管道補口防腐層粘接處超聲檢測信號相位分析

劉清松，王維斌，王立君，朱子東，禹化民，龐 笑

（1.沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110034；2.天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072）

為了確保油氣管道焊縫不受外界物質的腐蝕，熱收縮帶被廣泛應用于油氣管道焊接和修復中。目前，國內管道焊接部位采用的熱收縮帶主要由聚乙烯防腐結構和熱熔膠構成［1］?，F場安裝時，將熱收縮帶包裹在環焊縫外側并進行加熱，即可將其緊緊地包覆在焊縫處，形成一段管道補口防腐層（如圖1所示），補口防腐層的粘接品質對管道焊縫的腐蝕防護具有重要影響。

圖1 管道環焊縫補口防腐層宏觀形貌

GB／T 23257－2009《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層》標準規定，以防腐層的剝離強度作為管道補口品質的關鍵指標，檢測溫度為10～35℃，剝離強度不小于50 N／cm，剝離面的底漆應完整附著在鋼管表面［2］。檢測方法為先將防腐層沿環向劃開寬20mm，長10cm 左右的長條，劃開時應劃透補口防腐層，并撬起一端，用測力計以10mm／min的速率垂直鋼管表面勻速拉起防腐層，記錄測力計的穩定數值，即為防腐層的剝離強度。但該檢測方法是一種破壞防腐層的檢測方法，無法確保補口防腐層的完整性。

目前，超聲檢測技術已經在多層粘接結構的檢測中得到了廣泛的運用。周海鵬等［3］對管道補口粘接品質的超聲檢測信號進行了分析，提出了利用混合信號總強度和頻譜強度對粘接質量進行評價的方法；王海濤［4］對復合材料薄板粘接結構脫粘程度的量化識別進行了研究，利用時－頻域信號分析方法對超聲回波信號進行了分析，準確地對復合薄板粘接品質進行了定量檢測；艾春安等［5］采用聲－超聲方法對復合材料殼體／絕熱層試件進行了檢測，利用小波變換實現了對信號的多分辨率分析，有效的檢測和定性分析了孔洞缺陷大??；李劍等［6］針對鋼／橡膠膠接結構，研究了Lamb波質點振動位移與脫粘缺陷檢測靈敏度之間的關系。

筆者根據檢測試驗結果，介紹了一種基于超聲脈沖回波信號相位變化的分析方法，從而實現了對管道補口的無損檢測。

1 超聲波衰減理論推導

超聲波在介質中傳播時會發生衰減，聲壓P隨傳播距離的增加而減小。聲壓衰減公式［7］為：

式中：P0為起始聲壓；P為距聲源距離為L處的聲壓；α為介質衰減系數，主要取決于材料特性和超聲波頻率。

超聲波在傳播過程中遇到不同介質界面時，一部分聲壓透過界面，一部分被反射回來。聲壓反射系數γ和透射系數τ的計算公式［7］為：

式中：P0、Pr和Pt分別為入射波、反射波和透射波的聲壓；Z＝ρV為介質的聲阻抗；ρ為介質密度；V為超聲波在介質中的縱波傳播速度；聲阻抗（Z）下標1表示入射介質，下標2表示透射介質。

結合公式（1），（2），（3）可知，各界面反射回波的聲程一定，探頭接收到各界面反射信號的聲壓也是一定的。當Z1＞Z2時，界面反射系數γ＜0，此時反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0相位相反；當Z1＜Z2時，γ＞0，此時反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0相位相同；透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0相位始終相同。

1.1 管道補口防腐層及超聲波傳播模型

管道補口防腐層結構包含熱收縮帶層和管道層，如圖2所示。脈沖回波法采用自發自收縱波直探頭，將脈沖信號垂直入射到工件表面，對接收的回波信號進行相位分析即可得到補口防腐層粘接品質的相關信息。

圖2 管道補口防腐層結構示意圖

1.1.1 粘接完好補口防腐層的信號

如圖2所示，探頭激發脈沖信號T1后，在耦合劑中傳播一定距離到達界面1，反射回波透過耦合劑，產生信號R1，同時產生透射波T2；T2在熱收縮帶中傳播一定距離后到達界面2，反射回波依次透過熱收縮帶和耦合劑，產生信號R2，同時產生透射波T3；T3在鋼管中傳播一定距離后到達界面3，反射回波依次透過管道、熱收縮帶和耦合劑，產生R3，同時產生透射波T4。

假設界面1、2和3的反射系數分別為γ1、γ2和γ3；耦合劑、熱收縮帶、鋼管和空氣的聲阻抗分別為Z1、Z2、Z3和Z4。結合公式（1），（2），（3），推導出各界面回波的聲壓公式：

式中：K1、K2和K3分別為耦合劑層、熱收縮帶層和管道層的衰減常數，K＝e－αL。

公式（4）表明，各界面回波信號聲壓P的正負只與γ和PT1相關，即各界面回波信號的聲壓相位只與各界面的反射系數γ以及激發的始脈沖信號T1的聲壓相位有關。

1.1.2 存在粘接問題補口的信號

若補口中出現脫粘或夾層等缺陷，即在熱收縮帶層和管壁之間出現脫粘層，如圖3所示。探頭激發脈沖信號T1后，穿過耦合劑到達界面1，反射回波透過耦合劑，產生信號R1，同時產生透射波T2；T2在熱收縮帶中傳播一定距離后到達界面2′，反射回波依次透過熱收縮帶和耦合劑，產生信號R2′，同時產生透射波T3′；T3′在缺陷層中傳播一定距離后到達界面3′，反射回波依次透過脫粘層、熱收縮帶和耦合劑，產生信號R3′，同時產生透射波T3′；T3′在鋼管中傳播一定距離后到達界面3，反射回波依次透過管道、缺陷層、熱收縮帶和耦合劑，產生R3，同時產生透射波T4。

圖3 內含脫粘層的管道補口防腐層結構示意圖

假設界面2′和3′的反射系數分別為γ2′和γ3′；缺陷層的聲阻抗為Z3′，衰減系數為K3′。推導出各界面回波的聲壓公式：

公式（5）表明，由于粘接脫粘層的出現，熱收縮帶和鋼管間的界面由界面2變為界面2′和界面3′，對應的反射系數為γ2′和γ3′，界面回波R2′的聲壓相位將會發生相應變化。因此，通過分析R2和R2′信號的相位變化，即可對補口防腐層粘接品質進行判斷。

1.2 粘接判斷依據

1.2.1 粘接良好依據

粘接完好時，管道補口防腐層結構中沒有缺陷，缺陷層聲阻抗Z3′＝0、衰減系數K3′＝0，公式（5）與公式（4）相同。超聲檢測的典型回波信號中包括R1、R2和R3。由于各界面層的聲阻抗關系為Z1＜Z2、Z2＜Z3、Z3＞Z4，根據聲壓公式（4）可知，回波信號R1與R2的起始相位相同、R2與R3的起始相位相反。

1.2.2 粘接區域脫粘判據

補口防腐層中出現脫粘時，脈沖信號的激發和接收如圖3所示，界面2′兩側聲阻抗差別很大，反射系數很高，脈沖信號幾乎不能穿透脫粘層，超聲檢測的典型回波信號中只包含R1和R2′。

1.2.3 粘接品質欠佳判據

補口防腐層粘接脫粘欠佳時，脈沖信號的激發和接收如圖3所示，界面2′兩側聲阻抗差別較小，脈沖信號能夠穿透缺陷層，在界面2′和界面3′處會產生回波信號。超聲檢測的典型回波信號中包括R1、R2′、R3′和R3。由于各界面層的聲阻抗關系為Z1＜Z2、Z2＞Z3′、Z3′＜Z3、Z3＞Z4，根據聲壓公式（5）可知，回波信號R1與R2′的起始相位相反、R2′與R3′的起始相位相反、R3′與R3的聲壓起始相位相反。

2 管道補口防腐層超聲檢測

2.1 試樣尺寸及屬性

根據管道補口防腐層可能出現的缺陷類型，在一段φ529mm 的管道補口上模擬了粘接品質的3種狀況（如圖4所示），分別記為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區域。其中，區域Ⅰ粘接良好，區域Ⅱ為脫粘區域，區域Ⅲ內置機油。表1所示為管道補口各層結構的材料屬性和厚度。

圖4 管道焊縫補口防腐層試樣

表1 管道補口防腐層各界面層的材料厚度和屬性

2.2 檢測結果和分析

2.2.1 檢測過程和檢測結果

試驗選用中心頻率為5 MHz、φ9mm 的縱波直探頭、水為耦合劑對管道補口防腐層試樣進行檢測，得到不同粘接區域的檢測結果；再根據信號出現的時間、補口各層結構厚度以及聲速，判斷出各信號的來源，分別如圖5（a）～（c）所示。

圖5 管道補口防腐層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區域檢測信號

2.2.2 檢測結果分析

分析檢測結果圖像中各回波信號出現的時間，結合表1中各結構層的厚度和聲速，不難判斷檢測結果圖像中包含的回波信號的種類和來源。

（1）圖5（a）表明，粘接良好區域檢測結果中包含各界面的回波信號R1、R2和R3，其中，回波信號R2與R3的起始相位相反；結合表1中各界面層的聲阻抗關系：Z1＜Z2、Z2＜Z3、Z3＞Z4，根據聲壓公式（4），信號R1與R2的起始相位相同、R2與R3的起始相位相反。波形顯示與理論分析結果均與

1.2.1 中的判據相符。

（2）圖5（b）表明，脫粘區域的檢測結果中只有熱收縮帶層的回波信號R1和R2′，沒有管道層回波信號；并且由于脫粘后熱收縮帶底面的不平整，使得底面回波信號R2′幅度很低。波形顯示與理論分析結果均與1.2.2中的判據相符。

（3）圖5（c）表明，內置機油區域檢測結果中也包含各界面的回波信號R1、R2′、R3′和R3，由于內置機油層很薄，R3′信號緊跟著R2′信號出現，不容易區分開，但是不難看出，回波信號（R2′＋R3′）的起始相位與R3相同；結合表1中各界面層的聲阻抗關系：Z1＜Z2、Z2＞Z3′、Z3′＜Z3、Z3＞Z4，根據聲壓公式（5）可知，回波信號R1與R2′的起始相位相反、R2′與R3′的起始相位相反、R3′與R3的聲壓起始相位相反。波形顯示與理論分析結果均與1.2.3中的判據相符。

3 結論

（1）對比熱收縮帶層底面回波信號R2（或R2′＋R3′）與鋼管層的底面回波信號R3的起始相位，可以對管道補口粘接品質做出判斷：①若R2（或R2′＋R3′）與R3的起始相位相反，則管道補口粘接良好。②若R2（或R2′＋R3′）與R3的起始相位相同，則管道補口粘接欠佳，熱收縮帶和管道之間夾雜著與熱收縮帶聲阻抗差別較小的介質。

（2）超聲檢測回波信號中只包含熱收縮帶層回波信號R1、R2′，且R2′強度很低。說明脈沖信號沒有進入管道層，則管道補口中熱收縮帶和管道之間夾雜著與熱收縮帶聲阻抗差別較大的介質，甚至存在脫粘缺陷。

［1］王維斌，周海鵬，康葉偉，等.管道補口熱收縮帶粘接質量的超聲檢測方法［J］.油氣儲運，2014，33（6）：643－647.

［2］GB／T 23257—2009埋地鋼質管道聚乙烯防腐層［S］.

［3］周海鵬，韓贊東，王維斌，等.管道補口粘接質量超聲檢測信號處理［J］.無損檢測，2014，36（5）：1－5.

［4］王海濤.復合薄板粘接缺陷超聲回波的時－頻域分析及特征提取的研究［D］.呼和浩特：內蒙古大學，2012：52－59.

［5］艾春安，劉瑜，趙文才，等.固體火箭發動機結構粘接質量的聲－超聲檢測［J］.無損檢測，2009，31（12）：974－976.

［6］李劍，劉松平.鋼／橡膠膠接結構脫粘缺陷Lamb波檢測的模式選擇［J］.航空制造技術，2009，（5）：78－81.

［7］J.L.羅斯［美］.固體中的超聲波［M］.何存富，吳斌，王秀彥，譯.北京：科學出版社，2004.