喬英杰 徐宏濤 劉瑞良

(1.哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.上海外高橋造船有限公司， 上海200137)

0 引 言

隨著中國海上油氣資源的不斷開發(fā)，特別是深水油氣資源開發(fā)的推進(jìn)，對海底管線及立管的需求日趨增多。目前，中國石油、天然氣輸送主要依靠鋼制管道，腐蝕問題突出，事故頻發(fā)，造成了巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。油氣輸送柔性管大部分由Technip、Deepflex 等國外公司生產(chǎn)。這種柔性管道具有較好的柔性、抗壓性等，但是其為非黏接結(jié)構(gòu)，長時(shí)間使用易產(chǎn)生層間磨損，導(dǎo)致層間脫離、功能層結(jié)構(gòu)失效，降低管道抗壓、抗疲勞等性能[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的提高和進(jìn)步，材料復(fù)合化已成為現(xiàn)今新材料技術(shù)發(fā)展的主要研究方向之一[2-4]。

其中，玻纖增強(qiáng)柔性管是利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備的一類新型柔性管，使用水深可超過500 m，其以質(zhì)量小、耐疲勞性能好、耐腐蝕、抗降解、易回收、安裝簡單、頂部張力小等特點(diǎn)，已成為柔性管的發(fā)展趨勢[5]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由基體和纖維組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的多相體系，具有不均勻性和多樣性[6]。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備過程中，各種因素的存在，例如工藝質(zhì)量的不確定性和人為忽視的影響，使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在內(nèi)部或表面產(chǎn)生不同類型的缺陷。這些缺陷的擴(kuò)展嚴(yán)重影響構(gòu)件性能，不利于復(fù)合材料構(gòu)件的安全使用。若對復(fù)合材料制件進(jìn)行無損檢測(Nondestructive Testing，NDT)，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部的缺陷和損傷，則可有效地避免經(jīng)濟(jì)損失和重大事故的產(chǎn)生[7]。對復(fù)合材料的NDT研究有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程實(shí)用價(jià)值。

NDT是在物理學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、電子和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來面向工程應(yīng)用的學(xué)科。NDT可評價(jià)構(gòu)件的允許載荷、壽命或剩余壽命，定量掌握強(qiáng)度與缺陷的關(guān)系，以及構(gòu)件在使用過程或制造中產(chǎn)生的缺陷情況及結(jié)構(gòu)不完整情況，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，保證在役構(gòu)件安全運(yùn)行。

1 復(fù)合材料常見缺陷

在復(fù)合材料的制備過程中，受不同因素影響，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部或表面產(chǎn)生不同類型的缺陷，比如孔隙、裂紋、脫黏、分層等；在復(fù)合材料制品的使用過程中，常因應(yīng)力或環(huán)境因素而產(chǎn)生損傷以至破壞，常出現(xiàn)的缺陷有表面損傷、分層及脫膠等[8]。

圖1 復(fù)合材料分層缺陷[9]

1.1 分層

作為復(fù)合材料的常見缺陷，分層一般指復(fù)合材料鋪層間的脫膠或分離[9]，如圖1所示。分層產(chǎn)生的原因包括：在材料設(shè)計(jì)時(shí)樹脂基體、增強(qiáng)纖維、制作模具的熱膨脹系數(shù)不匹配，儲(chǔ)存時(shí)間長；在制備時(shí)含膠量少、固化工藝設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、加壓點(diǎn)不對或混入了尺寸較大的雜質(zhì)；在服役過程中受到?jīng)_擊損傷等[10]。分層缺陷的出現(xiàn)使復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度大幅降低，使用時(shí)將在結(jié)構(gòu)中發(fā)生傳播，最終導(dǎo)致復(fù)合材料失效斷裂[11]。

圖2 復(fù)合材料夾雜、富脂、彎曲、孔洞等缺陷[12]

1.2 孔隙

孔隙通常是在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型過程中形成的缺陷，是普遍存在的微小缺陷，如圖2所示。在制備過程中，由于樹脂的浸潤性差，空氣難以排出，滯留在結(jié)構(gòu)中形成孔隙；樹脂中的輔助溶劑、低分子雜質(zhì)等在一定溫度時(shí)分解產(chǎn)生氣體，在固化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體或成型壓力太低也會(huì)產(chǎn)生孔隙[12]。孔隙缺陷影響復(fù)合材料的吸水率，會(huì)使層間剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和彎曲性能下降。常用孔隙率表示缺陷程度，當(dāng)孔隙率大到一定程度時(shí)，復(fù)合材料性能將明顯下降[13-14]。

1.3 富脂或貧脂

富脂是指在纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中某位置處的樹脂含量超出標(biāo)準(zhǔn)含量值，如圖2所示。與之對應(yīng)，樹脂含量低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)則為貧脂。富脂導(dǎo)致復(fù)合材料的抗沖擊性能和疲勞強(qiáng)度下降[15]。

1.4 夾雜

夾雜是指在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中存在除纖維和樹脂組分外的非金屬或金屬，如圖2所示。夾雜缺陷主要在成形過程中產(chǎn)生，包括預(yù)浸料本身含有夾雜物或在鋪層的過程中人為疏忽帶入蠟紙、顆粒等夾雜物。

1.5 纖維彎曲

由于纖維與樹脂基體間熱膨脹系數(shù)的差異，樹脂在固化收縮時(shí)會(huì)在纖維周圍產(chǎn)生應(yīng)力區(qū)，從而造成纖維彎曲，如圖2所示。熱塑性樹脂基復(fù)合材料較易產(chǎn)生纖維彎曲，如在碳纖維/聚醚醚酮(polyetheretherketone， PEEK)復(fù)合材料制備時(shí)，半結(jié)晶的PEEK在結(jié)晶時(shí)體積會(huì)收縮18%左右，導(dǎo)致纖維彎曲。此外，如果固化速度過快也會(huì)產(chǎn)生纖維彎曲[16]。

2 復(fù)合材料NDT技術(shù)

2.1 5大常規(guī)NDT技術(shù)及其在復(fù)合材料檢測中的應(yīng)用

不同的NDT技術(shù)具有不同的工作原理，如5大常規(guī)NDT技術(shù)。這些NDT技術(shù)在各類復(fù)合材料的檢測中發(fā)揮不同的作用。

(1) 射線檢測

射線檢測是一種利用射線(如X射線)在介質(zhì)中傳播時(shí)其強(qiáng)度的衰減性以及膠片的感光特性來探測缺陷的NDT技術(shù)。其工作原理是：當(dāng)射線穿透材料后，材料中的缺陷會(huì)干擾射線的吸收，使射線透射強(qiáng)度發(fā)生改變，該改變可通過膠片反應(yīng)，曝光后的膠片經(jīng)過一系列處理，便可根據(jù)膠片圖像上的黑度變化反應(yīng)缺陷的種類、大小、數(shù)量等。圖3給出了氧化后的碳/碳復(fù)合材料X射線斷層檢測結(jié)果。由圖3可見，該技術(shù)對復(fù)合材料中的體積型缺陷(夾雜物(特別是金屬夾雜物)、纖維斷裂、孔隙等)檢測效果較好，但是圖像對比度較低，需特殊的圖像處理設(shè)備，同時(shí)存在對分層缺陷檢測不理想的問題[17]。

圖3 氧化后的碳/碳復(fù)合材料X射線斷層檢測圖[17]

(2) 磁粉檢測

磁粉檢測針對可被磁化的材料，在磁化后，會(huì)在其結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域(如孔洞、分層、裂紋等)發(fā)生磁力線畸變，即出現(xiàn)漏磁場。其工作原理是：在材料上撒上磁粉，在漏磁場的影響下，磁粉發(fā)生聚集形成與缺陷形狀相近似的磁痕，通過磁痕特性來反應(yīng)缺陷。該技術(shù)只適用于磁性金屬基復(fù)合材料，由于樹脂基復(fù)合材料難以磁化，因此無法使用[18]。

(3) 滲透檢測

滲透檢測是在樣品表面刷涂含著色劑或熒光染料的滲透液后，去除工件表面多余的滲透液，然后在被檢測材料表面噴灑顯影劑，采用特殊光源照射，將滲入缺陷處的滲透液顯現(xiàn)出來，進(jìn)而檢測缺陷的形狀和位置分布的一種NDT技術(shù)。該檢測技術(shù)可對表面有開口裂紋的復(fù)合材料進(jìn)行簡便、可靠、快速的檢測，但也只對開放性的缺陷檢測效果較好，且在染色過程中，滲透液會(huì)對材料造成一定的污染，目前實(shí)際應(yīng)用較少[19]。

(4) 渦流檢測

渦流檢測是將材料置于交變磁場作用下，在材料上產(chǎn)生密閉的環(huán)狀電力(渦流)，渦流的大小和分布與缺陷的性質(zhì)、位置、大小等有關(guān)并將反作用于原來的交變磁場，從而測量缺陷的特性。渦流檢測對復(fù)合材料的脫黏、分層檢測效果明顯，檢測快速、簡單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但只適用于可導(dǎo)電的復(fù)合材料(如碳/碳復(fù)合材料、碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料)[20]。

(5) 超聲檢測

超聲檢測，即超聲NDT，可檢測復(fù)合材料中的脫黏、內(nèi)部分層、裂紋、夾雜物和纖維斷裂，且可測量材料的厚度及表征材料性能。該方法成本低、速度快，可現(xiàn)場檢測，而且超聲檢測環(huán)境友好，對人體無害。該方法在復(fù)合材料檢測中應(yīng)用廣泛、檢測效果佳。

2.2 新型超聲NDT技術(shù)在復(fù)合材料缺陷檢測中的應(yīng)用

(1) 激光超聲檢測技術(shù)

激光超聲NDT是一種利用激光脈沖在被檢測工件中激發(fā)超聲波，并用激光束探測超聲波的傳播，從而獲取工件缺陷信息的技術(shù)，是一種非接觸、高精度、無損傷的新型超聲檢測技術(shù)。該技術(shù)不僅具有超聲檢測的高精度特點(diǎn)，還具有光學(xué)檢測非接觸的優(yōu)點(diǎn)，具有高檢測靈敏度和高檢測帶寬，具備突出的快速檢測和在線/現(xiàn)場檢測能力，并且可實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件的快速自動(dòng)化檢測。

圖4 復(fù)合材料層合板激光超聲C掃描成像[24]

為滿足航天、航空等尖端科技領(lǐng)域?qū)χ圃熨|(zhì)量控制技術(shù)不斷提高的嚴(yán)苛要求，國外眾多科研機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門大力發(fā)展激光超聲檢測技術(shù)，研制多套激光超聲自動(dòng)化檢測系統(tǒng)，提高了航天、航空飛行器結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量評價(jià)能力，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。如：Laser UT、LUIS等激光超聲檢測系統(tǒng)已用于航天/航空飛行器結(jié)構(gòu)的快速檢測[21-23]；iPLUS激光超聲自動(dòng)化檢測系統(tǒng)可進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速檢測、在線檢測和飛行器結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測[24]，通過研究激光在復(fù)合材料中產(chǎn)生超聲波的時(shí)頻域特征，可得到復(fù)合材料層合板的C掃描圖像[24]，能清晰地檢測分層缺陷，如圖4所示。

圖5 碳纖維復(fù)合材料相敏檢波空氣耦合超聲C掃描成像[27]

(2) 空氣耦合超聲檢測技術(shù)

空氣耦合超聲技術(shù)是在聲阻抗匹配層材料研制的基礎(chǔ)上，采用超高功率發(fā)射接收器和前置放大器，使高功率超聲波發(fā)射到空氣中，穿過待檢測的復(fù)合材料工件，再對接收信號(hào)進(jìn)行成像處理而形成的一種新型超聲NDT技術(shù)[25-27]。該技術(shù)在檢測過程中不使用耦合劑，實(shí)現(xiàn)了非接觸式超聲檢查，適合大型結(jié)構(gòu)的快速檢測和現(xiàn)場檢測，為不宜使用聲耦合劑的特殊材料和結(jié)構(gòu)的NDT提供了有效方法。此外，如果將相敏檢波技術(shù)與空氣耦合超聲技術(shù)結(jié)合，可進(jìn)一步提高空氣耦合檢測系統(tǒng)的信噪比和成像質(zhì)量，提高復(fù)合材料的檢測精度。圖5為對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行C掃描檢測的結(jié)果[21]，圖6和圖7為預(yù)埋缺陷的紙蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試樣的空氣耦合檢測圖和空氣耦合超聲C掃描圖像，復(fù)合材料的缺陷特征可清晰地表征出來。因此，該技術(shù)為蜂窩夾芯復(fù)合材料脫黏缺陷的無損檢測提供了切實(shí)有效的手段。

圖6 蜂窩夾芯復(fù)合材料試樣空氣耦合檢測圖[27]

圖7 蜂窩夾芯復(fù)合材料試樣空氣耦合 超聲C掃描圖像[27]

圖8 Olympus 公司最新一代Omni Scan MX2 便攜式超聲相控陣檢測設(shè)備

(3) 超聲相控陣檢測技術(shù)

超聲相控陣檢測技術(shù)以圖像的形式，將缺陷的位置、大小和數(shù)量進(jìn)行明確顯示，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料缺陷的定位、定量、定性和定級，在具有復(fù)雜型面的復(fù)合材料構(gòu)件和某些特殊部位的高精度檢測中具有巨大的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。圖8為Olympus公司研制的新型超聲相控陣檢測設(shè)備[32]。

圖9 相控陣超聲檢測系統(tǒng)焊縫檢測圖[34]

美國的NDT Solutions公司研制的高速超聲相控陣檢測系統(tǒng)具有Flaw Inspecta 64通道，借助吸盤連接，可對飛機(jī)機(jī)翼底部復(fù)合材料進(jìn)行NDT。在中國，鮑曉宇等[33]研制16通道的相控陣超聲檢測試驗(yàn)系統(tǒng)，檢測結(jié)果表明該相控發(fā)射電路能達(dá)到較高的相控發(fā)射精度。加拿大R/D-TECH及英國的Technology Design等公司已研制生產(chǎn)出工業(yè)使用的相控陣超聲換能器及相控陣檢測系統(tǒng)。美國GE公司研制的便攜式相控陣探傷儀Phacor XS的超聲束覆蓋范圍遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)超聲探頭，檢測效果如圖9所示，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊縫的檢測，不會(huì)產(chǎn)生漏檢問題[34]。中國的多普樂公司自主研制Phascan 系列相控陣超聲檢測儀，支持32/128通道，成像效果超過國外同類型產(chǎn)品。

(4) 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

超聲導(dǎo)波(即制導(dǎo)波)是由超聲在空間有限的介質(zhì)內(nèi)多次往復(fù)反射并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的疊加干涉以及幾何彌散形成的。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)是一種利用低頻扭曲波或縱波進(jìn)行NDT的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)管路或管道的長距離檢測以及地下埋管在不開挖狀態(tài)下的長距離檢測。相對于傳統(tǒng)超聲檢測，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的快速、全面檢測，以確保復(fù)合材料構(gòu)件的安全服役[35-36]。

在超聲導(dǎo)波NDT方面，WANG等[37]采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對AS4/3502石墨/樹脂復(fù)合材料板進(jìn)行研究，模擬得到三維彈性模型，計(jì)算得到Lamb波的頻散方程，方程計(jì)算得到的理論群速度與實(shí)測得到的群速度值吻合良好。ROTH等[38]分別使用C掃描、熱成像和超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)對陶瓷復(fù)合材料的分層缺陷進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)超聲導(dǎo)波成像清晰，可明顯辨別分層缺陷的位置、大小。邱雷等[39]為了對復(fù)合材料進(jìn)行多損傷檢測，將基于Shannon復(fù)數(shù)小波的時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦方法與超聲導(dǎo)波技術(shù)結(jié)合，取得了良好的效果。WANG等[40]提出一種基于Shannon熵的超聲導(dǎo)波損傷識(shí)別成像方法，實(shí)現(xiàn)了在帶加強(qiáng)筋碳纖維復(fù)合材料層合板中缺陷的定位。

3 復(fù)合材料超聲無損檢測發(fā)展趨勢

新技術(shù)和新材料的不斷發(fā)展為現(xiàn)有的無損檢測技術(shù)帶來了新的血液和發(fā)展動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)的改造和提升，提高現(xiàn)有技術(shù)的檢測精度、可靠性、實(shí)用性，并且擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。復(fù)合材料超聲無損檢測技術(shù)發(fā)展趨勢如下：

(1) 數(shù)字化、圖像化和智能化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等的發(fā)展進(jìn)步，無損檢測技術(shù)和儀器已呈現(xiàn)出數(shù)字化、圖像化和智能化的發(fā)展趨勢。其中，聲發(fā)射、超聲導(dǎo)波等技術(shù)利用專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，可研制出高智能化的無損檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別。

(2) 在線監(jiān)測和自動(dòng)化。新型無損檢測對傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用范圍的要求不斷提高，除了需探測缺陷有無外，還需明確缺陷的位置、類型、尺寸，以及需對缺陷進(jìn)行成像，甚至需對缺陷進(jìn)行自動(dòng)化測試，如超聲波自動(dòng)化測厚和探傷用于航空復(fù)合材料的檢測，避免了傳統(tǒng)手工探傷存在的不足。

(3) 功能擴(kuò)展化。新型無損檢測需突破傳統(tǒng)功能范圍，進(jìn)而在更寬廣的領(lǐng)域得到應(yīng)用，如新型超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件殘余應(yīng)力的檢測和力學(xué)性能定量表征。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。無損檢測行業(yè)需不斷加強(qiáng)無損檢測技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和人才培養(yǎng)的規(guī)范化。一些新的無損檢測技術(shù)尚處在發(fā)展和成熟階段，特別是在應(yīng)用過程中還需很多技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，因此亟需制定相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，如將超聲相控陣無損檢測技術(shù)用于聚乙烯管道檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定等。