關(guān)鍵詞/主題詞：陣列超聲；碳纖維復(fù)合材料；管道修復(fù)層；油氣儲(chǔ)運(yùn)；無(wú)損檢測(cè)；缺陷檢測(cè)；聲線示蹤；超聲成像

0引言

隨著高鋼級(jí)管道在能源輸送領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其安全性和穩(wěn)定性日益受到重視。管道在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，受到腐蝕、裂紋等多種因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能下降，早在2016年，李榮光等認(rèn)為管道使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷可能會(huì)給管道的正常輸送帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，并介紹了油氣長(zhǎng)輸管道常見(jiàn)的管體缺陷類型和修復(fù)技術(shù)，分析了高鋼級(jí)管道在線不停輸修復(fù)技術(shù)的可靠性研究及發(fā)展趨勢(shì)［1］。為了解決這一問(wèn)題，需要對(duì)管道進(jìn)行及時(shí)修復(fù)彌補(bǔ)，2019年，張李等通過(guò)分析在油氣管道出現(xiàn)缺陷時(shí)的一般影響因素，探討在實(shí)際油氣管道中所使用的修復(fù)方法［2］。碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)因其高強(qiáng)度、良好的設(shè)計(jì)性和無(wú)需焊接的特點(diǎn)，以及施工時(shí)不動(dòng)火、可以帶壓操作、施工流程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，逐漸成為管道修復(fù)的首選方案。2019年，劉永忠對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行全面分析，并對(duì)碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在輸油管道中的應(yīng)用進(jìn)行研究，提出該修復(fù)技術(shù)可以有效提升輸油管道維修工作的效率和質(zhì)量［3］。2020年，楊寄誠(chéng)等通過(guò)爆破實(shí)驗(yàn)研究了修復(fù)層厚度對(duì)失效內(nèi)壓的定量影響，表明隨著修復(fù)層厚度增加，修復(fù)效果增加的幅度會(huì)降低［4］。

碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)修復(fù)管道的方法主要包括預(yù)成型法和濕纏繞法。預(yù)成型法，又稱為套筒法，依據(jù)所使用的套筒材料進(jìn)行分類，分為復(fù)合材料套筒法：2018年，Mazurkiewicz等提出使用復(fù)合材料作為套筒材料，增強(qiáng)了鋼管的性能［5］；復(fù)合材料/灌漿套筒法：2021年，Md等對(duì)具有不同金屬損失水平的全尺寸管道進(jìn)行三維有限元分析，評(píng)估灌漿復(fù)合材料修復(fù)系統(tǒng)的失效行為和能力，發(fā)現(xiàn)使用高抗拉強(qiáng)度灌漿，復(fù)合修復(fù)系統(tǒng)可以恢復(fù)有缺陷的鋼管的能力，最多可恢復(fù)約70%的金屬損失［6］。根據(jù)具體施工的方式不同，濕纏繞法可分為以下幾種方法：纖維布周向纏繞法：2019年，張寶龍等使用纖維布周向纏繞法，解決了濕纏繞法在施工中的周向纖維布纏繞問(wèn)題，證明了復(fù)合材料修復(fù)能明顯提高含環(huán)向裂紋管道的承壓能力和承彎能力，從而提高管道的安全裕度［7］；2020年，孫傳青通過(guò)玻璃纖維復(fù)合材料周向纏繞法加強(qiáng)整體管段，彌補(bǔ)干線管道因地區(qū)等級(jí)變化帶來(lái)的安全裕量不足問(wèn)題，為干線管道高后果區(qū)治理提供指導(dǎo)性建議［8］。纖維纏繞法：2020年，Al-Abtah提出纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料外包裹法，消除了熱影響區(qū)對(duì)焊接管道的承壓能力和劣化性能的影響［9］；纖維布貼片法：2021年，Chen等提出了纖維布貼片法，利用有限元分析評(píng)估復(fù)合材料修復(fù)管道的力學(xué)性能，通過(guò)增加復(fù)合材料纖維布的厚度解決了濕纏繞法中纖維布貼片過(guò)程中帶來(lái)比外包裹法更高的界面剪切應(yīng)力問(wèn)題［10］。其中，纖維布周向纏繞法是在周向360°對(duì)管道的增強(qiáng)或修復(fù)部位進(jìn)行纏繞，而纖維布貼片法僅對(duì)待增強(qiáng)修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。2022年，何毅等對(duì)復(fù)合材料增強(qiáng)修復(fù)油氣管道研究進(jìn)展做了綜述，認(rèn)為纖維布貼片法雖然使用的復(fù)合材料較少且施工更簡(jiǎn)便，但對(duì)管道增強(qiáng)和修復(fù)效果往往比周向纏繞低［11］。

目前大多數(shù)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層通常由多層碳纖維布和環(huán)氧樹(shù)脂基體組成，當(dāng)檢測(cè)到管道出現(xiàn)腐蝕缺陷時(shí)，采用濕纏繞工藝，將浸潤(rùn)環(huán)氧樹(shù)脂膠的碳纖維布在管道缺陷處外部纏繞粘貼形成一個(gè)復(fù)合材料修復(fù)層。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在利用碳纖維材料在纖維方向的高強(qiáng)度，結(jié)合環(huán)氧樹(shù)脂基體的粘結(jié)性能，以固化后與管道形成一個(gè)整體。

總體來(lái)說(shuō)，固化后的復(fù)合材料修復(fù)層呈現(xiàn)為碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂交疊的多層粘接結(jié)構(gòu)。在管道復(fù)合材料修復(fù)過(guò)程中，由于環(huán)境限制，通常采用常溫下的人工纏繞方式進(jìn)行修復(fù)，這種修復(fù)方式在管道維修中得到廣泛應(yīng)用，但是其修復(fù)質(zhì)量嚴(yán)重依賴于操作人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)修復(fù)過(guò)程中樹(shù)脂層的厚度與碳纖維復(fù)合材料單層厚度相近時(shí)，導(dǎo)致復(fù)合材料修復(fù)層結(jié)構(gòu)的致密性相對(duì)較差，修復(fù)層內(nèi)部容易產(chǎn)生氣泡、分層、孔隙等缺陷，進(jìn)而影響管道修復(fù)質(zhì)量。為了更好地監(jiān)測(cè)和評(píng)估管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層的修復(fù)質(zhì)量，各類無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用在修復(fù)層檢測(cè)中，以監(jiān)控修復(fù)層的結(jié)構(gòu)完整性。管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層中普遍存在的缺陷類型，如圖1所示。

從圖1中可以看出，在復(fù)合材料修復(fù)過(guò)程中，由于層間污染、粘接力不足、樹(shù)脂未完全浸潤(rùn)或樹(shù)脂中空氣未徹底排出等因素可能會(huì)產(chǎn)生諸如分層、脫粘、孔隙、空洞和纖維褶皺等缺陷。此外，在修復(fù)材料的固化過(guò)程中，碳纖維鋪層的不均勻收縮可能會(huì)引起修復(fù)層的彎曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致修復(fù)層與管道表面不能有效貼合，這種現(xiàn)象被稱為翹曲缺陷。在上述典型缺陷中，孔隙缺陷和裂紋缺陷通常尺寸微小，對(duì)修復(fù)層的有效性產(chǎn)生的影響較弱，而修復(fù)層與管道的界面分離、修復(fù)層層間的分層脫粘以及管體表面的空洞缺陷對(duì)于管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層的有效性具有顯著負(fù)面影響，因此，能夠有效檢測(cè)并進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估這類缺陷，對(duì)修復(fù)層的整體性能和管道的長(zhǎng)期安全性具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的檢測(cè)方法主要包括電磁檢測(cè)、射線檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)、超聲波成像檢測(cè)等。2020年，張榮華等提出了一種塊均質(zhì)化的建模方法，有效模擬平紋編織碳纖維復(fù)合材料的電磁特性，解決了平紋編織碳纖維復(fù)合材料的疲勞檢測(cè)問(wèn)題［12］。2022年，李紅利等提出了方塊模型和紗線模型，并基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種無(wú)需手動(dòng)旋轉(zhuǎn)的12線圈電磁式陣列渦流傳感器，成功檢測(cè)平紋碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中裂紋缺陷［13］。針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的射線檢測(cè)，近年來(lái)開(kāi)展了諸多研究。2019年，廖見(jiàn)明分析了射線檢測(cè)在復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用，認(rèn)為射線檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料中具有很大的作用［14］。李瓊艷等分析了X射線技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用探討，發(fā)現(xiàn)存在諸多不足如靈敏度低、成本高和對(duì)目標(biāo)對(duì)象的厚度存在限制［15］。董方旭對(duì)比分析了X射線斷層CT成像檢測(cè)、X射線螺旋CT成像檢測(cè)和X射線錐束CT成像檢測(cè)三種X射線CT成像檢測(cè)方法，證明了X射線錐束CT成像檢測(cè)方法在對(duì)碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料內(nèi)部分層缺陷的檢測(cè)中優(yōu)勢(shì)最大，為碳纖維復(fù)合材料射線檢測(cè)提供了借鑒意義［16］。2020年，李小麗等以復(fù)合材料內(nèi)部分層缺陷為研究對(duì)象，對(duì)比了CT技術(shù)與X射線檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)能力，認(rèn)為X射線檢測(cè)對(duì)復(fù)合材料中分層缺陷的檢測(cè)效果較差［17］。2022年，章清樂(lè)等提出了一種X射線數(shù)字成像自動(dòng)化掃描成像檢測(cè)方法，解決了大型復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的無(wú)法快速可視化檢測(cè)難題［18］。2023年，楊玉森等用X射線檢測(cè)法及高分辨率超聲脈沖反射法對(duì)單向鋪層復(fù)合材料層壓板沖擊損傷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估，認(rèn)為傳統(tǒng)X射線方法對(duì)裂紋缺陷較為敏感，但對(duì)分層缺陷無(wú)法達(dá)到檢出效果，具有一定的局限性［19］。

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的紅外熱成像檢測(cè)，近年來(lái)同樣開(kāi)展了諸多研究。2019年，南方等開(kāi)展了紅外熱成像技術(shù)對(duì)各類表面狀態(tài)下航空復(fù)合材料的檢測(cè)研究，認(rèn)為紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料檢測(cè)中，對(duì)復(fù)合材料試件的表面狀態(tài)存在一定局限性［20］。2020年，郭德偉等對(duì)比了不同的形狀及不同損傷所適用的主流無(wú)損檢測(cè)方法技術(shù)原理，并利用紅外熱成像的方法對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料開(kāi)展紅外熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了CT方法不能直觀地得到表面損傷的缺點(diǎn)［21］。2022年，朱笑等采用紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)低速?zèng)_擊載荷下的碳纖維復(fù)合材料層合板表面與內(nèi)部損傷進(jìn)行識(shí)別，解決了損傷區(qū)域弱邊緣的檢測(cè)能力不足的問(wèn)題［22］。2023年，裴翠祥等研究了一種基于衍射分束原理的激光光束整形和勻化方法，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了便攜式光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)紅外成像方法由于激光加熱不均造成的檢測(cè)能力較低等問(wèn)題［23］。

相比之下超聲檢測(cè)是最有效、應(yīng)用最為廣泛的方法之一。其中陣列超聲檢測(cè)技術(shù)以其高精度、高分辨率和非破壞性的特點(diǎn)，成為復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的重要研究方向。2019年，Lin等利用Dijkstra算法成功反演出碳纖維復(fù)合材料層壓板中聲傳播路徑并實(shí)現(xiàn)其中橫通孔的全聚焦成像，解決了陣列超聲全聚焦難以在復(fù)合材料檢測(cè)中應(yīng)用的問(wèn)題［24］。2021年，Priya等采用基于脈沖回波法的超聲C掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料中纖維裂紋和分層的檢測(cè)，解決了傳統(tǒng)C掃描成像對(duì)復(fù)合材料的檢測(cè)難題［25］。Cao等利用Dijkstra算法成功反演出碳纖維復(fù)合材料多向板R區(qū)結(jié)構(gòu)中聲傳播路徑和傳播時(shí)間，提供了復(fù)合材料聲束路徑計(jì)算的新思路［26］。曹弘毅等利用陣列超聲對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料分層缺陷進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為陣列超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料具有很高的檢測(cè)精度，對(duì)較小缺陷具有很好的檢測(cè)效果［27］。張婷等分析了褶皺缺陷的檢測(cè)和對(duì)力學(xué)性能的影響，提出了復(fù)合材料層壓板的褶皺缺陷設(shè)計(jì)容限推薦為5°，為褶皺缺陷的無(wú)損檢測(cè)提供了設(shè)計(jì)要求［28］。2022年，Jeroen等基于A掃描信號(hào)采用統(tǒng)計(jì)時(shí)間能量化方法實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料層壓板分層缺陷的C掃描成像，解決了傳統(tǒng)時(shí)間門(mén)方法難以對(duì)復(fù)雜沖擊損傷簇范圍的提取和量化問(wèn)題［29］。周正干等利用維特比算法實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料多向板中纖維褶皺缺陷的全聚焦成像，提高了檢測(cè)分辨率［30］。2023年，王俊等針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于線性陣列和環(huán)形陣列換能器的超聲檢測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)采用線陣換能器可在具有較高信噪比的同時(shí)，對(duì)厚度較?。ā?0mm）的復(fù)合材料平板試樣實(shí)現(xiàn)高效率檢測(cè)，而環(huán)陣換能器對(duì)厚度較大的平板試樣具有更高的檢測(cè)精度以及更小的成像畸變［31］。Ma等提出了一種用于多重延遲問(wèn)題的歸一化互相關(guān)峰值方法，消除一些幅度下降并平衡拖尾效應(yīng)和頻率相關(guān)效應(yīng)，解決了隨著深度增加，碳纖維鋪層信息丟失的問(wèn)題［32］。然而，上述這些方法都是針對(duì)高溫高壓環(huán)境下制作而成的碳纖維復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)內(nèi)樹(shù)脂分布均勻且樹(shù)脂層通常遠(yuǎn)薄于復(fù)合材料層，而碳纖維復(fù)合材料的修復(fù)層主要由碳纖維布編織而成，其具有的分層各向異性顯著、樹(shù)脂層厚度不均勻等特點(diǎn)，導(dǎo)致超聲波在材料中的傳播衰減更為顯著，聲束聚焦困難，反射信號(hào)的信噪比低，不易分辨。

因此，本研究聚焦于管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層的典型缺陷，旨在通過(guò)陣列超聲檢測(cè)技術(shù)，提供一種高效、準(zhǔn)確的非破壞性檢測(cè)方法，以期為管道修復(fù)層的質(zhì)量評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)，并為復(fù)合材料管道修復(fù)層中其他缺陷的檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供參考，從而為油氣管道的安全維護(hù)和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1方法過(guò)程

1.1室內(nèi)研究

1.1.1碳纖維修復(fù)層聲學(xué)傳播特性

碳纖維復(fù)合材料具有聲學(xué)各向異性，對(duì)修復(fù)層內(nèi)聲波的傳播和衰減具有顯著影響。單向碳纖維鋪層中，超聲波的傳播滿足Christoffel方程，見(jiàn)式（1）。

式中：ρ為材料密度，單位kg/m3，v為聲波相速度，單位m/s，δim為克羅內(nèi)克符號(hào)，um為質(zhì)點(diǎn)矢量方向位移，單位m，Γim為Christoffel聲學(xué)張量，其定義見(jiàn)式（2）。

式中：Cijkm為材料的4階剛度張量2;3），ni（i=1;2;3）分別對(duì)應(yīng)聲波波矢在（x;y;z）三個(gè)方向的方向余弦。

求解方程（1）可以得到ρv2的三個(gè)解，分別對(duì)應(yīng)近似縱波（qP）、近似垂直剪切波（qSV）以及近似水平剪切波（SH）。對(duì)于每一組解，都存在一個(gè)相應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)矢量方向位移，它指向該類型波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向。

各向異性介質(zhì)中，聲波相速度的方向與聲波波陣面垂直，其與聲波波包傳播方向存在一定的夾角，而聲波群速度的方向是聲波能量的傳播方向（即波包傳播方向），為了準(zhǔn)確描述聲波在各向異性材料中的傳播行為，采用群速度作為關(guān)鍵參數(shù)，其計(jì)算公式，見(jiàn)式（3）。

式中：u代表質(zhì)點(diǎn)矢量方向位移，vg為聲波能量的傳播矢量，在無(wú)能量耗散的各向異性介質(zhì)中，聲波的群速度與聲波能量傳播矢量相同。由此可得聲波的群速度的計(jì)算公式，見(jiàn)式（4）。

式中：cg為群速度的幅值，單位m/s， g為群速度的方向角。

在各向同性平面內(nèi)，彈性力學(xué)特征在各個(gè)方向上相同。在這種情況下，選擇各向同性平面為yz平面，x軸為對(duì)稱軸，橫向各向同性材料的剛度系數(shù)矩陣中總共有8個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。用于制作復(fù)合材料修復(fù)層的雙向碳纖維布通常選用T700東麗原絲，其密度ρ=1800kg/m3，可計(jì)算出鋪層的剛度系數(shù)矩陣。因此，根據(jù)公式（3）和公式（4）可以計(jì)算不同纖維鋪設(shè)角度、不同傳播方向的聲波群速度，如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)當(dāng)聲波入射平面的面內(nèi)方向角θ＜20°時(shí)，入射平面內(nèi)群速度基本相等，即當(dāng)聲波入射角度較小時(shí)，碳纖維復(fù)合材料可以近似視為各向同性材料，而當(dāng)聲波入射平面的面內(nèi)方向角θ＞20°時(shí)，單向碳纖維鋪層內(nèi)群速度受群速度方向角度影響較大。

1.1.2聲線示蹤方法

陣列超聲技術(shù)利用陣列超聲換能器產(chǎn)生和接收超聲波，以檢測(cè)材料內(nèi)部的缺陷。該技術(shù)基于波束控制原理，通過(guò)改變陣列換能器中各陣元的發(fā)射和接收信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)超聲波束的動(dòng)態(tài)聚焦和偏轉(zhuǎn)。陣列超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)線性掃描、扇形掃描和動(dòng)態(tài)深度聚焦等多種掃描方式，顯著提高了檢測(cè)的靈活性和效率，增強(qiáng)了分辨率。

當(dāng)超聲波以一定角度從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)中時(shí)，聲波在界面處會(huì)發(fā)生折射反應(yīng)，入射和折射的角度關(guān)系符合斯涅爾定律。然而，由于所涉及的復(fù)合材料修復(fù)層具有各向異性，使得直接應(yīng)用斯涅爾定律進(jìn)行聲線路徑的迭代計(jì)算變得復(fù)雜。為了解決上述技術(shù)難題，采用先離散后整合的動(dòng)態(tài)規(guī)劃思路進(jìn)行路徑搜索。以費(fèi)馬原理理論依據(jù)，即“超聲波總是沿著用時(shí)最短的路徑在空間兩定點(diǎn)之間傳播”，顯然可以將碳纖維復(fù)合材料中的聲線示蹤轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)科學(xué)圖論研究中的最短路徑問(wèn)題。若能夠獲知各離散節(jié)點(diǎn)之間的聲傳播路徑和時(shí)間信息，便可以使用維特比最短路徑搜索算法整合各離散點(diǎn)之間的路徑，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)任意兩定點(diǎn)之間的聲線路徑。具體搜索過(guò)程如下：

1）初始化：對(duì)于復(fù)合材料表面（第一層）的離散點(diǎn)，計(jì)算從聲源點(diǎn)s到這些點(diǎn)的聲傳播時(shí)間。由于第一層的點(diǎn)直接與聲源點(diǎn)相鄰，因此S到這些點(diǎn)的時(shí)間即為最短時(shí)間，聲速在楔塊中以直線傳播，計(jì)算公式為聲程除以傳播方向?qū)?yīng)的聲波群速度。

2）網(wǎng)格離散化：網(wǎng)格化的疏密直接影響聲線路徑搜索的準(zhǔn)確性和搜索效率。由于碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層單一鋪層內(nèi)近似認(rèn)為是均質(zhì)的各向異性材料，因此在厚度方向離散單位為單一鋪層厚度，而在水平方向，選擇以0.1mm等長(zhǎng)度進(jìn)行離散，兼顧搜索效率和搜索準(zhǔn)確性。

3）計(jì)算聲速空間分布：在1.1.1節(jié)中已經(jīng)說(shuō)明了單鋪層內(nèi)的聲速計(jì)算方法，根據(jù)結(jié)果可知聲速的大小與定點(diǎn)所在鋪層的纖維方向和彎曲位置有關(guān)，可以得出相鄰層兩點(diǎn)的聲速的空間分布。

4）建立聲時(shí)矩陣：用表示任意兩點(diǎn)p、q之間的傳播時(shí)間，值得注意的是，當(dāng)p、q兩點(diǎn)位于同一深度或者位于不同纖維方向鋪層內(nèi)時(shí)，聲波無(wú)法直接由p點(diǎn)傳播至q點(diǎn)，此時(shí)，僅當(dāng)p點(diǎn)和q點(diǎn)位于同一纖維鋪層中且不在同一深度時(shí)，聲波可以直接從p點(diǎn)傳播至q點(diǎn)，計(jì)算公式，見(jiàn)式（5）。

式中：v（xp;zp; p; pq）表示在纖維方向?yàn)?p的鋪層內(nèi)，與法線夾角為 pq方向上的群速度。利用上式可以計(jì)算出區(qū)域中任意兩個(gè)離散點(diǎn)之間的聲傳播時(shí)間。

5）最短路徑搜索：維特比最短路徑搜索算法本質(zhì)是一種動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，即從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑一定包含了終點(diǎn)前一個(gè)點(diǎn)的最短路徑。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先，以陣元為起點(diǎn)s，位于試樣表面的離散點(diǎn)的最短聲時(shí)路徑有且只有一條，其中m為每一層纖維鋪層的離散點(diǎn)數(shù)，最短聲時(shí)為；當(dāng)經(jīng)過(guò)第一層纖維鋪層時(shí)候，離散點(diǎn)在大量的可能路徑，其中每個(gè)離散點(diǎn)的最短聲時(shí)為；以此類推，可以找出試樣內(nèi)所有離散點(diǎn)的最短聲時(shí)，當(dāng)終點(diǎn)為e時(shí)，最短聲時(shí)為，其中n為碳纖維鋪層總數(shù)；通過(guò)迭代上述步驟，維特比最短路徑搜索算法可以計(jì)算出從聲源點(diǎn)S到復(fù)合材料修復(fù)層中任意點(diǎn)的最短傳播時(shí)間。

6）路徑回溯：最終根據(jù)回溯原理，可以從計(jì)算出的最短傳播時(shí)間反推出對(duì)應(yīng)的聲傳播路徑。

1.2應(yīng)用案例

1.2.1試驗(yàn)材料及設(shè)備準(zhǔn)備

在管道修復(fù)層中，在脫粘缺陷和腐蝕缺陷處形成空腔，使得缺陷處與周圍材料的聲速差異較大，超聲波會(huì)在此處產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射信號(hào)。在人工缺陷試樣的制作過(guò)程中，脫粘缺陷采用與復(fù)合材料聲速差異較大的泡棉和聚四氟乙烯模擬，同時(shí)采用機(jī)加工打薄的方式模擬管道表面的腐蝕缺陷。參照管道復(fù)合材料修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)方法，采用濕纏繞法進(jìn)行管道復(fù)合材料典型缺陷試樣的制備，制作過(guò)程，如圖3所示。

從圖3中可以看出，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層缺陷制作主要包括了表面打磨、缺陷模擬、纏繞碳纖維布及加熱固化，其中表面打磨為了去除表面雜質(zhì)，增加吸附力。采用專業(yè)的打磨設(shè)備對(duì)試樣表面進(jìn)行處理，確保表面粗糙度滿足工藝要求，打磨深度控制在0.2～0.3mm范圍內(nèi)，以避免對(duì)基體材料造成過(guò)度損傷。缺陷模擬階段采用精密加工方式，在碳纖維布層間預(yù)埋特定尺寸的缺陷，包括管道腐蝕、修復(fù)層層間脫粘、管體與修復(fù)層界面脫粘等典型缺陷類型。纏繞碳纖維布時(shí)，需要保持恒定的張力和纏繞角度，并實(shí)時(shí)監(jiān)控樹(shù)脂含浸量，確保其在45%～55%的理想范圍內(nèi)，每層鋪設(shè)完成后進(jìn)行壓實(shí)，以減少層間氣泡，提高修復(fù)層每層的致密度。加熱固化采用分段升溫方式，先在60℃下保溫2h，再升至80℃保溫4h，最后在120℃下保溫6h，以確保樹(shù)脂充分交聯(lián)固化并防止樹(shù)脂堆疊。

為了模擬復(fù)合材料修復(fù)層中的常見(jiàn)缺陷，使用一個(gè)管徑為559mm，管長(zhǎng)為700mm的高鋼級(jí)管道試樣，設(shè)計(jì)使用厚度為8mm的碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層（每層碳纖維布的厚度約為0.2mm，每層樹(shù)脂厚度約為0.3mm）進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)層寬度為500mm。在修復(fù)過(guò)程中預(yù)埋缺陷管道腐蝕、修復(fù)層層間脫粘、管體與修復(fù)層界面脫粘等典型缺陷，每類缺陷設(shè)置三種不同尺寸，缺陷的分布，如圖4所示。

從圖4中可以看出，每段修復(fù)層內(nèi)部均埋有模擬管體表面腐蝕缺陷（機(jī)加工打?。?，模擬修復(fù)層與管體界面脫粘缺陷（泡棉）以及模擬修復(fù)層層間脫粘缺陷（泡棉和聚四氟乙烯）四種類型的缺陷。其中每類缺陷包含三個(gè)不同大小的人工缺陷。試樣中詳細(xì)的缺陷位置及尺寸，見(jiàn)表1。

從表1中可以看出，每種類型的缺陷都包含三種不同尺寸，用于研究對(duì)不同尺寸缺陷的檢測(cè)能力。此外，修復(fù)層層間脫粘缺陷包含了兩種不同材料進(jìn)行模擬，管體表面腐蝕缺陷是通過(guò)對(duì)管體打磨進(jìn)行均勻減薄來(lái)模擬，厚度均為2.0mm，而其他缺陷厚度均為1.0mm。

傳統(tǒng)的手動(dòng)超聲檢測(cè)應(yīng)用于大面積的管道復(fù)合材料修復(fù)層時(shí)效率低下，無(wú)法檢測(cè)缺陷全貌，因此研究引入自動(dòng)化陣列超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)修復(fù)層進(jìn)行檢測(cè)，如圖5所示。

從圖5中可以看出，該自動(dòng)化掃查系統(tǒng)主要由雙驅(qū)動(dòng)單元、超聲板卡，掃查軸等部分組成，通過(guò)上位機(jī)的兩個(gè)網(wǎng)口分別傳輸超聲信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器控制驅(qū)動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)。其中，步進(jìn)軸驅(qū)動(dòng)單元可磁性吸附于管道表面，沿著垂直于管道母線方向運(yùn)動(dòng)，掃查軸攜帶陣列超聲檢測(cè)探頭沿著管道母線方向運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行管道修復(fù)層的柵格線性C掃描。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用的換能器是32陣元線性陣列探頭，中心頻率為1MHz，陣元間距為1.5mm，陣元數(shù)量為32，激發(fā)孔徑為8，聚焦深度12mm，使用的楔塊高度為20mm，聲速為2337m/s，超聲探頭與修復(fù)層通過(guò)噴水進(jìn)行耦合。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料修復(fù)層試樣采集陣列超聲數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入MATLAB軟件進(jìn)行后處理C掃描成像分析。

1.2.2試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

試驗(yàn)旨在通過(guò)自動(dòng)化陣列超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層中的缺陷進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)，并對(duì)缺陷的空間分布及尺寸進(jìn)行定量分析。

首先對(duì)試樣表面進(jìn)行全面清潔和打磨處理，確保其表面無(wú)雜質(zhì)和不平整部分，避免出現(xiàn)超聲探頭和試樣之間難以耦合問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)預(yù)先對(duì)復(fù)合材料修復(fù)層的仿真分析，確定合適的檢測(cè)參數(shù)，包括選擇陣列超聲換能器主頻、激發(fā)孔徑、采樣率等，以確保信號(hào)的準(zhǔn)確采集和數(shù)據(jù)的高質(zhì)量重建。

接著，確定復(fù)合材料修復(fù)層的掃描區(qū)域和掃描速度，在掃描檢測(cè)階段通過(guò)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)探頭沿管道母線方向的精確線性掃描，同時(shí)，超聲探頭通過(guò)步進(jìn)軸在垂直方向上逐步運(yùn)動(dòng)，覆蓋整個(gè)管道修復(fù)層區(qū)域。在掃描過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集到的反射信號(hào)將經(jīng)過(guò)超聲成像系統(tǒng)進(jìn)行初步處理，主要包括去噪、衰減補(bǔ)償、歸一化等操作，并初步成像顯示。

最后，將采集到的超聲信號(hào)導(dǎo)入MATLAB處理軟件，設(shè)置合適的時(shí)間閘門(mén)，成像閾值等參數(shù)，生成高質(zhì)量的碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層陣列超聲C掃描圖像。同時(shí)，根據(jù)C掃描圖像對(duì)修復(fù)層中的各類缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并根據(jù)回波特征與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行比對(duì)，確定缺陷的位置、形態(tài)和尺寸。

此試驗(yàn)流程通過(guò)嚴(yán)格的試樣制備、精確的掃描數(shù)據(jù)采集與高效的圖像處理手段，確保了缺陷檢測(cè)的高效性、準(zhǔn)確性與可重復(fù)性，為管道復(fù)合材料修復(fù)層的超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

分別通均質(zhì)化聲速法和聲線示蹤法計(jì)算聚焦法則，使用二維掃查器采集陣列超聲線掃C掃描數(shù)據(jù)，成像閘門(mén)均設(shè)置在二次回波位置，C掃成像結(jié)果，如圖6所示。

從圖6中可以看出，使用均質(zhì)化聲速法進(jìn)行C掃描成像，僅能對(duì)修復(fù)層層間脫粘缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)修復(fù)層管體界面脫粘缺陷和管體表面腐蝕缺陷均無(wú)法有效成像，且部分缺陷出現(xiàn)位移和形狀發(fā)生畸變，這是由于聲束無(wú)法有效聚焦引起的。而使用聲線示蹤法進(jìn)行C掃描成像，所有的層間脫粘缺陷和界面脫粘缺陷均被檢測(cè)成像，可以區(qū)分粘接界面的完好與否；但是管體表面腐蝕缺陷無(wú)法檢測(cè)出來(lái)，這是由于腐蝕區(qū)域樹(shù)脂滲露，聲波能量衰減變大，回波信號(hào)微弱，難以有效成像。相比于傳統(tǒng)的均質(zhì)化聲速方法，使用聲線示蹤法檢測(cè)管道碳纖維復(fù)合材料缺陷漏檢率降低25%，驗(yàn)證了方法的可行性。

為了量化檢測(cè)效果，使用?6dB法定量缺陷的大小，并與真實(shí)缺陷尺寸對(duì)比，計(jì)算成像精度，見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，整體上使用聲線示蹤法計(jì)算的缺陷尺寸更加接近真實(shí)缺陷尺寸，缺陷定量平均精度提高了46.6%。其中對(duì)于用泡棉模擬的層間脫粘缺陷（1#，2#，3#），使用聲線示蹤法提升的精度小于用聚四氟乙烯模擬的層間脫粘缺陷（7#，8#，9#），說(shuō)明相較于聚四氟乙烯，泡棉由于其結(jié)構(gòu)疏松，能夠更好地模擬試樣中的脫粘缺陷，因此在C型圖像中表現(xiàn)出更加清晰的缺陷圖像。而對(duì)于同樣由泡棉模擬的修復(fù)層與管體界面脫粘缺陷（4#，5#，6#），使用聲線示蹤法可以有效檢測(cè)到，但是相比于（1#，2#，3#）的修復(fù)層脫粘缺陷，缺陷定量尺寸偏差變大，使用均質(zhì)化聲速法則完全無(wú)法檢測(cè)，說(shuō)明深層區(qū)域?qū)τ诼暡ㄋp性變大，回波幅值被削弱，缺陷檢出能力變?nèi)酢?/p>

2結(jié)果現(xiàn)象討論

2.1缺陷漏檢率降低25%的原因分析

從實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，使用均質(zhì)化聲速法C掃成像在12個(gè)預(yù)埋缺陷中只檢測(cè)出6個(gè)缺陷，漏檢率為50%，而使用聲線失蹤法C掃成像在12個(gè)預(yù)埋缺陷中檢測(cè)出9個(gè)缺陷，漏檢率為25%。相比與傳統(tǒng)的均質(zhì)化聲速法，使用聲線失蹤法對(duì)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層進(jìn)行C掃描成像，缺陷漏檢率降低了25%。

為了直觀分析漏檢率降低的原因，需要計(jì)算在碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層中的傳播時(shí)間。2018年，Lin等提出使用基于模型底面反射法（back-wallreflectionmethod，BRM）［33］計(jì)算qP波在復(fù)合材料碳纖維層壓板中的傳播時(shí)間，解決了傳統(tǒng)全聚焦方法對(duì)于碳纖維復(fù)合材料層壓板檢測(cè)靈敏度低的問(wèn)題，證明了在提供準(zhǔn)確速度模型的前提下，基于模型的方法計(jì)算碳纖維復(fù)合材料中qP波傳播時(shí)間是有效的，如圖7所示。

從圖7中可以看出，在使用均質(zhì)化聲速計(jì)算聲傳播時(shí)間，只有前10個(gè)陣元接近BRM實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，當(dāng)接收陣元與發(fā)射陣元的距離更遠(yuǎn)時(shí)，兩者差值迅速增加；而聲線示蹤法所有陣元計(jì)算的聲傳播時(shí)間都與RBM測(cè)得的值接近，說(shuō)明聲線示蹤法計(jì)算的聲傳播時(shí)間與真實(shí)復(fù)合材料修復(fù)層中聲波傳播時(shí)間相近，聚焦性能得到提升，具備更加的檢測(cè)能力。這與文獻(xiàn)［33］中Lin等通過(guò)仿真建立復(fù)合材料碳纖多向板模型，模擬BRM測(cè)量得到的qP波傳播時(shí)間的結(jié)果呈現(xiàn)高度一致性。文獻(xiàn)［30］中，周正干等解釋說(shuō)明了這種現(xiàn)象是由于碳纖維復(fù)合材料中多層結(jié)構(gòu)的層間多次反射以及層間碳纖維各向異性引起聲波傳播行為發(fā)生偏差導(dǎo)致的，不能直接等效于在各向同性介質(zhì)中傳播，僅當(dāng)入射聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于碳纖維復(fù)合材料的單鋪層厚度的前提下，均質(zhì)化聲速法計(jì)算的傳播時(shí)間接近實(shí)際值。

因此，使用聲線示蹤法進(jìn)行C掃描成像，可以準(zhǔn)確計(jì)算每個(gè)陣元發(fā)射聲波到達(dá)聚焦目標(biāo)位置的聲傳播時(shí)間和傳播路徑，相比與傳統(tǒng)的均質(zhì)化聲速方法，在相同激發(fā)孔徑條件下，聲線示蹤法能夠?qū)崿F(xiàn)更為精準(zhǔn)的聲束聚焦。這不僅提高了聲波的傳播能量，還使聲波能夠穿透更深的區(qū)域，進(jìn)而提升了檢測(cè)的深度和精度。特別是在檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料中的底部修復(fù)層與管體界面脫粘缺陷時(shí)，聲線示蹤法能夠準(zhǔn)確捕捉到回波信號(hào)。這是因?yàn)槁暡ㄔ诰劢箷r(shí)能有效地集中能量，確保能夠到達(dá)較深的區(qū)域并準(zhǔn)確反射回來(lái)，從而識(shí)別這些較為隱蔽的缺陷。

但是，聲線示蹤法在聚焦和深度檢測(cè)方面具備優(yōu)勢(shì)，但是由于腐蝕區(qū)域樹(shù)脂滲漏，導(dǎo)致聲波傳播過(guò)程中能量的顯著衰減，進(jìn)一步減弱了回波信號(hào)，同時(shí)聲波在變厚的樹(shù)脂層之間多次反射同樣導(dǎo)致能量的耗散，使得檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性降低。在這種情況下，聲波的傳播路徑和能量分布受到影響，從而導(dǎo)致腐蝕缺陷的回波信號(hào)可能難以被有效捕捉。這也是聲線示蹤法依舊無(wú)法檢測(cè)出管體與修復(fù)層界面的腐蝕缺陷的原因。

2.2缺陷定量平均精度提高46.6%的原因分析

由于實(shí)驗(yàn)試樣中預(yù)埋缺陷均為面積型缺陷，以?6dB法定量的缺陷面積和實(shí)際缺陷的面積比來(lái)代表精度，聲線示蹤法提升的精度計(jì)算方法見(jiàn)式（6）。

式中：p1和p2分別表示聲線示蹤法和均質(zhì)化聲速法定量缺陷的精度，S1、S2和S0分別表示聲線示蹤法定量缺陷面積、均質(zhì)化聲速法定量缺陷面積和實(shí)際缺陷面積。因此，可以計(jì)算出聲線示蹤法定量缺陷平均精度提高了46.6%。

為了直觀分析精度提高的原因，建立碳纖維復(fù)合材料COMSOL仿真模型，模型底部設(shè)置分層缺陷，同時(shí)確?？梢越邮盏饺毕菸恢玫幕夭ㄐ盘?hào)，分別設(shè)置聲線示蹤法和均質(zhì)化聲速法計(jì)算的聚焦法則，直觀顯示聲線示蹤法和均質(zhì)化聲速法計(jì)算的聚焦法則在復(fù)合材料修復(fù)層中的傳播情況，如圖8所示。

從圖8中可以看出，采用均質(zhì)化聲速法計(jì)算的聚焦法則無(wú)法在碳纖維復(fù)合材料中準(zhǔn)確聚焦到缺陷位置，且傳播路徑存在復(fù)雜的聲波散射現(xiàn)象，同時(shí)接收回波能量渙散，回波信號(hào)干擾嚴(yán)重；而采用聲線示蹤法計(jì)算的聚焦法則可以準(zhǔn)確控制聲束在碳纖維復(fù)合材料中聚焦到缺陷位置，聚焦聲波覆蓋缺陷邊緣，聲波多路徑效應(yīng)和散射減弱，同時(shí)接收的回波能量同樣聚焦，信號(hào)干擾減弱。正如文獻(xiàn)［24］中指出的，使用均質(zhì)化聲速法會(huì)過(guò)度簡(jiǎn)化材料特性，忽略了材料在不同方向上聲學(xué)性質(zhì)的差異，這導(dǎo)致聲波在傳播過(guò)程中產(chǎn)生偏離理想路徑的現(xiàn)象。此外，由于碳纖維和樹(shù)脂層界面的阻抗差異，聲波會(huì)發(fā)生復(fù)雜的散射，均質(zhì)化聲速法無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這種散射效應(yīng)，造成能量的分散和衰減，而聲線示蹤法通過(guò)考慮材料的微觀結(jié)構(gòu)，能夠更好地描述聲波與材料界面的相互作用。

在可檢缺陷的前提下，聲線示蹤法能夠有效減弱由于波束散射或多路徑效應(yīng)帶來(lái)的影響，增強(qiáng)了回波信號(hào)的強(qiáng)度，直接表現(xiàn)為在C掃圖像中偽像變少，缺陷邊緣相形貌更加清晰，能夠精確反映缺陷的實(shí)際尺寸和位置，從而減少了測(cè)量誤差，提高了檢測(cè)精度。相比之下，均質(zhì)化聲速法由于忽略了材料內(nèi)部的局部各向異性，導(dǎo)致聲波傳播時(shí)聚焦聲束發(fā)生偏差，回波信號(hào)中成分復(fù)雜，包含大量的層間散射信號(hào)，在C掃圖像中表現(xiàn)為偽像增加、缺陷位置發(fā)生位移、缺陷形狀發(fā)生畸變等現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，精度較差。

因此，聲線示蹤法在缺陷定量方面展現(xiàn)了明顯優(yōu)勢(shì)，有效避免了聲波的過(guò)度衰減和散射，提高了缺陷尺寸測(cè)量的準(zhǔn)確性，提升了檢測(cè)精度。

3結(jié)論

將陣列超聲聲線示蹤C(jī)掃描成像方法引入管道復(fù)合材料修復(fù)層缺陷檢測(cè)是完全可行且有效的，該方法首先通過(guò)理論分析碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層聲學(xué)特性，建立仿真模型優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)，然后根據(jù)聲束示蹤法計(jì)算陣列超聲線性掃查聚焦法則，最后通過(guò)磁吸式掃查器采集C掃檢測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行成像分析。通過(guò)制備預(yù)埋管體腐蝕缺陷、管體與修復(fù)層界面脫粘缺陷以及修復(fù)層層間脫粘缺陷的管道復(fù)合材料修復(fù)試樣進(jìn)行檢測(cè)成像試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)均質(zhì)化聲速檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)本文研究，使用傳統(tǒng)均質(zhì)化聲速法進(jìn)行陣列超聲C掃描成像，由于無(wú)法對(duì)聲束有效聚焦，僅能對(duì)修復(fù)層層間脫粘缺陷進(jìn)行檢測(cè)，且缺陷形狀位置發(fā)生畸變和位移；方法對(duì)所有的層間脫粘缺陷和界面脫粘缺陷均可有效檢測(cè)，可以區(qū)分粘接界面的完好與否；相比均質(zhì)化聲速法，缺陷漏檢率降低25%，缺陷定量平均精度提高了46.6%，進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的有效性。

（2）目前研究結(jié)果表明還存在管道腐蝕缺陷無(wú)法被有效檢測(cè)的問(wèn)題，這是因?yàn)楣艿栏g缺陷本身位于修復(fù)層底部，聲波受到碳纖維各向異性、層間多次反射和高衰減性影響較大，且腐蝕缺陷特性導(dǎo)致修復(fù)層樹(shù)脂大量滲入，聲波能量衰減急劇變大，即使聲束可以有效聚焦，能反射回來(lái)的聲波依舊能量非常弱甚至無(wú)法被有效接收。

（3）未來(lái)可以通過(guò)頻率選擇性補(bǔ)償技術(shù)對(duì)衰減較大的聲波頻段進(jìn)行增強(qiáng)以及優(yōu)化陣列超聲換能器降低樹(shù)脂對(duì)聲波傳播的影響等方法解決管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)層管體腐蝕缺陷的無(wú)損檢測(cè)。