of Inner Anticorrosion Pipes

Li Maodong1Lin Xiaohui2Yang Bo1Hong Xiaobin2

(1. Guangzhou Research Institute of Special Pressure Equipment Testing 2. School of Mechanical Engineering, South China University of Technology)

Inner anticorrosion pipes are widely used in oil and chemical industry. Layer defect may occur due to the complicated working environment, which may prevent the plastic layer from protecting the outer steel pipe and cause safety accidents. Common detecting methods are incapable to assess the damage of layer defect. Based on nonlinear ultrasonic theory, this paper investigated the method of evaluate the layer defect by using the nonlinear harmonic wave caused by single frequency sinewave. By building up the experimental platform, experiments utilizing the nonlinear characteristics have been carried out. Results shows that the second harmonic index decreases as the damage width increase, which can be utilized to evaluate the layer defect of the inner anticorrosion pipes.

Inner Anticorrosion Pipes; Layer Defect; Nonlinear Ultrasonic; Wavelet Energy

李茂東，男，1972年生，教授級高級工程師，主要研究方向：承壓類特種設備安全檢測。E-mail: 2453962572@qq.com

廣東省質量技術監(jiān)督局科技項目(2016CT15)；廣州市科技計劃項目(201607010171)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項 (x2jqD2173610)。