回沛林，李 勇，王若男，方 陽(yáng)，陳振茂

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.福建技術(shù)師范學(xué)院 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福清 350300)

聚乙烯(PE)管由PE樹(shù)脂制成，具有連接可靠、抗沖擊、抗開(kāi)裂、耐腐蝕、耐磨、耐老化、內(nèi)壁光滑且搬運(yùn)方便等特性，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于地下油氣輸送、給排水等工程領(lǐng)域。然而，在服役過(guò)程中，地震作用、巖土疏松等因素會(huì)造成埋地PE管線外部土壤產(chǎn)生空穴，該空穴是導(dǎo)致管線位置偏移、管體局部應(yīng)力集中、管壁變形等損傷的因素之一，嚴(yán)重危害PE管線的結(jié)構(gòu)完整性。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)PE管線外部土壤空穴并對(duì)其進(jìn)行無(wú)損定量評(píng)估，對(duì)保證PE管線完整性、安全性，防止油、氣、水泄露等安全事故的發(fā)生非常重要。目前針對(duì)埋地管線的主要無(wú)損檢測(cè)方法有渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、紅外檢測(cè)等，但這些方法均不能有效地用于PE管線外部土壤空穴的定量檢測(cè)，其主要原因在于：① 渦流檢測(cè)適用于金屬材料檢測(cè)，而聚乙烯是非金屬材料，故無(wú)法成功實(shí)施檢測(cè)[1]；② 超聲檢測(cè)需要保證良好的接觸和進(jìn)行表面預(yù)處理，無(wú)法由PE管線外部或內(nèi)部對(duì)空穴進(jìn)行定量檢測(cè)[2]；③ 熱輻射場(chǎng)透過(guò)PE管體或巖土層對(duì)空穴進(jìn)行定量檢測(cè)的難度極大[3]。

微波檢測(cè)是利用微波在介電材料中傳播時(shí)，遇到異質(zhì)界面發(fā)生反射、透射和散射的特性而提出的一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)具有檢測(cè)頻譜寬、穿透力強(qiáng)、靈敏度高、非接觸、無(wú)需耦合劑等特點(diǎn)，同時(shí)兼有檢測(cè)速度快、受環(huán)境影響小以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，微波檢測(cè)已漸漸成為無(wú)損檢測(cè)熱門(mén)研究方向之一，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4]。董仁杰[5]為油輪管系及石油儲(chǔ)運(yùn)管道檢測(cè)提供了一種定位缺陷、確定缺陷尺寸、評(píng)價(jià)缺陷等級(jí)于一體的缺陷檢測(cè)與評(píng)級(jí)方法。胡金花等[6]集中研究了基于矩形開(kāi)口波導(dǎo)的GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)塑料)表面缺陷微波檢測(cè)相關(guān)方法。CHEN等[7]研究了管道彎曲對(duì)于微波無(wú)損檢測(cè)性能的影響。BüYüK?ZTüRK等[8-9]提出了一種利用機(jī)載喇叭天線在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)了GFRP包裹混凝土柱的GFRP-混凝土界面脫黏和混凝土開(kāi)裂等損傷的檢測(cè)。譚建國(guó)等[10]研究了CFRP沖擊損傷的毫米波檢測(cè)可視化定量評(píng)估手段。楊玉娥等[11]證明了利用合適尺寸的同軸探頭可以實(shí)現(xiàn)在低頻率段對(duì)熱障涂層的微波無(wú)損檢測(cè)。 然而，國(guó)內(nèi)外鮮有關(guān)于基于微波反射法對(duì)PE管線外部土壤空穴進(jìn)行無(wú)損定量檢測(cè)的研究報(bào)道。

鑒于此，文章通過(guò)系列試驗(yàn)研究，集中探究了基于微波反射法定量評(píng)估PE管線外部土壤空穴的可行性。

1 檢測(cè)原理及試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 PE管線外部土壤空穴的微波檢測(cè)原理

PE管線外部土壤空穴的微波無(wú)損檢測(cè)原理如圖1所示。檢測(cè)時(shí)，同軸探頭緊貼PE管內(nèi)壁向外發(fā)射TEM波(橫電磁波)，入射波輻射主方向與PE管管壁垂直，其穿透PE管管壁后經(jīng)過(guò)一定距離(空穴域)接觸空氣-土壤異質(zhì)界面，入射波在該界面發(fā)生反射，反射波經(jīng)過(guò)空穴域再次穿過(guò)PE管后被同軸探頭接收。通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)入射波和反射波的能量進(jìn)行測(cè)量，取兩者比值獲得反射系數(shù)S11，該系數(shù)與PE管與土壤之間的空氣域，即空穴域尺寸緊密相關(guān)。

圖1 PE管線外部土壤空穴的微波檢測(cè)原理示意

在透射反射過(guò)程中，微波能量會(huì)在PE管體以及空穴域中發(fā)生損耗。若土壤距離PE管越遠(yuǎn)(即PE管線外部土壤空穴越大)，則反射波能量越小，S11越小。因此，通過(guò)拾取該變化并對(duì)其進(jìn)行定量分析有望實(shí)現(xiàn)對(duì)PE管線外部土壤空穴的微波無(wú)損定量檢測(cè)。

1.2 微波檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)

基于上述微波檢測(cè)原理，文章搭建的PE管線外部土壤空穴微波無(wú)損定量檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、同軸探頭、PE管、土壤層及計(jì)算機(jī)組成。同軸探頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口連接，在激勵(lì)下向外輻射平面電磁波，同時(shí)，該探頭測(cè)取由空氣-土壤異質(zhì)界面反射回的回波，經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀處理，輸出不同頻率下的微波反射系數(shù)S11(包括幅值和相位)，得到微波檢測(cè)信號(hào)，該信號(hào)由計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存、顯示以及處理，用于對(duì)PE管線外部土壤空穴實(shí)施定量評(píng)估。試驗(yàn)中，同軸探頭緊貼固定于PE管內(nèi)壁，通過(guò)改變土壤層與PE管外壁的距離(用于模擬空穴尺寸的變化)，測(cè)取多組反射系數(shù)，通過(guò)信號(hào)處理、特征提取等手段，建立微波檢測(cè)信號(hào)與PE管線外部土壤空穴尺寸的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

圖2 PE管線外部土壤空穴微波無(wú)損定量檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 PE管線外部土壤空穴的微波響應(yīng)分析

首先針對(duì)PE管線外部土壤空穴的微波響應(yīng)進(jìn)行分析，以初步確定空穴微波檢測(cè)的可行性。通過(guò)查閱相關(guān)資料得到空氣、土壤及PE管的相對(duì)介電常數(shù)(空氣為1，PE管為2.26；干燥狀態(tài)下的土壤為2.8)。微波檢測(cè)時(shí)電磁波反射率Γ的計(jì)算式為

(1)

式中：Z1和Z2分別為介質(zhì)1和介質(zhì)2的波阻抗，波阻抗Z的計(jì)算式如式2所示。

(2)

式中：μ和ε分別為介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。

通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)PE管外壁存在空穴時(shí)(即微波輻射域內(nèi)存在PE-空氣界面)，反射系數(shù)為0.201 1；當(dāng)PE管外壁無(wú)空穴時(shí)，即微波輻射域內(nèi)存在PE-土壤界面(不存在PE-空氣界面)，反射系數(shù)為0.053 5。由此可見(jiàn)，存在空穴時(shí)所拾取微波的反射系數(shù)更大。試驗(yàn)時(shí)，分別對(duì)PE管外壁有/無(wú)土壤層情況測(cè)取3組微波掃查數(shù)據(jù)，獲得S11，微波掃頻波段為Ka波段。測(cè)取3組數(shù)據(jù)時(shí)，探頭分別位于距PE管底部15，20，25 cm處，其中一組數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。由圖3可見(jiàn)(圖中幅值為比值，無(wú)量綱，下同)，S11數(shù)據(jù)的相位信息在有/無(wú)土層包裹情況下存在明顯區(qū)別，而幅值信息在低頻區(qū)域的變化相對(duì)明顯，這是因?yàn)槲⒉l率越低，所激發(fā)入射波對(duì)PE管體的穿透效果越好，對(duì)PE管外部區(qū)域材料的變化情況越靈敏。

圖3 有無(wú)土壤包裹情況下S11數(shù)據(jù)對(duì)比

在以上分析基礎(chǔ)上，分別對(duì)有/無(wú)土壤層情況下各頻率對(duì)應(yīng)的S11幅值進(jìn)行信號(hào)處理，求取其均值，將S11幅值均值作為特征量，用以區(qū)分PE管外部空穴情況。利用有/無(wú)空穴情況下不同掃查位置的S11幅值均值繪制掃查曲線(見(jiàn)圖4)，在圖4中，掃查位置1，2，3分別對(duì)應(yīng)距PE管端部的15，20，25 cm處。由圖4可見(jiàn)，通過(guò)S11數(shù)據(jù)的幅值均值可對(duì)PE管線外部是否存在空穴進(jìn)行有效判定，試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了利用微波反射法進(jìn)行PE管外部空穴檢測(cè)的可行性。

圖4 有無(wú)土壤包裹情況下S11幅值均值曲線

2.2 PE管線外部土壤空穴尺寸的定量檢測(cè)

為有效提升PE管線外部土壤空穴尺寸微波定量檢測(cè)的靈敏度，鑒于先前的研究結(jié)論，首先對(duì)微波檢測(cè)頻段進(jìn)行分析和擇優(yōu)選取。采用多個(gè)微波波段對(duì)空穴進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比不同PE-土壤距離下微波信號(hào)的變化，選擇信號(hào)差異性最大時(shí)對(duì)應(yīng)的微波波段進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。分別采用Ka波段、X波段以及C波段微波對(duì)不同PE-土壤距離進(jìn)行檢測(cè)，各波段在不同距離下測(cè)取兩組S11數(shù)據(jù)用于對(duì)比。將同一距離下測(cè)得的兩組數(shù)據(jù)的差值與另一距離下測(cè)得數(shù)據(jù)的差值進(jìn)行對(duì)比，若對(duì)比明顯則說(shuō)明該波段微波對(duì)PE-土壤距離敏感，可用于PE管外壁土壤空穴的定量檢測(cè)。3個(gè)波段不同距離下信號(hào)的對(duì)比如圖5～7所示。

圖5 Ka波段10 cm與20 cm處的S11信號(hào)對(duì)比

圖6 X波段5 cm與15 cm處的S11信號(hào)對(duì)比

圖7 C波段10 cm與20 cm處的S11信號(hào)對(duì)比

由圖5～7的綜合對(duì)比可見(jiàn)，相比C波段，Ka波段和X波段微波對(duì)空穴尺寸響應(yīng)靈敏度不足，且C波段中4 GHz～5 GHz頻段對(duì)空穴尺寸具有最高響應(yīng)靈敏度，因此，選擇4～5 GHz作為最優(yōu)微波頻段。

在C波段的4～5 GHz頻帶中，對(duì)PE管-土壤距離分別為0，2，4.4，6.8，8.6，10.6，12.8，14.5，15.9，18.1，19.9 cm的情況進(jìn)行微波檢測(cè)，提取S11幅值均值作為檢測(cè)信號(hào)的特征，建立S11幅值均值-空穴尺寸映射關(guān)系曲線。研究選擇其中7組數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)PE-土壤距離為0，2，4.4，10.6，15.9，18.1，19.9 cm)進(jìn)行數(shù)值擬合，獲取映射關(guān)系函數(shù)。余下的4組數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)PE-土壤距離為6.8，8.6，12.8，14.5 cm)用于驗(yàn)證所獲擬合曲線及其對(duì)應(yīng)函數(shù)在空穴尺寸定量評(píng)估中的準(zhǔn)確度。所得S11幅值均值-空穴尺寸映射關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 S11幅值均值-空穴尺寸映射關(guān)系曲線

由圖8可見(jiàn)，土壤距離越遠(yuǎn)則S11幅值均值越大，這是因?yàn)槲⒉ㄓ龅酵寥罆r(shí)的反射率低于遇到空氣時(shí)的反射率，因此空穴尺寸越大反射能量越強(qiáng)，這一現(xiàn)象與前述計(jì)算結(jié)果相符。對(duì)前述4個(gè)空穴對(duì)應(yīng)的S11幅值均值進(jìn)行反算，求取其空穴尺寸預(yù)測(cè)值，將反求數(shù)值結(jié)果與空穴實(shí)際大小作對(duì)比，以評(píng)估空穴尺寸微波定量檢測(cè)的精度。求取所得的空穴尺寸預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比結(jié)果如表1所示。由表1可知，4～5 GHz微波對(duì)土壤距離檢測(cè)的平均相對(duì)誤差為5.5%，最大絕對(duì)誤差為8mm。由此可見(jiàn)，結(jié)合C波段(4～5 GHz)微波同軸探頭對(duì)PE管外部土壤空穴實(shí)施無(wú)損定量檢測(cè)是可行的，其定量精度小于±8 mm，滿足當(dāng)前工程中對(duì)空穴尺寸的定量精度要求。

表1 4個(gè)空穴尺寸預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

研究了微波反射法對(duì)PE管線外部土壤空穴無(wú)損定量檢測(cè)的可行性。結(jié)合所搭建試驗(yàn)平臺(tái)，首先對(duì)PE管外壁土壤包裹性的微波檢測(cè)進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，利用微波反射法可區(qū)分PE管外壁有/無(wú)空穴的情況。在此基礎(chǔ)上，利用檢測(cè)信號(hào)作差，確定了最佳微波檢測(cè)波段，即C波段4～5 GHz。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所建立的S11幅值均值-空穴尺寸映射關(guān)系曲線具備單調(diào)特性，即S11幅值均值隨空穴尺寸增大而增大。結(jié)合所建立映射關(guān)系曲線對(duì)4個(gè)空穴尺寸進(jìn)行反算得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值吻合度較高，絕對(duì)誤差小于8 mm，滿足當(dāng)前工程中對(duì)空穴尺寸的定量精度要求。