内衬防腐管道分层缺陷评估技术研究*

李茂东　林晓辉 杨波 洪晓斌



内衬防腐管道分层缺陷评估技术研究*

李茂东1林晓辉2杨波1洪晓斌2

（1.广州特种承压设备检测研究院 2.华南理工大学机械与汽车工程学院）

内衬防腐管道大量应用于石油化工行业，由于复杂的工作环境，管道中可能产生分层缺陷，使金属层得不到保护，容易导致安全事故的发生。常规的检测方法难以实现对分层缺陷损伤程度的评估检测。基于非线性超声理论，通过搭建实验平台，采用PZT应变片作为发射和接收传感器，研究单一谐波激励下利用非线性谐波分量表征内衬防腐管道分层缺陷的方法。实验结果表明：基于小波能量法的二次谐波系数随着缺陷宽度的加大而大致呈单调减小的趋势，利用这个趋势可以评估内衬防腐管道的分层缺陷损伤程度。

内衬防腐管道；分层缺陷；非线性超声；小波能量值

0　引言

管道元件是石油化工产业中最重要的设备之一，目前在石油化工行业中仍然以使用防腐压力管道元件为主。压力管道所处外部环境恶劣，容易使防腐层产生腐蚀甚至引发泄漏事故，造成严重经济损失。对于内衬防腐压力管道元件，因内衬工艺不完善以及长期处于流体、腐蚀、多种化学物质混合等环境，内衬防腐压力管道元件较外防腐压力管道元件的腐蚀损伤情况更为复杂与严重，大部分管道的穿孔泄漏事故是因内衬防腐层发生分层损伤，进而发展至破裂使得金属失去保护而导致的。

目前对防腐层的研究主要集中于外防腐层，有较成熟的检测方法与仪器，然而外防腐层的检测方法大部分并不适用于内防腐蚀材料。内衬防腐管道的界面缺陷主要表现为分层、气孔、缩孔和裂纹等。目前对防腐层界面损伤的研究主要有漏磁检测方法、涡流检测法、声发射法、超声脉冲回波法和超声导波法等。Jun J等使用扫描式的漏磁探头结合霍尔传感器阵列来检测复合材料中的裂纹情况，并对其检测能力进行讨论[1]。Yang HC等通过使用脉冲涡流检测技术实现对金属涂层的厚度检测，同时讨论了脉冲涡流检测与金属覆盖层的相互作用[2]。阿根廷圣马丁国家大学的Piotrkowski R等将小波变换引入声发射技术，检测带有铬氮化物和钛氮化物的钢样本，探索研究了涂层接合的失效机制[3]。日本庆应义塾大学的Suga Y等利用超声波方法研究了喷敷层的脱粘现象，并探索了影响超声波检测效果的相关因素[4]。韩国先进科技学院的Sohn H等探索使用非接触超声导波检测多层复合材料中隐藏的脱层现象的可行性[5]。

漏磁检测、涡流检测等常规的无损检测手段因需要铁磁体或导电体才能发挥作用，不适用于对内衬防腐管道界面损伤的检测。红外热波等检测方法因内衬防腐层较厚，需要激励源功率较大，且难以在管道中操作，也不适用于对内衬防腐管道界面损伤的检测。声发射法只能在损伤发生时接收应力波信号，对于未知损伤与否的内衬防腐管道的检测效果有限；而超声回波法存在点对点检测的局限性，同时在多层结构中超声波的折射和反射较为复杂，难以提取出有效的回波信号，因此这2种传统的超声方法均不适用于对内衬防腐管道界面损伤的检测。近年来的研究表明，表面涂层的损伤及涂层与基体材料间的界面粘接状况与超声信号的非线性效应密切相关[6]。本文基于非线性超声理论，搭建内衬防腐管道分层缺陷检测实验平台，通过提取非线性损伤分量，寻找能够表征分层缺陷损伤程度的特征量，实现对内衬防腐管道分层缺陷损伤程度的评估。

1　内衬防腐管道分层缺陷检测原理

1.1　内衬防腐层管道中的非线性超声调制现象及非线性系数

内衬防腐管道由金属层和非金属层组成，属于固-固复合材料。固体材料具有体弹性和切变弹性，在外力作用下会同时产生体形变和切向形变。考虑外力作用下的位移-应变公式和位移-应力公式，忽略物理强度的影响[7]，可得到三维情况下，内衬防腐管道中的声波动方程

在单一频率信号的激励下，方程(1)的解根据微扰动近似理论[8]可以假设为

1.2　内衬防腐管道分层损伤非线性分量评估

其中，是频率范围；指总的采集数据；定义第个经过分解的能量信号可以表示为

将第个能量向量定义为

基于上面公式推导，定义第个能量向量的小波能量值为

基于小波包变化的小波能量值对信号进行处理分析，从能量角度衡量接收信号对于分层缺陷的反映，而定义基于小波能量值的非线性谐波系数，可更好地与非线性理论结合，来评价分层缺陷。

2　内衬防腐管道分层缺陷评估实验

2.1　实验平台

基于单一谐波激励下的非线性超声理论，搭建内衬防腐管道分层缺陷评估实验平台如图1所示。

图1　内衬防腐管道分层缺陷评估实验平台

实验平台由波形生成软件、波形发生器、放大器和采集软件组成。采集卡使用PCI-20614数据采集卡并集成于上位机中，波形生成软件和采集软件在上位机中控制操作。实验操作时，首先利用信号生成软件生成单一频率的激励信号，信号经过放大器放大后通过发射传感器在内衬防腐管道中激励出超声波；然后在管道上的另一端用接收传感器接收传播了一段距离的超声波；最后用采集卡将超声波信号采集后送到上位机进行处理。实验原理图如图2所示。

图2　分层缺陷检测实验原理图

实验中，发射传感器和接收传感器都选择6 mm× 6 mm×1 mm的厚度型PZT应变片，并将应变片通过环氧树脂固定在内衬防腐管道外表面平行与轴线的同一直线上。发射传感器和接收传感器之间距离为100 mm，实验使用的内衬防腐管道如图3所示。

分层缺陷保持周向长度为50 mm，宽度的增加代表分层缺陷损伤程度的增加，缺陷位于发射传感器与接收传感器中间的位置，不同宽度的缺陷如表1所示。

表1　不同缺陷状态对应的缺陷长度

图3　实验用内衬防腐管道侧视图

2.2　分层缺陷评估实验

在激发激励信号前，需选择合适的信号频率。首先进行扫频实验，通过发射传感器激励0 Hz~500 kHz的扫频信号，得到信号的频谱图如4所示。

图4　内衬防腐管道扫频信号频谱图

由图4可知，激励信号在100 kHz、200 kHz附近响应较好。为最大化激发的信号以及接收到的相应谐波分量，应尽量使基波频率、二次谐波频率落在响应较好的范围内。为此，本文选择100 kHz的正弦信号作为发射信号，二次谐波分量对应的频率为200 kHz。

通过在不同缺陷状态下的内衬防腐管道中激励单一频率正弦信号，在接收传感器中采集信号进行分析。首先对接收信号进行去除工频的陷波处理，将其通过中心频率分别为基波频率、二次谐波频率的带通滤波器；再分别对滤波后的信号进行小波包变换，依据式(8)~式(11)，计算出基波和二次谐波小波能量值，分别如图5和图6所示。

图5　基波小波能量值

从图5和图6中可以发现：基波的小波能量值在一定的波动范围内波动，这是因每次发射激励信号时仪器设备误差导致的；二次谐波能量值大致呈随缺陷宽度增加而减小的规律。结合非线性超声理论，通过式(12)，计算基于小波能量值的二次谐波非线性系数，如图7所示，可见随着缺陷宽度的增加，基于小波能量值的二次谐波系数呈下降趋势，从而利用基于小波能量值的二次谐波系数可对分层缺陷进行有效评估。

图7　基于小波能量值的二次谐波系数

3　结论

本文基于非线性超声理论，搭建实验平台，研究了单一谐波激励下利用非线性谐波分量表征内衬防腐管道分层缺陷的方法。首先根据管道对不同频率信号的响应频谱图，选择二次谐波有较好响应的100 kHz正弦信号作为激励信号；接着对接收到的信号，进行傅里叶变换得到其频谱图，可以发现二次谐波的存在；最后基于非线性理论计算二次谐波系数，发现二次谐波系数随着缺陷宽度的增大而减小规律。该规律对分层缺陷检测的进一步研究奠定了基础。

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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

李茂东，男，1972年生，教授级高级工程师，主要研究方向：承压类特种设备安全检测。E-mail: 2453962572@qq.com

广东省质量技术监督局科技项目(2016CT15)；广州市科技计划项目(201607010171)；中央高校基本科研业务费专项 (x2jqD2173610)。