埋地聚乙烯管线外部土壤空穴的微波无损定量检测

回沛林，李 勇，王若男，方 阳，陈振茂

(1.西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049；2.福建技术师范学院 无损检测技术重点实验室，福清 350300)

聚乙烯(PE)管由PE树脂制成，具有连接可靠、抗冲击、抗开裂、耐腐蚀、耐磨、耐老化、内壁光滑且搬运方便等特性，被越来越广泛地应用于地下油气输送、给排水等工程领域。然而，在服役过程中，地震作用、岩土疏松等因素会造成埋地PE管线外部土壤产生空穴，该空穴是导致管线位置偏移、管体局部应力集中、管壁变形等损伤的因素之一，严重危害PE管线的结构完整性。因此，及时发现PE管线外部土壤空穴并对其进行无损定量评估，对保证PE管线完整性、安全性，防止油、气、水泄露等安全事故的发生非常重要。目前针对埋地管线的主要无损检测方法有涡流检测、超声检测、红外检测等，但这些方法均不能有效地用于PE管线外部土壤空穴的定量检测，其主要原因在于：① 涡流检测适用于金属材料检测，而聚乙烯是非金属材料，故无法成功实施检测[1]；② 超声检测需要保证良好的接触和进行表面预处理，无法由PE管线外部或内部对空穴进行定量检测[2]；③ 热辐射场透过PE管体或岩土层对空穴进行定量检测的难度极大[3]。

微波检测是利用微波在介电材料中传播时，遇到异质界面发生反射、透射和散射的特性而提出的一种新型无损检测技术，该技术具有检测频谱宽、穿透力强、灵敏度高、非接触、无需耦合剂等特点，同时兼有检测速度快、受环境影响小以及绿色环保等优势。近年来，微波检测已渐渐成为无损检测热门研究方向之一，受到国内外学者的广泛关注[4]。董仁杰[5]为油轮管系及石油储运管道检测提供了一种定位缺陷、确定缺陷尺寸、评价缺陷等级于一体的缺陷检测与评级方法。胡金花等[6]集中研究了基于矩形开口波导的GFRP(玻璃纤维增强塑料)表面缺陷微波检测相关方法。CHEN等[7]研究了管道弯曲对于微波无损检测性能的影响。BÜYÜKÖZTÜRK等[8-9]提出了一种利用机载喇叭天线在远场条件下进行雷达无损检测的方法，实现了GFRP包裹混凝土柱的GFRP-混凝土界面脱黏和混凝土开裂等损伤的检测。谭建国等[10]研究了CFRP冲击损伤的毫米波检测可视化定量评估手段。杨玉娥等[11]证明了利用合适尺寸的同轴探头可以实现在低频率段对热障涂层的微波无损检测。 然而，国内外鲜有关于基于微波反射法对PE管线外部土壤空穴进行无损定量检测的研究报道。

鉴于此，文章通过系列试验研究，集中探究了基于微波反射法定量评估PE管线外部土壤空穴的可行性。

1 检测原理及试验平台

1.1 PE管线外部土壤空穴的微波检测原理

PE管线外部土壤空穴的微波无损检测原理如图1所示。检测时，同轴探头紧贴PE管内壁向外发射TEM波(横电磁波)，入射波辐射主方向与PE管管壁垂直，其穿透PE管管壁后经过一定距离(空穴域)接触空气-土壤异质界面，入射波在该界面发生反射，反射波经过空穴域再次穿过PE管后被同轴探头接收。通过矢量网络分析仪对入射波和反射波的能量进行测量，取两者比值获得反射系数S11，该系数与PE管与土壤之间的空气域，即空穴域尺寸紧密相关。

图1 PE管线外部土壤空穴的微波检测原理示意

在透射反射过程中，微波能量会在PE管体以及空穴域中发生损耗。若土壤距离PE管越远(即PE管线外部土壤空穴越大)，则反射波能量越小，S11越小。因此，通过拾取该变化并对其进行定量分析有望实现对PE管线外部土壤空穴的微波无损定量检测。

1.2 微波检测试验平台

基于上述微波检测原理，文章搭建的PE管线外部土壤空穴微波无损定量检测试验系统结构如图2所示，该系统主要由矢量网络分析仪、同轴探头、PE管、土壤层及计算机组成。同轴探头与矢量网络分析仪端口连接，在激励下向外辐射平面电磁波，同时，该探头测取由空气-土壤异质界面反射回的回波，经矢量网络分析仪处理，输出不同频率下的微波反射系数S11(包括幅值和相位)，得到微波检测信号，该信号由计算机储存、显示以及处理，用于对PE管线外部土壤空穴实施定量评估。试验中，同轴探头紧贴固定于PE管内壁，通过改变土壤层与PE管外壁的距离(用于模拟空穴尺寸的变化)，测取多组反射系数，通过信号处理、特征提取等手段，建立微波检测信号与PE管线外部土壤空穴尺寸的关联规律。

图2 PE管线外部土壤空穴微波无损定量检测试验系统结构示意

2 试验结果及讨论

2.1 PE管线外部土壤空穴的微波响应分析

首先针对PE管线外部土壤空穴的微波响应进行分析，以初步确定空穴微波检测的可行性。通过查阅相关资料得到空气、土壤及PE管的相对介电常数(空气为1，PE管为2.26；干燥状态下的土壤为2.8)。微波检测时电磁波反射率Γ的计算式为

(1)

式中：Z1和Z2分别为介质1和介质2的波阻抗，波阻抗Z的计算式如式2所示。

(2)

式中：μ和ε分别为介质的磁导率和介电常数。

通过计算可知，当PE管外壁存在空穴时(即微波辐射域内存在PE-空气界面)，反射系数为0.201 1；当PE管外壁无空穴时，即微波辐射域内存在PE-土壤界面(不存在PE-空气界面)，反射系数为0.053 5。由此可见，存在空穴时所拾取微波的反射系数更大。试验时，分别对PE管外壁有/无土壤层情况测取3组微波扫查数据，获得S11，微波扫频波段为Ka波段。测取3组数据时，探头分别位于距PE管底部15，20，25 cm处，其中一组数据曲线如图3所示。由图3可见(图中幅值为比值，无量纲，下同)，S11数据的相位信息在有/无土层包裹情况下存在明显区别，而幅值信息在低频区域的变化相对明显，这是因为微波频率越低，所激发入射波对PE管体的穿透效果越好，对PE管外部区域材料的变化情况越灵敏。

图3 有无土壤包裹情况下S11数据对比

在以上分析基础上，分别对有/无土壤层情况下各频率对应的S11幅值进行信号处理，求取其均值，将S11幅值均值作为特征量，用以区分PE管外部空穴情况。利用有/无空穴情况下不同扫查位置的S11幅值均值绘制扫查曲线(见图4)，在图4中，扫查位置1，2，3分别对应距PE管端部的15，20，25 cm处。由图4可见，通过S11数据的幅值均值可对PE管线外部是否存在空穴进行有效判定，试验结果初步验证了利用微波反射法进行PE管外部空穴检测的可行性。

图4 有无土壤包裹情况下S11幅值均值曲线

2.2 PE管线外部土壤空穴尺寸的定量检测

为有效提升PE管线外部土壤空穴尺寸微波定量检测的灵敏度，鉴于先前的研究结论，首先对微波检测频段进行分析和择优选取。采用多个微波波段对空穴进行检测，对比不同PE-土壤距离下微波信号的变化，选择信号差异性最大时对应的微波波段进行后续试验。分别采用Ka波段、X波段以及C波段微波对不同PE-土壤距离进行检测，各波段在不同距离下测取两组S11数据用于对比。将同一距离下测得的两组数据的差值与另一距离下测得数据的差值进行对比，若对比明显则说明该波段微波对PE-土壤距离敏感，可用于PE管外壁土壤空穴的定量检测。3个波段不同距离下信号的对比如图5～7所示。

图5 Ka波段10 cm与20 cm处的S11信号对比

图6 X波段5 cm与15 cm处的S11信号对比

图7 C波段10 cm与20 cm处的S11信号对比

由图5～7的综合对比可见，相比C波段，Ka波段和X波段微波对空穴尺寸响应灵敏度不足，且C波段中4 GHz～5 GHz频段对空穴尺寸具有最高响应灵敏度，因此，选择4～5 GHz作为最优微波频段。

在C波段的4～5 GHz频带中，对PE管-土壤距离分别为0，2，4.4，6.8，8.6，10.6，12.8，14.5，15.9，18.1，19.9 cm的情况进行微波检测，提取S11幅值均值作为检测信号的特征，建立S11幅值均值-空穴尺寸映射关系曲线。研究选择其中7组数据(对应PE-土壤距离为0，2，4.4，10.6，15.9，18.1，19.9 cm)进行数值拟合，获取映射关系函数。余下的4组数据(对应PE-土壤距离为6.8，8.6，12.8，14.5 cm)用于验证所获拟合曲线及其对应函数在空穴尺寸定量评估中的准确度。所得S11幅值均值-空穴尺寸映射关系曲线如图8所示。

图8 S11幅值均值-空穴尺寸映射关系曲线

由图8可见，土壤距离越远则S11幅值均值越大，这是因为微波遇到土壤时的反射率低于遇到空气时的反射率，因此空穴尺寸越大反射能量越强，这一现象与前述计算结果相符。对前述4个空穴对应的S11幅值均值进行反算，求取其空穴尺寸预测值，将反求数值结果与空穴实际大小作对比，以评估空穴尺寸微波定量检测的精度。求取所得的空穴尺寸预测值与实际值的对比结果如表1所示。由表1可知，4～5 GHz微波对土壤距离检测的平均相对误差为5.5%，最大绝对误差为8mm。由此可见，结合C波段(4～5 GHz)微波同轴探头对PE管外部土壤空穴实施无损定量检测是可行的，其定量精度小于±8 mm，满足当前工程中对空穴尺寸的定量精度要求。

表1 4个空穴尺寸预测值与实际值对比

3 结语

研究了微波反射法对PE管线外部土壤空穴无损定量检测的可行性。结合所搭建试验平台，首先对PE管外壁土壤包裹性的微波检测进行了探究。结果表明，利用微波反射法可区分PE管外壁有/无空穴的情况。在此基础上，利用检测信号作差，确定了最佳微波检测波段，即C波段4～5 GHz。试验结果表明，通过多组实测数据所建立的S11幅值均值-空穴尺寸映射关系曲线具备单调特性，即S11幅值均值随空穴尺寸增大而增大。结合所建立映射关系曲线对4个空穴尺寸进行反算得到的预测值与实际值吻合度较高，绝对误差小于8 mm，满足当前工程中对空穴尺寸的定量精度要求。