趙湘陽,曹學(xué)文,曹恒廣,張磐,雷 毅

(1.中國石油大學(xué)(華東)山東省油氣儲運安全省級重點實驗室,山東青島 266580;2.中國石油大學(xué)(華東)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266580)

管道在運行過程中容易發(fā)生腐蝕穿孔進而產(chǎn)生泄露問題。目前管道的腐蝕防護主要依靠陰極保護和外防腐層,其中外防腐層是隔絕金屬管道與外界土壤、海水等腐蝕環(huán)境的重要屏障[1]。但是受防腐層涂覆工藝的限制以及管道敷設(shè)的影響,管道外涂層易出現(xiàn)不同程度的缺陷。在管道的實際運行過程中,涂層缺陷處易成為腐蝕熱點,造成局部腐蝕,這加劇了腐蝕穿孔的風(fēng)險。因此對管道的外涂層進行有效檢測至關(guān)重要。管線在建成投產(chǎn)以后,無法采取大規(guī)模開挖的方式對外涂層進行檢測,因此需要開發(fā)非接觸式、高精度的管道外涂層檢測技術(shù)。目前僅有密間隔電位測量法、多頻管中電流法以及直流電壓梯度法等方法可應(yīng)用于管道外涂層缺陷檢測[2-3],但這些檢測技術(shù)均為外檢測。對于海底管道而言,外部環(huán)境的特殊性很大程度上限制了涂層檢測技術(shù)的推廣,常見的應(yīng)用于陸上埋地管道的外部檢測技術(shù)很難直接應(yīng)用到海底管道。超聲波檢測技術(shù)因其穿透性強、靈敏度高以及無損檢測等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域[4-8]。研究發(fā)現(xiàn),超聲波檢測可以實現(xiàn)對金屬表面涂層缺陷以及復(fù)合材料分層缺陷的有效識別[9-17],但并沒有針對海底管道外涂層缺陷檢測的相關(guān)研究。一方面海底管道的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,除管道外壁的防腐涂層外還會有保溫層以及混凝土配重層等結(jié)構(gòu)。超聲波在管道多層結(jié)構(gòu)中的透射和反射特性比較復(fù)雜;另一方面,管道內(nèi)部的沖刷腐蝕現(xiàn)象也會對超聲波的傳播特性造成影響。因此筆者采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方式對管道外涂層超聲波檢測技術(shù)進行研究。

1 超聲波涂層檢測原理

當(dāng)超聲波在多層結(jié)構(gòu)中傳播時會發(fā)生透射、反射以及衰減。對于管道的多層結(jié)構(gòu)而言,超聲回波容易發(fā)生混疊導(dǎo)致難以對信號進行提取和分析。與此同時,盡管涂層的厚度僅有幾百微米,但涂層對聲波的傳播有強烈的阻尼作用,聲波衰減較為嚴重,因此采用垂直入射的脈沖縱波可顯著降低信號分離和提取難度。

涂層材料一般為環(huán)氧樹脂等大分子聚合物,因此涂層的聲阻抗與水、空氣等介質(zhì)有顯著差異,超聲波在不同界面處的透射與反射特性有著很大不同。圖1為超聲波在材料界面處的透射和反射。超聲波聲壓表示為

pc=pcmexp(j(ωt+k1ycosα-k1xsinα)).

(1)

ps=psmexp(j(ωt+k2ycosβ-k2xsinβ)).

(2)

pr=prmexp(j(ωt-k1ycosαr-k1xsinαr)).

(3)

式中,pc、ps、pr、pcm、psm和prm均為超聲波聲壓,Pa;α、αr和β分別為入射波角、反射波角和透射波角,rad;其余參數(shù)均為公式系數(shù)。

超聲波在界面處的反射率R為反射波聲壓pr與入射波聲壓pc比值,即

(4)

式中,Z1、Z2分別為兩種材質(zhì)的聲阻抗,kg/(m2·s)。

可得垂直入射波(α=β=0)的反射系數(shù)Rv為

(5)

圖1 超聲波在兩種介質(zhì)界面處的反射與透射Fig.1 Reflection and transmission of ultrasonic wave at interface of two medias

可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)的聲阻抗Z2不同時,反射率會有顯著差異?；诜瓷涮匦圆町?利用在涂層完好與涂層缺陷界面處超聲回波的差異可以對涂層缺陷進行識別。鋼的聲阻抗Z1(45.3×106kg·m-2·s-1)要明顯高于空氣(0.000 4×106kg·m-2·s-1)、海水(1.53×106kg·m-2·s-1)以及環(huán)氧樹脂((2.7～3.6)×106kg·m-2·s-1),因此管道界面處的反射率Rv為

(6)

當(dāng)管道外涂層完好時,Z2即為環(huán)氧樹脂的聲阻抗;當(dāng)管道外涂層破損時,Z2為海水或者空氣的聲阻抗。因此當(dāng)管道涂層發(fā)生失效時,界面處的反射率較高,超聲波的回波強度較高,根據(jù)回波強度差異可對涂層缺陷進行識別。

2 涂層檢測數(shù)值模擬

2.1 模型建立

選取結(jié)構(gòu)復(fù)雜的單層配重保溫管為研究對象,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,由內(nèi)而外依次為管道金屬基體、防腐層、聚氨酯保溫層、聚乙烯夾克層以及混凝土配重層。涂層缺陷中防腐層剝離起鼓,缺陷內(nèi)部有海水侵入。

圖2 單層配重保溫管結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of single-layer counterweight insulation pipe

為了驗證超聲波涂層缺陷檢測的可行性,建立超聲波涂層檢測的有限元模型,求解超聲波在管道結(jié)構(gòu)中的傳播特性。如圖3所示,以管道-防腐層-保溫層3層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),分別建立涂層完好與涂層缺陷的二維模型。涂層缺陷的形式為剝離起鼓,內(nèi)部有海水侵入;兩個模型的寬度均為30 mm,厚度均為45.6 mm,其中管道金屬基體、防腐層和海水層的厚度分別為15、0.6和1 mm,計算網(wǎng)格大小均為0.1 mm。相應(yīng)地,保溫層厚度分別為30和29 mm,為了減小計算量,網(wǎng)格尺寸為1 mm。

固-液界面處設(shè)置為FSI耦合以準確描述金屬管壁與海水之間的相互作用,模型的左右兩邊界均設(shè)置為無限邊界,初始激勵信號采用中心頻率為2.5 MHz的窗函數(shù)。通過將數(shù)值計算得到的聲速和波長與理論計算值進行對比驗證了模型的合理性。

圖3 涂層完好與涂層缺陷兩種情況下的數(shù)值模型Fig.3 Numerical models for two cases of intact coating and defective coating

2.2 模擬結(jié)果

圖4為涂層完好時的超聲波波場?？梢园l(fā)現(xiàn),超聲波信號在界面處發(fā)生了反射,大部分超聲波信號被反射回管道的金屬基體,僅有少部分超聲波信號可以進入涂層內(nèi)部,而超聲波信號未能進入保溫層,因此忽略混凝土配重層等管道結(jié)構(gòu)是合理的。進一步地,可以忽略聚氨酯保溫層,以管道金屬基體-涂層兩層結(jié)構(gòu)進行后續(xù)研究。

圖4 涂層完好情況下的超聲波波場Fig.4 Wave field snapshot for intact coating

圖5為模擬得到的涂層完好與缺陷兩種情況下的回波信號。回波信號中第一個波形為入射的縱波即初始的激勵信號,在多次反射過程中,回波信號的幅值逐漸減小。而回波信號在涂層完好界面處衰減更快,兩種情況下第五次回波信號幅值差異達到了63.5%。因此可以選擇回波幅值作為識別涂層缺陷的判別標(biāo)準,采用超聲回波進行管道涂層缺陷檢測是可行的。

圖5 涂層完好與缺陷兩種情況下的回波信號Fig.5 Ultrasonic echo signal for two cases of intact coating and defective coating

3 超聲回波響應(yīng)特征與降噪

采用自主研發(fā)的超聲波涂層檢測儀及涂層檢測專用探頭對試塊表面的涂層缺陷進行靜態(tài)檢測。圖6為涂層檢測系統(tǒng),整個檢測系統(tǒng)由檢測儀、檢測換能器、示波器以及待檢試塊組成。超聲波涂層檢測儀可完成超聲信號發(fā)射與回波信號的采集工作,回波信號可通過示波器顯示,也可導(dǎo)出波形數(shù)據(jù)。試塊的金屬基體材料采用35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼,表面為環(huán)氧樹脂涂層。試塊和涂層厚度分別為20.5 mm和300 μm,涂層完好與缺陷的形貌如圖6所示,涂層覆蓋試塊表面一半的面積,涂層缺陷為完全剝離并裸露出金屬基體。

圖6 超聲波涂層缺陷檢測儀與試塊Fig.6 Ultrasonic coating defects detector and test blocks

圖7為試塊表面涂層完好與缺陷兩種情況下的回波信號。從第二個超聲回波開始,回波信號開始出現(xiàn)衰減,其衰減特性符合指數(shù)衰減規(guī)律。隨著回波次數(shù)增加,兩種情況下超聲回波幅值逐漸減小,回波幅值的差異也開始顯現(xiàn)。涂層完好情況下第四次回波的幅值為0.67 V,而涂層缺陷情況下的第四次回波幅值達到了1.55 V,兩種情況下回波幅值差異顯著,因此可通過第四次回波幅值差異對涂層是否完好進行識別。

與此同時,回波幅值差異會受到試塊厚度、涂層厚度以及缺陷尺寸的影響。為此采用厚度為15 mm的試塊進行涂層檢測試驗,涂層厚度分別為200、300、420、540和610 μm,在相同的檢測參數(shù)下,研究涂層厚度對回波特性的影響,結(jié)果表明第五次回波幅值均約0.5 V,因此涂層厚度對檢測沒有明顯的影響。與此同時在相同的檢測參數(shù)下,對不同厚度的試塊進行涂層檢測,如表1所示。隨著試塊厚度增加,超聲波在金屬基體中的損耗增加,回波數(shù)量減少;但涂層完好與缺陷兩種情況下的回波幅值差異也逐漸增大。因此在實際檢測過程中,對于較厚的管道,回波幅值差異明顯,這有利于涂層缺陷識別;但當(dāng)管道較厚時,也應(yīng)適當(dāng)增加超聲激勵信號強度,以免超聲波在管道內(nèi)的損耗過大影響檢測結(jié)果。當(dāng)涂層缺陷尺寸小于超聲探頭的直徑時,反射回波的能量損失較大,不利于缺陷識別,選用小直徑超聲探頭有助于對小尺寸缺陷的識別。因此在實際檢測過程中,需要制作對應(yīng)情況下的標(biāo)準試樣以確定最適合涂層缺陷識別的檢測參數(shù)和判定標(biāo)準。超聲波管道涂層缺陷檢測依賴于超聲回波的響應(yīng)特性。在實際檢測過程中,回波信號容易受到儀器、探頭以及待檢管件表面粗糙度等多種因素的影響,回波信號容易遭受噪聲干擾。為了提高檢測的準確性與可靠性,采用小波分析法對回波信號進行降噪處理[18-21],從而提高信號的信噪比進而提取分離出有效的回波信號。

圖8為采用小波分析法對回波信號進行降噪處理的參數(shù)選擇流程。以信噪比改善情況為依據(jù),分別對小波基函數(shù)、分解層數(shù)以及閾值函數(shù)進行比選。比選結(jié)果表明,采用sym8小波基函數(shù)、4層分解以及半軟閾值函數(shù)的情況下,超聲回波的降噪效果最好。因此采取上述降噪策略對圖7所示的試驗回波信號進行降噪處理。圖9為小波降噪后的回波信號?？梢园l(fā)現(xiàn),采用小波分析法可以有效地對回波信號進行降噪處理,回波信號擁有更高的信噪比。因此采用小波降噪可以顯著提高檢測的準確性與可靠性。在后續(xù)檢測中將采用小波分析法對獲取的回波信號進行降噪處理。

圖7 試塊涂層完好與缺陷兩種情況下的超聲回波信號Fig.7 Ultrasonic echo signal for two cases of intact and defective coating of test block

表1 不同試塊厚度下檢測結(jié)果

圖8 超聲回波信號小波降噪?yún)?shù)比選流程Fig.8 Parameter selection process of ultrasonic echo signal wavelet denoising

圖9 小波降噪處理后的超聲回波信號Fig.9 Ultrasonic echo signal after wavelet denoising treatment

4 管道外涂層連續(xù)檢測

4.1 檢測平臺

搭建超聲波管道涂層連續(xù)檢測試驗平臺,整個裝置由行走控制系統(tǒng)、超聲波管道涂層檢測系統(tǒng)、超聲波數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)以及無線傳輸模塊4部分組成。

行走控制系統(tǒng)主要是由檢測小車帶動超聲波換能器對管道進行連續(xù)檢測,通過行走控制箱控制小車的行走速度。

超聲波管道涂層檢測系統(tǒng)由檢測換能器、超聲波涂層檢測儀和示波器等部分組成。所用超聲波換能器安裝于檢測小車,主要是發(fā)射超聲波信號和接收反射回來的超聲回波信號。

超聲波數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)作為整個檢測平臺的數(shù)據(jù)處理終端,負責(zé)接收來自檢測現(xiàn)場的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行分析和處理,由計算機與數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件構(gòu)成。

無線傳輸模塊作為檢測現(xiàn)場與遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信的橋梁,負責(zé)將檢測現(xiàn)場獲取的實時檢測數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

4.2 檢測流程

圖10為連續(xù)檢測原理示意圖,檢測小車車輪與管道內(nèi)壁相匹配。為保證耦合良好,超聲波換能器要能夠浸沒在水中,因此水位需要滿足一定高度要求。超聲換能器安置于凸臺孔內(nèi)。

超聲波從換能器發(fā)出并沿著水傳播到管道,經(jīng)反射后超聲回波返回超聲波換能器完成檢測。由于超聲波在不同界面處的反射特性存在差異,在涂層完好的地方,超聲波在界面處的反射率較小,回波幅值較小;而在涂層破損的地方,超聲波的回波幅值較大。通過回波幅值的差異辨別涂層是否有缺陷,管道涂層連續(xù)檢測的流程如圖11所示。

圖10 管道涂層連續(xù)檢測原理示意圖Fig.10 Schematic diagram of continuous detection for pipeline coating

圖11 管道涂層連續(xù)檢測流程Fig.11 Process of continuous detection for pipeline coating

在實際管道的外涂層檢測中,檢測表面為管道的圓柱形外表面。連續(xù)檢測試驗采用內(nèi)徑為254 mm的鋼管,壁厚為10 mm,表面為環(huán)氧樹脂涂層。在管道外表面制造若干涂層剝離缺陷,圖12為管道涂層檢測試驗中所用的管道試樣,黑色的部分為涂層完好的區(qū)域,而裸露金屬基體部分表示外涂層完全破損。

圖12 管道試樣實物Fig.12 Physical image of pipe sample

4.3 檢測結(jié)果

根據(jù)管道外涂層連續(xù)檢測需求,將檢測小車放置于待檢管道內(nèi),調(diào)整行走控制參數(shù)使檢測小車在管道內(nèi)部勻速前進。與此同時,超聲波涂層檢測儀不斷地通過超聲換能器采集超聲回波數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳輸?shù)缴衔粰C中,并繪制出管道外涂層連續(xù)檢測的峰值曲線。

對回波數(shù)據(jù)進行歸一化處理,見圖13。圖13中試驗檢測區(qū)間為點a到點b距離(480 mm),在檢測區(qū)間內(nèi)有兩道涂層剝離缺陷。通過對檢測區(qū)間內(nèi)的涂層進行檢測,共采集3 200組數(shù)據(jù)。

圖13 管道涂層連續(xù)檢測曲線Fig.13 Continuous detection curve analysis for pipeline coating

從圖13中可以看出,缺陷位置的超聲回波峰值超過40%,而涂層完好位置的超聲回波峰值幾乎低于10%,因此涂層缺陷和涂層完好位置的超聲回波峰值差異巨大。圖中所顯示的涂層破損位置與待檢測管道外涂層破損位置相吻合,因此檢測試驗成功識別了涂層缺陷的位置。與此同時,可以發(fā)現(xiàn)在涂層完好位置處的超聲回波也存在一定的波動,這是因為所用的檢測管道為退役管道,管道內(nèi)發(fā)生了嚴重的沖刷腐蝕損傷,管壁上存在大量的坑點,粗糙度非常大,這對超聲波傳遞產(chǎn)生了干擾,但并未對涂層缺陷位置的識別產(chǎn)生影響,因此超聲波涂層檢測技術(shù)具有較高的抗干擾性與靈敏度。除此之外,該檢測為室內(nèi)原理性試驗,僅能完成一個方向的檢測,無法同時識別軸向和環(huán)向的涂層缺陷。若將該技術(shù)應(yīng)用于實際管道的外涂層檢測,還需開發(fā)適用于管道外涂層在線檢測的內(nèi)檢測器,以實現(xiàn)對管道涂層的全面檢測。

超聲波管道涂層檢測技術(shù)成功實現(xiàn)了對管道外涂層的連續(xù)檢測,該檢測技術(shù)具有較高的靈敏度與抗干擾性,其彌補了傳統(tǒng)檢測技術(shù)的局限性,完善了海底管道的外涂層評價體系。

5 結(jié) 論

(1)超聲波信號在界面處發(fā)生反射,大部分超聲波信號返回管道的金屬基體,僅有少部分能量進入涂層內(nèi)部,而在保溫層內(nèi)沒有超聲波信號,可以忽略聚氨酯保溫層等外部結(jié)構(gòu)以管道金屬基體-涂層兩層結(jié)構(gòu)進行研究。

(2)涂層完好與缺陷兩種情況下的回波幅值存在差異,可以將超聲回波幅值的差異作為涂層缺陷識別的判別標(biāo)準。

(3)采用小波分析法可以有效地對回波信號進行降噪處理,回波信號擁有更高的信噪比。

(4)搭建的適用于管道外涂層缺陷連續(xù)檢測的室內(nèi)試驗平臺實現(xiàn)了對管道外涂層缺陷的連續(xù)檢測,該檢測技術(shù)具有較高的靈敏度與抗干擾性。