微波無損檢測技術在管道中的應用

陳 波

（運城市水利工程建設局有限公司，山西 運城 044000）

修建基礎水利設施是維持國民經濟發展的重要措施之一，泵站在水資源調度等方面有著重要作用，其中管道的安全穩定性直接影響泵站高效運行與管理。隨著管道長期運行，其腐蝕老化及管理問題將會逐漸出現，惡性事故發生率也會逐年增長并極大影響城市環境。若管道缺乏定期檢測或檢測技術有限，則給泵站的控制和維修必然帶來許多問題，外國的環保機構要求各城市定期對管道進行評價，以便更好地了解管道的狀態和制定維修管理決策。當前，為更加科學、合理、全面地評價管道缺陷，研究者提出許多測試技術，并將其用于缺陷的探測。但是，由于管道情況復雜，加上管件、技術規范、經濟成本和人力成本等因素的制約，使得對管道的檢查工作變得十分困難[1]。因此，急需發展一種經濟便捷高效的無損管道檢測技術。微波檢測技術已經在各行各業得到廣泛應用，開展例如路面結構病害檢測、天然氣管道檢測等工作。本文主要利用這項新技術對水利工程中泵站管道的外表面缺陷進行檢測，并通過實驗研究發現其在理想狀態下的檢測規律，最后模擬實際管道情況，完善其在水利工程應用中的有效性。

1 常用管道外表面檢測技術

1.1 超聲波檢測技術

超聲波檢測技術是利用超聲波勻速傳播且在金屬表面能夠部分反射的特性，進行管道探傷檢測的方法。該方法檢測的原理是基于超聲波特性，傳感器發出一束超聲波后，遇到管道缺陷會反射部分能量回到傳感器，傳感器會計算入射波與反射波之間的時間間隔。該時間差與管道缺陷距離傳感器的長度形成函數關系，有利于快速檢測長距離管道的缺陷位置[2]。與電視視頻檢測（CCTV 檢測）、管道潛望鏡檢測（QV 檢測）相比，超聲波檢測技術檢測速度快、造價低，適用于管道凹坑較大的缺陷檢測，是一種常見的管道無損檢測方法。但是，該技術在檢測過程中起輔助作用的耦合劑對周圍環境例如土壤、地下水有一定的影響，并且檢測范圍有局限性，結果需要專業人士來辨別缺陷類別。

1.2 射線檢測技術

射線檢測技術又稱X 射線照相檢測技術。X 射線是一種能量較高的射線，能穿透可見光不能穿透的物體，照射管道時能與管道發生反應產生熒光，通過膠片的感光效應可以計算出投射的X射線強度[3]。因此，該技術根據投射強度的異常判斷管道是否缺陷，但是檢測過程也存在一些缺點。如，射線對人體有危害，具有一定的副作用，且協助膠片感光的定影液不易回收，對環境會造成影響。陳耀瑜等[4]介紹了X 射線數字成像檢測新技術，研制了非膠片數字成像系統，其具有適應射線能量范圍寬、成像時間長和質量好的優點。張曉光等[5]針對射線檢測焊縫對比度差、光照不均等缺點，設計了區域算法，建立了缺陷識別的網絡模型，進一步提高了現有技術的管道缺陷識別率。

1.3 漏磁檢測技術

漏磁檢測技術適用于金屬直線管道外表面的缺陷識別，當金屬管道被磁化后，因管道表面的缺陷而在其表面形成漏磁場，人們可以通過檢測漏磁場的變化進而發現缺陷[6]。該技術是一種檢測鐵磁性材料表面腐蝕、凹坑等缺陷的電磁無損檢測方法，檢測速度快，操作方便。但是，該技術檢測結果容易受到磁化強度、掃查速度、缺陷位置等影響[7]。何輔云[8]利用漏磁原理和二維磁化研究了鋼管自動化檢測系統。王亞東[9]也研究了國內外管道漏磁檢測技術識別管道腐蝕的狀況。

2 微波無損檢測技術

上述常見的管道檢測技術，雖然有的技術檢測速度快、成本低、準確率高，但是大多數技術存在缺點，例如檢測不全面、適應管道類別少和環境危害大等。而微波檢測技術與上述技術相比具有明顯優勢，即適用廣泛且檢測過程中不會對檢測人員造成危害[10]。因此，在未來實際泵站管道檢測中，利用這種新技術進行缺陷識別是最佳的選擇。

2.1 微波無損檢測原理

無線電波中頻率范圍在300 MHz～300 GHz，波長范圍在1 mm～1 m的電磁波為微波。微波在非金屬材料中能夠發生穿透，在金屬材料界面產生反射。對于檢測管道外表面缺陷，微波信號源發出微波信號，經傳輸線將信號傳達至檢測探頭并在金屬表面發生反射作用。與無缺陷管道表面相比，存在缺陷的管道表面的微波信號分布和特征參數會發生改變。微波網絡分析儀顯示該變化并且通過計算機識別分析變化數據，進而判斷管道缺陷情況。

2.2 微波無損檢測特點

一般泵站管道周圍檢測條件復雜，管道外表面一般有防腐層，這給缺陷檢測施加了難度。而微波無損檢測技術能很好地克服以上局限性，具有以下特點。

（1）非接觸檢測。微波可以穿透管道外表面的非金屬防腐層或保溫層，實現管道的非接觸檢測，可以減少成本。

（2）操作方便，環境友好。微波檢測儀器小、便于攜帶，檢測過程中不需要對環境有害的輔助劑，如耦合劑、定影液等。

（3）自動化、準確度高。微波檢測能實現快速連續的檢測，并提供準確的數據判斷缺陷范圍和大小，形成三維實時圖像。

3 微波無損檢測試驗研究

3.1 試驗方案

微波檢測方法采用掃頻法，將波導探頭垂直于被測管道在其表面逐點檢測。如圖1 所示，微波矢量網絡分析儀發出微波信號，從輸出端經無損電纜傳至反射電橋一端，再從反射電橋傳遞至波導探頭與管道表面發生反射反應，管道表面的缺陷情況將影響微波的信號分布和特征參數變化，這些變化通過反射電橋傳入分析儀的輸入端并顯示參數變化情況。最后，通過計算機分析參數變化，以此判斷缺陷類別。

圖1 管道外表面檢測方案

3.2 試驗材料和設備

試驗選擇10 塊長寬高為500 mm×100 mm×10 mm的金屬板材試件，編號為1#～10#。其中，1#～5#試件缺陷寬度6～10 mm，缺陷長度40 mm，缺陷深度5 mm，用于檢測缺陷寬度影響；6#～10#試件缺陷長度200 mm，缺陷寬度5 mm，缺陷深度1～5 mm，用于檢測缺陷深度影響。試件概況，詳見表1。

表1 試件概況mm

試驗采用的主要儀器，詳見表2。

3.3 試驗步驟

首先，按圖1 方案搭建試驗檢測裝置，搭建好后設置微波矢量網絡分析儀的掃頻范圍、掃描點數和測量格式，參數分別為12～20 GHz、200 點和對數幅度格式。其次，利用校準件校準波導端口的開路和短路。最后，開始對管道外表面缺陷進行檢測。

（1）先將波導探頭放在1#試件無缺陷的地方，觀察分析儀上的對數幅度曲線，再每隔1 mm沿管道寬度和深度方向逐步移動探頭至缺陷位置，觀察曲線變化并記錄最小值和對應頻點。

（2）將1#～5#試件平放，通過波導探頭依次對試件缺陷寬度進行檢測，觀察每個試件缺陷對數幅度曲線變化并記錄曲線最小值和對應頻點。

（3）將6#～10#試件平放，通過波導探頭依次對試件缺陷深度進行檢測，觀察每個試件缺陷對數幅度曲線變化并記錄曲線最小值和對應頻點。

3.4 試驗結果分析

3.4.1 缺陷識別

通過微波檢測技術可以精確識別1#試件的缺陷位置，如圖2 所示。波導探頭長寬尺寸為10 mm×5 mm，當探頭中心距離缺陷中心大于5 mm、沒有掃描到缺陷時，對數幅度值穩定在-0.75 dB 左右；當探頭繼續掃描到缺陷時，產生電磁波，微波反射信號發生改變，對數幅度值開始降低，直至探頭中心與缺陷中心重疊，對數幅度值降低到-3 dB。當探頭繼續掃描，對數幅度值又由-3 dB 恢復至穩定值-0.75 dB 左右，此時探頭完全離開缺陷范圍。因此，根據對數幅度值變化可以識別金屬表面的缺陷位置。

圖2 1#試件缺陷識別示意

3.4.2 缺陷寬度尺寸檢測

當波導探頭沿缺陷寬度掃描時，可以根據檢測的信號確定缺陷寬度尺寸。圖3 顯示了1#～5#試件在同一深度下，不同缺陷寬度對應的對數幅度值。隨著缺陷寬度的增加，對數幅度值逐漸降低。

圖3 缺陷寬度檢測

3.4.3 缺陷深度尺寸檢測

通過對6#～10#試件進行缺陷深度尺寸檢測發現，波導探頭掃描這些不同深度的缺陷時對數幅度值沒有明顯變化，如圖4所示。因此，利用檢測寬度的微波矢量網絡分析儀的特征參數不能滿足缺陷深度的檢測。

圖4 缺陷深度檢測

4 工程應用

運城市部官揚水改擴建工程二級站位于平陸縣境內，新建1 座前池、1 座進水池、1 座二級站廠房和1 條壓力管線。其中，廠房內設5 臺水泵，設計揚程167 m，壓力管道為鋼管，直徑1820 mm，長度1516 m。

通過微波無損檢測和超聲波檢測技術，分別對鋼管焊縫進行缺陷檢測，結果詳見表3。由表3 可知，兩者所有焊縫質量檢測結果一致，均符合Ⅱ級要求，由此證明了微波無損檢測技術可以實現在管道檢測中的應用。

表3 壓力管道焊接接頭概況

5 結語

與目前常見的管道檢測技術相比，微波無損檢測技術具有成本低、操作方便、環境友好并且自動化、準確度高的優勢。本文利用微波掃描缺陷的試驗，確定了該技術可以通過對數幅度的變化來快速識別缺陷的存在和范圍，另外可以根據檢測的信號值確定缺陷寬度尺寸。同時，微波無損檢測技術也實現了實際工程中鋼管焊縫質量的檢測。

但是，目前微波無損檢測技術應用于管道缺陷的識別還處于起步階段，其缺陷深度尺寸值檢測方法需要進一步研究。另外微波不能穿透金屬以及一些導電性能較好的復合材料，因而無法實現對此類材料內部缺陷的檢測，而只能針對其表面缺陷等進行檢測，因此這也是未來研究的重點之一。