強海亮

（中聯煤層氣有限責任公司）

煤層氣作為三大重要清潔能源之一，主要以游離態(tài)的甲烷為主。 由于具有清潔性且當前儲量巨大，因此市場前景廣闊。 為加大對煤層氣的應用， 通常利用帶內涂層的集輸管線進行輸送，以提高煤層氣的輸送效率，但煤層氣輸送管線內涂層若有破損， 會對管道造成嚴重的腐蝕和沖蝕。因此， 如何做好集輸管道中內涂層的缺陷檢測，對管道的防護和安全使用有著極其重要的作用和價值。 目前，針對內涂層管道的缺陷檢測，常用的無損檢測方法有渦流檢測法、電流衰減（PCM）檢 測 法 和 超 聲 波 檢 測 法， 張 海 兵 等［1］、GROSSO M等［2］都采用渦流檢測法對涂層厚度進行了檢測， 但對缺陷損傷的檢測效果還有待進一步論證；沈非等將電流衰減檢測法應用到特種設備涂層的檢測中，但受磁場的影響，檢測精度不高［3］；張恒則將超聲檢測法應用到粘接質量的檢測中，取得良好效果，評價了粘接的等級［4］。 但歸納發(fā)現，超聲檢測主要用于涂層厚度的檢測，在涂層缺陷檢測方面的應用還相對較少。 因此，基于以上研究，本試驗嘗試利用超聲檢測的原理，探究管道內涂層的缺陷檢測。

1 基礎理論

1.1 超聲波檢測原理

超聲波的特征體現在穿透性強、能量高及波長短等方面，頻率高于0.02 MHz，在傳播到特殊的分界面時會出現反射等現象，根據對接收信號的處理可以得到需要的信息。 該技術的優(yōu)勢在于無需與檢測目標接觸， 不會影響檢測目標的結構，可以實現無損檢測。 超聲波檢測原理如圖1所示［5～7］。

圖1 超聲檢測原理

基于上述原理，可分析煤層氣集輸管線內涂層是否存在缺陷，具體檢測原理如圖2所示。 首先在管道外側合適位置設置超聲換能器，然后將發(fā)射的超聲波傳輸到集輸管道內部，超聲波在發(fā)生反射之后將會在換能器和外壁界面再次反射并進入集輸管道內部，所以在管道內壁會形成超聲余振波，且逐步衰減。 超聲換能器接收到反射信號之后，將其轉化為對應的電信號，然后借助示波器分析信號特征，判斷集輸管線內涂層是否存在缺陷。

圖2 壁面-內涂層界面處超聲回波1.2 超聲波檢測主要影響因素

根據當前的研究可知，超聲波在管道內壁傳播時受諸多因素影響，會發(fā)生衰減，這些因素包括［8～11］：超聲波束的擴散、管壁與其他界面的吸收作用和受管道晶粒度影響出現的散射。 一般在上述因素的綜合影響下出現衰減問題，可以通過透射率和反射率進行描述，透射率和反射率與界面的聲阻抗大小直接相關。 對于在管道內壁傳輸的超聲波，往往容易發(fā)生透射，主要發(fā)生位置有兩個：換能器與外壁的交界面；內壁與介質的交界面。 對于后者，其透射率主要與介質聲阻抗有關，而這也是導致管道內壁超聲波衰減的主要因素。

結合以上分析可以看出，超聲波傳播主要受分界面的影響而出現反射或者透射。 設有兩種介質（介質1、2），在傳播到兩種介質的交界面時，部分超聲波反射回介質1中， 其他部分則透射過界面進入介質2中。由此得到反射率R，即反射波、入射波聲強的比值［12，13］：

式中 Ir——反射波的聲強；

I0——入射波的聲強；

Z1、Z2——介質1、2的聲阻抗。

透射率T為：

式中 It——透射波的聲強。

本次研究中煤層氣集輸管道材料、內涂層防腐材料分別是35CrMo合金鋼和環(huán)氧樹脂，二者的聲阻抗分別是Z鋼=45.3×106kg/（m2·s）、Z內=2.7×106kg/（m2·s），煤 層 氣 的 聲 阻 抗 為Z氣=0.03×106kg/（m2·s）。

在內涂層完整的情況下，根據式（1）、（2）計算得到：

由此可知， 反射能量占79%， 被換能器接收到；透射能量占21%，被透射到煤層氣集輸管道中的內涂層中。

在煤層氣集輸管道內涂層不完整的情況下，根據式（1）、（2）得到：

由此可知， 絕大部分能量被換能器接收，比例高達99.7%， 僅極少部分能量透射， 比例約為0.3%。

基于各個界面的反射率，可得一次反射回波的波高差Δ，具體計算如下：

由此可知，處于兩個界面的波高差可達2.021 dB， 特別是在管道壁界面中出現多次反射時，波高差同樣會達到比較高的水平。

2 煤層氣集輸管道內涂層檢測試驗

2.1 試驗方案

本試驗主要針對煤層氣集輸管道的防腐內涂層缺陷進行檢測，即根據超聲回波在各個界面的衰減特性判斷煤層氣集輸管道內涂層是否存在缺陷。 具體方案介紹如下。

2.1.1 煤層氣集輸管道內涂層完全破損模型

煤層氣集輸管道內涂層完全破損模型指超聲波通過管道壁之后與煤層氣界面接觸 （鋼-氣界面），部分超聲波在界面位置反復反射，直至衰減。 除反射的部分之外，還有部分透射到管道中的煤層氣中。 具體方案如圖3所示。

圖3 內涂層完全破損試驗方案

2.1.2 煤層氣集輸管道內涂層完好無損模型

煤層氣集輸管道內涂層完好無損模型指超聲波通過內涂層和管壁界面（鋼-內界面）時，部分超聲波在界面反射后持續(xù)在管道壁內傳播，直至衰減，其他聲波則透射到內涂層介質中。 受聲阻抗差異性的影響， 回波呈現出不同的衰減特性。 根據這些特性數據，對內涂層形態(tài)進行分析。具體方案如圖4所示。

圖4 內涂層完好無損試驗方案

2.2 試樣制備

2.2.1 選擇試驗材料

本試驗材料為35CrMo合金鋼，內涂層選擇環(huán)氧樹脂， 試驗確保與實際管道環(huán)境保持一致。35CrMo合金鋼成分見表1。

表1 35CrMo合金鋼成分 %

2.2.2 內涂層試樣制備

結合試驗要求設計了不同試塊，主要包括內涂層完好無損、完全破損、剝離起鼓3種類型，試樣長、寬、高分別是40、50、18 mm。 內涂層剝離起鼓 直 徑16 mm， 經CT-200 測 定 內 涂 層 厚 度300 μm。 具體內涂層缺陷檢測試樣如圖5所示。

圖5 內涂層試驗試樣

2.2.3 搭建試驗平臺

結合圖6的試驗流程對煤層氣集輸管道內壁的防腐內涂層缺陷進行檢測。 所需的檢測設備包括示波器、超聲換能器及超聲檢測設備等。

圖6 煤層氣集輸管道防腐內涂層缺陷檢測流程

在圖6中， 超聲換能器主要用于實現超聲波的發(fā)射和接收；上位機主要實現數據的處理與分析。 其中，上位機配置了自主設計的內涂層缺陷檢測軟件，可根據結果判斷缺陷情況。

3 試驗結果與分析

3.1 內涂層完好無損與完全破損對比試驗

在本次研究中，針對完好無損（鋼-內界面）和完全破損 （鋼-氣界面） 的試樣進行超聲波檢測， 并根據得到的數據繪制了回波特性曲線，具體如圖7所示。

圖7 試驗試樣內涂層完好無損與完全破損的回波特性曲線

根據圖7可知，隨著反射次數的增加，兩界面的回波信號均不斷衰減， 對應的幅值保持降低的趨勢。 出現這一現象與超聲波的介質散射、擴散等有關。 為更準確地描述其衰減過程，結合圖6采集到的數據， 得到五次回波反射的幅值（表2）。

表2 不同試樣五次回波的幅值 V

由表2數據可知， 各界面的回波信號幅值存在一定的差異性，但對于前兩次反射這種差異性不明顯， 所以無法直接對界面特性做出準確判斷。 而在第3次之后發(fā)生了顯著的變化，區(qū)分度較高，幅值差距最大的是第5次。 所以可以根據第5次反射回波信號的幅值來進行分析，確定內涂層中的破損情況。

3.2 缺陷尺寸對內涂層超聲檢測的影響

分析涂層超聲檢測和缺陷尺寸（直徑）之間的關系， 設計了9種不同直徑的內涂層剝離起鼓試樣，范圍為0～16 mm，間隔為2 mm。 根據圖6的檢測流程，繪制對應的回波特性曲線，得到如圖8所示的結果。

圖8 不同缺陷直徑對超聲波傳播的影響

根據圖8可知，在不同直徑的內涂層缺陷下，隨著反射次數的增加，檢測到的回波信號幅值逐步降低。 另外還發(fā)現，在前兩次反射時，不同直徑的內涂層缺陷導致的回波信號幅值基本一致，而從第3次開始出現了顯著的變化， 幅值差異明顯增大，特別是在第5次時達到最大值，此時可對內涂層缺陷特性有較好的評價， 所以用第5次反射回波幅值來實現內涂層缺陷檢測。 不同直徑內涂層缺陷得到的回波信號幅值見表3。

根據表3可知，在內涂層完好的情況下，第5次回波幅值最大達到0.28 V， 且其幅值隨缺陷直徑變大而呈現出增大的趨勢。 出現以上現象的原因是在缺陷直徑變大時， 會形成更強的反射聲波， 所以對應的回波幅值同樣保持較高的水平。而在完全破損的情況下，則對應的幅值最大達到了1.08 V， 此時缺陷直徑和換能器直徑尺寸是一致的。 但是在缺陷直徑繼續(xù)增大時，回波幅值基本保持固定。 綜上，超聲波回波幅值大小可判斷缺陷尺寸和破損程度。

表3 不同內涂層缺陷直徑下的第5次回波幅值

4 實際應用

為進一步驗證上述方法的檢測效果，將其應用到實際煤層氣集輸管道內涂層缺陷的檢測中。實際煤層氣集輸管道試樣如圖9所示， 內涂層環(huán)氧樹脂厚度300 μm，管道直徑和厚度分別是160、16.5 mm。

圖9 實際煤層氣集輸管道試樣

依據圖6所示的檢測流程得到實際煤層氣集輸管道完好無損（鋼-內界面）和完全破損（鋼-氣界面）兩種狀態(tài)下的內涂層回波特性，具體如圖10所示。

由圖10可以看出，兩種狀態(tài)下回波信號幅值均隨反射回波次數的增大而減小，前兩次回波幅值差異性較小，在第3次之后差距增大。 提取第5次回波幅值，得到的結果列于表4。

表4 實際煤層氣集輸管道不同界面處的超聲回波幅值 V

圖10 實際煤層氣集輸管道內涂層完好無損與完全破損的回波特性曲線

由表4數據可知， 兩界面回波幅值差距最大在第5次，與試驗測試的結果一致。 同樣可以用第5次來判斷煤層氣內涂層的破損情況。

設計9種尺寸的內涂層剝離缺陷， 涂層剝離直徑同樣在0～16 mm，間隔為2 mm。 根據檢測試驗， 得到在內涂層不同缺陷直徑下的第5次回波幅值，具體如圖11所示。

圖11 內涂層不同缺陷直徑下的第5次回波幅值

根據圖11可知，在不同缺陷直徑下，對應的回波幅值是不同的。 在內涂層完好、完全破損情況下，回波幅值最大分別是0.60、1.24 V。 內涂層完全破損時，若缺陷直徑繼續(xù)增大，回波幅值基本保持固定。 說明該方法在實際應用中效果很好。

5 結束語

筆者構建的基于超聲回波的煤層氣集輸管道內涂層缺陷檢測方法， 可對管道內涂層完好無損和完全破損狀態(tài)進行檢測， 具體的檢測原理則是通過超聲回波的幅值差值進行判斷。在本研究中，通過試驗得到管壁-天然氣界面和管壁-內涂層界面間第5次回波的差值最大。 由此可以通過第5次回波幅值的差值來判斷涂層在不同缺陷直徑下的缺陷程度。而該方法的特點在于，通過超聲回波這種無損檢測，大幅提高了管道的檢測效率。