內(nèi)襯防腐管道分層缺陷評(píng)估技術(shù)研究*

李茂東　林曉輝 楊波 洪曉斌

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內(nèi)襯防腐管道分層缺陷評(píng)估技術(shù)研究*

李茂東1林曉輝2楊波1洪曉斌2

（1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

內(nèi)襯防腐管道大量應(yīng)用于石油化工行業(yè)，由于復(fù)雜的工作環(huán)境，管道中可能產(chǎn)生分層缺陷，使金屬層得不到保護(hù)，容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。常規(guī)的檢測方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)分層缺陷損傷程度的評(píng)估檢測。基于非線性超聲理論，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用PZT應(yīng)變片作為發(fā)射和接收傳感器，研究單一諧波激勵(lì)下利用非線性諧波分量表征內(nèi)襯防腐管道分層缺陷的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于小波能量法的二次諧波系數(shù)隨著缺陷寬度的加大而大致呈單調(diào)減小的趨勢，利用這個(gè)趨勢可以評(píng)估內(nèi)襯防腐管道的分層缺陷損傷程度。

內(nèi)襯防腐管道；分層缺陷；非線性超聲；小波能量值

0　引言

管道元件是石油化工產(chǎn)業(yè)中最重要的設(shè)備之一，目前在石油化工行業(yè)中仍然以使用防腐壓力管道元件為主。壓力管道所處外部環(huán)境惡劣，容易使防腐層產(chǎn)生腐蝕甚至引發(fā)泄漏事故，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于內(nèi)襯防腐壓力管道元件，因內(nèi)襯工藝不完善以及長期處于流體、腐蝕、多種化學(xué)物質(zhì)混合等環(huán)境，內(nèi)襯防腐壓力管道元件較外防腐壓力管道元件的腐蝕損傷情況更為復(fù)雜與嚴(yán)重，大部分管道的穿孔泄漏事故是因內(nèi)襯防腐層發(fā)生分層損傷，進(jìn)而發(fā)展至破裂使得金屬失去保護(hù)而導(dǎo)致的。

目前對(duì)防腐層的研究主要集中于外防腐層，有較成熟的檢測方法與儀器，然而外防腐層的檢測方法大部分并不適用于內(nèi)防腐蝕材料。內(nèi)襯防腐管道的界面缺陷主要表現(xiàn)為分層、氣孔、縮孔和裂紋等。目前對(duì)防腐層界面損傷的研究主要有漏磁檢測方法、渦流檢測法、聲發(fā)射法、超聲脈沖回波法和超聲導(dǎo)波法等。Jun J等使用掃描式的漏磁探頭結(jié)合霍爾傳感器陣列來檢測復(fù)合材料中的裂紋情況，并對(duì)其檢測能力進(jìn)行討論[1]。Yang HC等通過使用脈沖渦流檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬涂層的厚度檢測，同時(shí)討論了脈沖渦流檢測與金屬覆蓋層的相互作用[2]。阿根廷圣馬丁國家大學(xué)的Piotrkowski R等將小波變換引入聲發(fā)射技術(shù)，檢測帶有鉻氮化物和鈦氮化物的鋼樣本，探索研究了涂層接合的失效機(jī)制[3]。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的Suga Y等利用超聲波方法研究了噴敷層的脫粘現(xiàn)象，并探索了影響超聲波檢測效果的相關(guān)因素[4]。韓國先進(jìn)科技學(xué)院的Sohn H等探索使用非接觸超聲導(dǎo)波檢測多層復(fù)合材料中隱藏的脫層現(xiàn)象的可行性[5]。

漏磁檢測、渦流檢測等常規(guī)的無損檢測手段因需要鐵磁體或?qū)щ婓w才能發(fā)揮作用，不適用于對(duì)內(nèi)襯防腐管道界面損傷的檢測。紅外熱波等檢測方法因內(nèi)襯防腐層較厚，需要激勵(lì)源功率較大，且難以在管道中操作，也不適用于對(duì)內(nèi)襯防腐管道界面損傷的檢測。聲發(fā)射法只能在損傷發(fā)生時(shí)接收應(yīng)力波信號(hào)，對(duì)于未知損傷與否的內(nèi)襯防腐管道的檢測效果有限；而超聲回波法存在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測的局限性，同時(shí)在多層結(jié)構(gòu)中超聲波的折射和反射較為復(fù)雜，難以提取出有效的回波信號(hào)，因此這2種傳統(tǒng)的超聲方法均不適用于對(duì)內(nèi)襯防腐管道界面損傷的檢測。近年來的研究表明，表面涂層的損傷及涂層與基體材料間的界面粘接狀況與超聲信號(hào)的非線性效應(yīng)密切相關(guān)[6]。本文基于非線性超聲理論，搭建內(nèi)襯防腐管道分層缺陷檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過提取非線性損傷分量，尋找能夠表征分層缺陷損傷程度的特征量，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)襯防腐管道分層缺陷損傷程度的評(píng)估。

1　內(nèi)襯防腐管道分層缺陷檢測原理

1.1　內(nèi)襯防腐層管道中的非線性超聲調(diào)制現(xiàn)象及非線性系數(shù)

內(nèi)襯防腐管道由金屬層和非金屬層組成，屬于固-固復(fù)合材料。固體材料具有體彈性和切變彈性，在外力作用下會(huì)同時(shí)產(chǎn)生體形變和切向形變?？紤]外力作用下的位移-應(yīng)變公式和位移-應(yīng)力公式，忽略物理強(qiáng)度的影響[7]，可得到三維情況下，內(nèi)襯防腐管道中的聲波動(dòng)方程

在單一頻率信號(hào)的激勵(lì)下，方程(1)的解根據(jù)微擾動(dòng)近似理論[8]可以假設(shè)為

1.2　內(nèi)襯防腐管道分層損傷非線性分量評(píng)估

其中，是頻率范圍；指總的采集數(shù)據(jù)；定義第個(gè)經(jīng)過分解的能量信號(hào)可以表示為

將第個(gè)能量向量定義為

基于上面公式推導(dǎo)，定義第個(gè)能量向量的小波能量值為

基于小波包變化的小波能量值對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析，從能量角度衡量接收信號(hào)對(duì)于分層缺陷的反映，而定義基于小波能量值的非線性諧波系數(shù)，可更好地與非線性理論結(jié)合，來評(píng)價(jià)分層缺陷。

2　內(nèi)襯防腐管道分層缺陷評(píng)估實(shí)驗(yàn)

2.1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于單一諧波激勵(lì)下的非線性超聲理論，搭建內(nèi)襯防腐管道分層缺陷評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1　內(nèi)襯防腐管道分層缺陷評(píng)估實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由波形生成軟件、波形發(fā)生器、放大器和采集軟件組成。采集卡使用PCI-20614數(shù)據(jù)采集卡并集成于上位機(jī)中，波形生成軟件和采集軟件在上位機(jī)中控制操作。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，首先利用信號(hào)生成軟件生成單一頻率的激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過放大器放大后通過發(fā)射傳感器在內(nèi)襯防腐管道中激勵(lì)出超聲波；然后在管道上的另一端用接收傳感器接收傳播了一段距離的超聲波；最后用采集卡將超聲波信號(hào)采集后送到上位機(jī)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示。

圖2　分層缺陷檢測實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射傳感器和接收傳感器都選擇6 mm× 6 mm×1 mm的厚度型PZT應(yīng)變片，并將應(yīng)變片通過環(huán)氧樹脂固定在內(nèi)襯防腐管道外表面平行與軸線的同一直線上。發(fā)射傳感器和接收傳感器之間距離為100 mm，實(shí)驗(yàn)使用的內(nèi)襯防腐管道如圖3所示。

分層缺陷保持周向長度為50 mm，寬度的增加代表分層缺陷損傷程度的增加，缺陷位于發(fā)射傳感器與接收傳感器中間的位置，不同寬度的缺陷如表1所示。

表1　不同缺陷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的缺陷長度

圖3　實(shí)驗(yàn)用內(nèi)襯防腐管道側(cè)視圖

2.2　分層缺陷評(píng)估實(shí)驗(yàn)

在激發(fā)激勵(lì)信號(hào)前，需選擇合適的信號(hào)頻率。首先進(jìn)行掃頻實(shí)驗(yàn)，通過發(fā)射傳感器激勵(lì)0 Hz~500 kHz的掃頻信號(hào)，得到信號(hào)的頻譜圖如4所示。

圖4　內(nèi)襯防腐管道掃頻信號(hào)頻譜圖

由圖4可知，激勵(lì)信號(hào)在100 kHz、200 kHz附近響應(yīng)較好。為最大化激發(fā)的信號(hào)以及接收到的相應(yīng)諧波分量，應(yīng)盡量使基波頻率、二次諧波頻率落在響應(yīng)較好的范圍內(nèi)。為此，本文選擇100 kHz的正弦信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，二次諧波分量對(duì)應(yīng)的頻率為200 kHz。

通過在不同缺陷狀態(tài)下的內(nèi)襯防腐管道中激勵(lì)單一頻率正弦信號(hào)，在接收傳感器中采集信號(hào)進(jìn)行分析。首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行去除工頻的陷波處理，將其通過中心頻率分別為基波頻率、二次諧波頻率的帶通濾波器；再分別對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行小波包變換，依據(jù)式(8)~式(11)，計(jì)算出基波和二次諧波小波能量值，分別如圖5和圖6所示。

圖5　基波小波能量值

從圖5和圖6中可以發(fā)現(xiàn)：基波的小波能量值在一定的波動(dòng)范圍內(nèi)波動(dòng)，這是因每次發(fā)射激勵(lì)信號(hào)時(shí)儀器設(shè)備誤差導(dǎo)致的；二次諧波能量值大致呈隨缺陷寬度增加而減小的規(guī)律。結(jié)合非線性超聲理論，通過式(12)，計(jì)算基于小波能量值的二次諧波非線性系數(shù)，如圖7所示，可見隨著缺陷寬度的增加，基于小波能量值的二次諧波系數(shù)呈下降趨勢，從而利用基于小波能量值的二次諧波系數(shù)可對(duì)分層缺陷進(jìn)行有效評(píng)估。

圖7　基于小波能量值的二次諧波系數(shù)

3　結(jié)論

本文基于非線性超聲理論，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了單一諧波激勵(lì)下利用非線性諧波分量表征內(nèi)襯防腐管道分層缺陷的方法。首先根據(jù)管道對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)頻譜圖，選擇二次諧波有較好響應(yīng)的100 kHz正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)；接著對(duì)接收到的信號(hào)，進(jìn)行傅里葉變換得到其頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)二次諧波的存在；最后基于非線性理論計(jì)算二次諧波系數(shù)，發(fā)現(xiàn)二次諧波系數(shù)隨著缺陷寬度的增大而減小規(guī)律。該規(guī)律對(duì)分層缺陷檢測的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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Research on Evaluation Technology of Layer Defect of Inner Anticorrosion Pipes

Li Maodong1Lin Xiaohui2Yang Bo1Hong Xiaobin2

(1. Guangzhou Research Institute of Special Pressure Equipment Testing 2. School of Mechanical Engineering, South China University of Technology)

Inner anticorrosion pipes are widely used in oil and chemical industry. Layer defect may occur due to the complicated working environment, which may prevent the plastic layer from protecting the outer steel pipe and cause safety accidents. Common detecting methods are incapable to assess the damage of layer defect. Based on nonlinear ultrasonic theory, this paper investigated the method of evaluate the layer defect by using the nonlinear harmonic wave caused by single frequency sinewave. By building up the experimental platform, experiments utilizing the nonlinear characteristics have been carried out. Results shows that the second harmonic index decreases as the damage width increase, which can be utilized to evaluate the layer defect of the inner anticorrosion pipes.

Inner Anticorrosion Pipes; Layer Defect; Nonlinear Ultrasonic; Wavelet Energy

李茂東，男，1972年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：承壓類特種設(shè)備安全檢測。E-mail: 2453962572@qq.com

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目(2016CT15)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201607010171)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng) (x2jqD2173610)。