玻璃钢管的微波无损检测技术

韩方勇 李金武 王一帆 朱丽丽

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.北京西管安通检测技术有限责任公司）

0 引言

在石油天然气工业的油气集输和注水管道中，由于输送介质存在严重的腐蚀性，一些钢质管道常常会因为内腐蚀造成管道穿孔泄漏。玻璃钢管由于耐腐蚀性好、内壁光滑、流体阻力小、对输送介质无二次污染、保温性能好、工程造价低等特点得到了越来越广泛的应用［1-2］。近年来，中国石油天然气股份有限公司（简称中国石油）各油气田在用非金属管道总长度近4×104km，其中玻璃钢管约占非金属管道总量的60%，是非金属管材在油气田应用的主要类型。

玻璃钢管由增强材料玻璃纤维和基体树脂制作而成，基体树脂一般为热固性的不饱和聚酯、环氧树脂、乙烯基酯化树脂。玻璃钢管虽然在材料性能上有优势，但在生产、运输、存储、施工安装（连接）、试压等过程中会出现各类缺陷，其常见的质量问题包括接头渗漏、机械损伤、树脂缺失（脱黏，胶黏不足）、裂纹、分层、孔隙等。

目前，玻璃钢管的无损检测方法主要为目视检查和厚度测量，没有科学的针对缺陷的无损检测措施。由于缺乏有效的无损检测方法，这些缺陷就会成为玻璃钢管失效的起源，进而造成玻璃钢管道的渗漏、泄漏、断裂、应力破坏等失效事件，带来了潜在的安全和环境风险［3-5］。即便是对质量和安全十分重视的核电领域，在玻璃钢管的安装中，也因为检测手段的缺乏，只是采取了目视检查的手段［6］。

近年来，国外对采用微波进行非金属管材无损检测进行了较为深入的研究，开发了相应的技术和设备，微波检测技术已基本成熟并开始进行商业化推广。在美国，微波检测技术已在玻璃钢管、高密度聚乙烯管、风电叶片、复合材料、橡胶膨胀接头等领域得到了应用［7-10］。微波检测作为一种新的非金属材料无损检测方法，于2016年被收录到美国无损检测学会的标准中。

1 微波检测技术

1.1 微波检测原理

微波是一种干涉波，其波长为厘米级，频率为0.3～300 GHz。微波具有穿透非金属材料的特性，其与非金属材料存在相互作用，这是微波检测的理论依据［11］。使用微波检测技术检测非金属材料的频率范围为 5～50 GHz［12］。

微波在非金属材料中传播时，在材料界面的反射波和入射波会形成驻波。在不同的界面，包括物体前后表面、物体中的每一个“特征”（分层、孔隙、裂纹、异物等），由于不同材料的介电常数不同，会引起微波传播中入射波和反射波的变化，造成驻波形状的改变，即幅值、相位、频率会发生变化。接收器收集微波反射信号的变化后，对其进行数字信号处理，并借助计算机技术进行成像。微波检测缺陷示意图见图1所示。

图1 微波检测缺陷示意图

根据需要，微波检测获得的玻璃钢材料的检测图像可采用彩色图或灰度图进行显示，如图2所示。通过颜色的变化可以反映缺陷的情况。

图2 玻璃钢管样及其微波检测图像

1.2 微波检测的主要特点

微波检测过程中，探头只需放在被检物体的一侧就可以完成对被检物体的无损检测。但是，由于微波不能穿透金属等导电性能好的材料，因而不能检测金属材料内部的缺陷，只能检测金属表面的裂纹缺陷及粗糙度；而微波对非金属材料的穿透能力极强，如，橡胶材料的检测厚度可达150 mm。

微波检测的主要特点为：

（1）非接触检测，探头无需耦合；

（2）可快速、连续采集数据；

（3）可同时适用于不同曲率半径的曲面；

（4）检测结果可实时成像。

2 微波检测技术在玻璃钢管检测中的应用

对制造、安装及运行中的玻璃钢管，均可采用微波无损检测方法来检测玻璃钢管的质量。

在制造阶段，对玻璃钢管管体的质量缺陷进行检测，可发现壁厚减薄、孔隙、气泡、分层等缺陷；在安装阶段，对玻璃钢管连接接头进行检测，可发现脱胶、孔隙、气泡等缺陷。

“你撒谎，明明是你撞死了我哥哥，还想嫁祸夏冰，你还想欺骗我到什么时候？我最恨欺骗我的人。”说着，雪萤再一次举起匕首。

在运行阶段，结合风险评价的手段，对玻璃钢管道潜在的高风险管段进行检测，及时发现缺陷并进行整改，可降低或避免玻璃钢管道的运行风险。

2.1 管体检测

实验室中，对一个可从外部看到具有明显分层现象的玻璃钢管段进行检测，管样及检测结果见图3所示。在检测图像上可清晰地发现分层现象（蓝色区域）。

图3 玻璃钢管体分层现象检测

微波检测设备可对在役玻璃钢管进行检测。对某输送含腐蚀性介质（海水）的玻璃钢管道使用微波检测设备进行扫描，可以发现几处明显的孔隙缺陷，说明玻璃钢管的性能有所退化。安装在现场的玻璃钢管及微波检测图像见图4所示。

图4 在役玻璃钢管及其微波检测图像

对某在役玻璃钢管管体进行检测。从检测图像可清晰地观察到圆形气泡和冲蚀缺陷（划痕部位）。检测管体内壁实物及检测图像见图5所示［13］。

图5 玻璃钢管实物及微波检测图像

2.2 弯管检测

对某在役玻璃钢弯管进行检测，发现壁厚减薄缺陷，缺陷大小约为25 mm×19 mm、深约9.5 mm。将该弯管拆卸下来后，在弯管内壁发现沟槽类缺陷，具体见图6所示。

图6 玻璃钢弯管及微波检测出的沟槽缺陷图像

2.3 接头检测

使用微波无损检测技术可对玻璃钢管的连接接头进行检测［14］。图7是玻璃钢接头及对应的检测图像。图7中，玻璃钢接头的边缘用红色标记。

图7 玻璃钢管接头及对应的检测图像

对于非金属材料而言，密度发生变化，那么材料的介电常数就会变化，而厚度的变化也会反映在检测图像的颜色变化上，因此，检测图像颜色的变化表明了被检管段材料密度和厚度的变化情况。通过对检测数据和图像的分析，图7中接头部位深蓝色的区域为发生脱黏现象。

对某在役玻璃钢管道接头进行检测，检测接头位置及微波检测结果见图8所示。图8中大面积的浅色区域显示了包覆层出现分层现象，分析认为是由于管道内输送的海水渗入造成的。

图8 玻璃钢管道包覆接头及检测图像

3 结束语

近年来，中国石油长庆、新疆、塔里木等油气田均增加了非金属管道的应用，以玻璃钢为主的非金属管道在油气田呈现出越来越大的需求。尽管针对玻璃钢管已经开展了适用性和质量控制方面的探讨和研究工作［15］，但是，相比于钢质管道，玻璃钢管检测手段及质量评定还需要不断完善。

微波检测技术作为玻璃钢管无损检测技术之一，已经得到了国际标准化组织的认可，是目前较为先进的玻璃钢管无损检测方法。然而，在应用微波检测技术对油气田玻璃钢管道进行检测时，虽可分辨出具体的缺陷类型及尺寸，但是，如何对各种缺陷进行分级判定及评价还需要进一步更系统的研究。