王東營 車 飛 王彥軍 朱麗麗 沈 珂 王一帆

（1. 國家管網(wǎng)集團北京管道有限公司，北京 100101；2. 北京西管安通檢測技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100012）

0 引言

油氣管道運輸是我國五大運輸產(chǎn)業(yè)之一，對我國國民經(jīng)濟起著非常重要的作用，被譽為國民經(jīng)濟的動脈。對油氣管道的運營者來說，油氣管道運行管理的核心是“安全和經(jīng)濟”，管道的外防腐層是管道抵御外部腐蝕的第一道防線，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量直接關(guān)系到油氣輸送的安全性、可靠性及輸送管道的使用壽命，但外防腐層經(jīng)常出現(xiàn)與管體粘接不良的失效狀態(tài)[1]，尤其位于管道焊縫處的外防腐層結(jié)構(gòu)，是整條管道防腐最薄弱的環(huán)節(jié)，制約著管道防腐的完整性。近年來，在役管道的開挖檢測中發(fā)現(xiàn)了諸多防腐層結(jié)構(gòu)失效引起的管體腐蝕。

國內(nèi)針對管道外防腐層的檢驗方式主要有目視，電火花檢漏及剝離強度檢測。目視只能從宏觀上了解外防腐層的外表面情況；電火花檢漏也只限于檢測針孔及砂眼等制造缺陷；而剝離強度的檢測方法更是存在很大局限性，一方面檢測面積過小，不具有代表性；另一方面，剝離強度檢測屬于破壞性檢測，經(jīng)過檢測的區(qū)域防腐層遭到破壞，即使剝離強度檢測合格也需對補口結(jié)構(gòu)重新進行防腐施工，造成人力物力的浪費。

外防腐層屬于非金屬材料，也稱為介電材料，即不導(dǎo)電的材料，微波對這類材料有著非常好的穿透能力。根據(jù)介電材料及結(jié)構(gòu)對微波的反射波幅度、相位以及偏振態(tài)可獲得材料的多種信息：內(nèi)部缺陷、界面粘接力、材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)等[2]?；谖⒉ǖ拇隧椞攸c開發(fā)的微波無損檢測技術(shù)，在很多領(lǐng)域的非金屬及其復(fù)合材料檢測方面已獲得廣泛的認可與應(yīng)用。本文利用微波檢測對防腐層人工試件進行檢測，通過實際缺陷與經(jīng)微波檢測獲取的缺陷圖像進行比對，研究微波檢測技術(shù)在實驗室的適用性；此外，還利用微波檢測在施工現(xiàn)場對焊縫外防腐層（補口結(jié)構(gòu)）進行檢測，研究微波檢測技術(shù)在施工現(xiàn)場的適用性。

1 微波無損檢測原理

微波是電磁波，其頻率為300MHz～300GHz，波長為厘米級，微波無損檢測的原理基于微波與介電材料之間的相互作用。使用微波檢測介電材料的頻率范圍為5～50GHz，在該微波頻率下，材料存在缺陷或是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生異常會引起該處材料的介電性能發(fā)生變化，借助分析軟件可以將這種介電差異轉(zhuǎn)換為可以讀取的電壓值，再經(jīng)過一定的算法可以還原成材料內(nèi)部缺陷及結(jié)構(gòu)的圖像。微波檢測裝置原理圖如圖1所示，能量發(fā)射裝置內(nèi)的微波發(fā)射器在某特定頻率范圍內(nèi)發(fā)射選定頻率的微波信號，使微波在待測介電材料中傳播，材料結(jié)構(gòu)的變化或內(nèi)部缺陷，會體現(xiàn)不同的介電特性。這些細微的差異會引起微波反射波幅值和相位的變化，測量單元內(nèi)的接收傳感器能識別和采集到反射波的性能參量并進行實時分析計算，最終顯示介電材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷形貌的實時圖像[3]。

圖1 微波檢測裝置原理圖

微波能夠有效地穿透介電材料，當材料中存在任何微小不連續(xù)都會導(dǎo)致該處材料介電性能的變化，而微波對介電性能的變化非常敏感，因此微波對介電材料中任何微小的缺陷都有非常高的檢測靈敏度。本文將以金屬管道外防腐層為研究對象，利用微波檢測可以穿透3PE結(jié)構(gòu)的特點，研究微波檢測防腐層與管道粘接異常、防腐層結(jié)構(gòu)的適用性。

2 防腐層內(nèi)部人工缺陷的微波檢測

2.1 試樣制作

人工制作了內(nèi)部含有“脫粘”缺陷的3PE防腐試樣管。設(shè)計了3個大小不同的“脫粘”缺陷，使用在金屬管底漆上涂抹潤滑膏的方法來模擬脫粘缺陷。底漆與外防腐層內(nèi)部的熱熔膠加熱后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并形成良好的界面粘接力，潤滑膏涂抹于底漆上會起到隔離作用而局部阻礙底漆與熱熔膠“接觸”，形成局部粘接不良的“脫粘”缺陷。人工“脫粘”缺陷尺寸信息如表1所示。

表1 人工“脫粘”缺陷尺寸信息表

首先對金屬管進行拋光處理，如圖2（a）所示，之后涂抹底漆，如圖2（b）所示，在底漆的特定區(qū)域，按照設(shè)計的“脫粘”缺陷尺寸涂抹潤滑膏，如圖2（c）所示，之后進行外防腐。模擬制作了3組同大小的“脫粘”缺陷，制作過程照片如圖2所示。

圖2 缺陷試樣制作過程照片

2.2 微波檢測結(jié)果

使用商用微波檢測設(shè)備，對完成外防腐后，帶有缺陷試樣的防腐管進行微波檢測，微波檢測結(jié)果如圖3（a）所示，圖中黑色部分為粘接合格的位置，3處白色區(qū)域為預(yù)制的人工“脫粘”缺陷，圖3（b）中為內(nèi)部人工缺陷實物照片圖，通過對比可以確定，微波檢測結(jié)果很好地展示了預(yù)制的三個不同“脫粘”缺陷，由于制作工藝，微波檢測圖像結(jié)果呈現(xiàn)的脫粘缺陷影像產(chǎn)生了輕度的變形，由“方形”變成“紡錘形”，這是由于缺陷材質(zhì)是膏脂狀物質(zhì)，在外防腐層的覆蓋壓力以及碾壓推平的工藝過程中會產(chǎn)生輕微的變形與放大。從以上實驗結(jié)果可以確定，微波能夠很好地穿透防腐層，對防腐層內(nèi)部材料的異常而導(dǎo)致的材料介電性能變化非常敏感，并且對防腐層內(nèi)部脫粘缺陷的最小可識別尺寸達到10mm。

圖3 微波檢測結(jié)果圖與實際缺陷制造圖

3 鋼制管道焊縫外防腐層的微波檢測應(yīng)用

相對于實驗室標準的環(huán)境條件，施工現(xiàn)場的環(huán)境條件更為復(fù)雜，干擾因素較多[4]，為了驗證微波檢測技術(shù)在環(huán)境條件復(fù)雜的施工現(xiàn)場應(yīng)用情況，本文在北京某輸油管道新建工程現(xiàn)場選取了兩處管道焊縫位置外防腐層，即補口區(qū)域進行了檢測與驗證。受檢管道外徑273mm，微波現(xiàn)場檢測照片如圖4所示，圖4（a）為受檢管道焊縫外防腐層及微波檢測設(shè)備照片，圖4（b）為檢測過程照片。

圖4 微波現(xiàn)場檢測照片

對受檢管道兩個焊縫位置外防腐層進行了全周向檢測，微波檢測結(jié)果如圖5所示。圖5（a）中1#焊縫的微波檢測結(jié)果中X軸表示該受檢區(qū)域管道的周向檢測長度，約820mm，Y軸表示該受檢區(qū)域管道的軸向檢測長度，約140mm，整個檢測面積約0.115m2。從微波檢測結(jié)果圖5a中可以清晰地看到位于圖像中央的管道焊縫，焊縫兩側(cè)圖像呈現(xiàn)均勻的黑色，表明粘接力整體良好，但是該條焊縫上側(cè)邊緣坐標位于X=300mm，Y=80mm的位置圖像呈現(xiàn)明顯的亮白色，表示該處焊縫邊緣粘接力較弱。焊縫下側(cè)坐標位于X=560mm，Y=10mm的位置可以清晰地看到一處圓形異物，為金屬表面殘留的焊渣；

圖5 新建管道焊縫外防腐層微波檢測結(jié)果圖

圖5（a）中2#焊縫的微波檢測結(jié)果中X軸表示該受檢區(qū)域管道的周向檢測長度，約780mm，Y軸表示該受檢區(qū)域管道的軸向檢測長度，約140mm，整個檢測面積約0.11m2。從微波檢測結(jié)果圖5（b）中可以清晰地看到位于圖像中央的管道焊縫，焊縫兩側(cè)圖像呈現(xiàn)均勻的黑色，表明粘接力整體良好，但是該條焊縫下側(cè)邊緣坐標位于X=400mm，Y=70mm至X=650mm，Y=70mm的位置圖像呈現(xiàn)明顯的亮白色，表示該處焊縫邊緣粘接力較弱。焊縫下側(cè)坐標位于X=350mm，Y=110mm的位置可以清晰地看到一處圓形異物，為金屬表面殘留的焊渣。

4 結(jié)語

微波技術(shù)能夠很好地穿透防腐層等非金屬材料，由于微波對非金屬材料介電性能變化的敏感性，可以檢測非金屬材料內(nèi)部的缺陷及結(jié)構(gòu)異常，根據(jù)微波這一特性，本文使用微波檢測法對模擬制作的防腐層內(nèi)部“脫粘”缺陷進行了檢測與驗證，微波檢測結(jié)果很好地表征了防腐層內(nèi)部實際缺陷，對實際管道焊縫外防腐層進行了微波檢測，進一步驗證了微波檢測技術(shù)對防腐層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可檢測性。檢測結(jié)果有一定的參考意義，該技術(shù)可以作為管道防腐層的無損檢測方法和施工質(zhì)量管理的輔助手段。