管道外防腐層結(jié)構(gòu)的微波檢測(cè)適用性研究

王東營(yíng) 車(chē) 飛 王彥軍 朱麗麗 沈 珂 王一帆

（1. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司，北京 100101；2. 北京西管安通檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100012）

0 引言

油氣管道運(yùn)輸是我國(guó)五大運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)起著非常重要的作用，被譽(yù)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)脈。對(duì)油氣管道的運(yùn)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，油氣管道運(yùn)行管理的核心是“安全和經(jīng)濟(jì)”，管道的外防腐層是管道抵御外部腐蝕的第一道防線，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量直接關(guān)系到油氣輸送的安全性、可靠性及輸送管道的使用壽命，但外防腐層經(jīng)常出現(xiàn)與管體粘接不良的失效狀態(tài)[1]，尤其位于管道焊縫處的外防腐層結(jié)構(gòu)，是整條管道防腐最薄弱的環(huán)節(jié)，制約著管道防腐的完整性。近年來(lái)，在役管道的開(kāi)挖檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了諸多防腐層結(jié)構(gòu)失效引起的管體腐蝕。

國(guó)內(nèi)針對(duì)管道外防腐層的檢驗(yàn)方式主要有目視，電火花檢漏及剝離強(qiáng)度檢測(cè)。目視只能從宏觀上了解外防腐層的外表面情況；電火花檢漏也只限于檢測(cè)針孔及砂眼等制造缺陷；而剝離強(qiáng)度的檢測(cè)方法更是存在很大局限性，一方面檢測(cè)面積過(guò)小，不具有代表性；另一方面，剝離強(qiáng)度檢測(cè)屬于破壞性檢測(cè)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)的區(qū)域防腐層遭到破壞，即使剝離強(qiáng)度檢測(cè)合格也需對(duì)補(bǔ)口結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行防腐施工，造成人力物力的浪費(fèi)。

外防腐層屬于非金屬材料，也稱(chēng)為介電材料，即不導(dǎo)電的材料，微波對(duì)這類(lèi)材料有著非常好的穿透能力。根據(jù)介電材料及結(jié)構(gòu)對(duì)微波的反射波幅度、相位以及偏振態(tài)可獲得材料的多種信息：內(nèi)部缺陷、界面粘接力、材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)等[2]。基于微波的此項(xiàng)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在很多領(lǐng)域的非金屬及其復(fù)合材料檢測(cè)方面已獲得廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。本文利用微波檢測(cè)對(duì)防腐層人工試件進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)實(shí)際缺陷與經(jīng)微波檢測(cè)獲取的缺陷圖像進(jìn)行比對(duì)，研究微波檢測(cè)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室的適用性；此外，還利用微波檢測(cè)在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊縫外防腐層（補(bǔ)口結(jié)構(gòu)）進(jìn)行檢測(cè)，研究微波檢測(cè)技術(shù)在施工現(xiàn)場(chǎng)的適用性。

1 微波無(wú)損檢測(cè)原理

微波是電磁波，其頻率為300MHz～300GHz，波長(zhǎng)為厘米級(jí)，微波無(wú)損檢測(cè)的原理基于微波與介電材料之間的相互作用。使用微波檢測(cè)介電材料的頻率范圍為5～50GHz，在該微波頻率下，材料存在缺陷或是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生異常會(huì)引起該處材料的介電性能發(fā)生變化，借助分析軟件可以將這種介電差異轉(zhuǎn)換為可以讀取的電壓值，再經(jīng)過(guò)一定的算法可以還原成材料內(nèi)部缺陷及結(jié)構(gòu)的圖像。微波檢測(cè)裝置原理圖如圖1所示，能量發(fā)射裝置內(nèi)的微波發(fā)射器在某特定頻率范圍內(nèi)發(fā)射選定頻率的微波信號(hào)，使微波在待測(cè)介電材料中傳播，材料結(jié)構(gòu)的變化或內(nèi)部缺陷，會(huì)體現(xiàn)不同的介電特性。這些細(xì)微的差異會(huì)引起微波反射波幅值和相位的變化，測(cè)量單元內(nèi)的接收傳感器能識(shí)別和采集到反射波的性能參量并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，最終顯示介電材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷形貌的實(shí)時(shí)圖像[3]。

圖1 微波檢測(cè)裝置原理圖

微波能夠有效地穿透介電材料，當(dāng)材料中存在任何微小不連續(xù)都會(huì)導(dǎo)致該處材料介電性能的變化，而微波對(duì)介電性能的變化非常敏感，因此微波對(duì)介電材料中任何微小的缺陷都有非常高的檢測(cè)靈敏度。本文將以金屬管道外防腐層為研究對(duì)象，利用微波檢測(cè)可以穿透3PE結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究微波檢測(cè)防腐層與管道粘接異常、防腐層結(jié)構(gòu)的適用性。

2 防腐層內(nèi)部人工缺陷的微波檢測(cè)

2.1 試樣制作

人工制作了內(nèi)部含有“脫粘”缺陷的3PE防腐試樣管。設(shè)計(jì)了3個(gè)大小不同的“脫粘”缺陷，使用在金屬管底漆上涂抹潤(rùn)滑膏的方法來(lái)模擬脫粘缺陷。底漆與外防腐層內(nèi)部的熱熔膠加熱后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并形成良好的界面粘接力，潤(rùn)滑膏涂抹于底漆上會(huì)起到隔離作用而局部阻礙底漆與熱熔膠“接觸”，形成局部粘接不良的“脫粘”缺陷。人工“脫粘”缺陷尺寸信息如表1所示。

表1 人工“脫粘”缺陷尺寸信息表

首先對(duì)金屬管進(jìn)行拋光處理，如圖2（a）所示，之后涂抹底漆，如圖2（b）所示，在底漆的特定區(qū)域，按照設(shè)計(jì)的“脫粘”缺陷尺寸涂抹潤(rùn)滑膏，如圖2（c）所示，之后進(jìn)行外防腐。模擬制作了3組同大小的“脫粘”缺陷，制作過(guò)程照片如圖2所示。

圖2 缺陷試樣制作過(guò)程照片

2.2 微波檢測(cè)結(jié)果

使用商用微波檢測(cè)設(shè)備，對(duì)完成外防腐后，帶有缺陷試樣的防腐管進(jìn)行微波檢測(cè)，微波檢測(cè)結(jié)果如圖3（a）所示，圖中黑色部分為粘接合格的位置，3處白色區(qū)域?yàn)轭A(yù)制的人工“脫粘”缺陷，圖3（b）中為內(nèi)部人工缺陷實(shí)物照片圖，通過(guò)對(duì)比可以確定，微波檢測(cè)結(jié)果很好地展示了預(yù)制的三個(gè)不同“脫粘”缺陷，由于制作工藝，微波檢測(cè)圖像結(jié)果呈現(xiàn)的脫粘缺陷影像產(chǎn)生了輕度的變形，由“方形”變成“紡錘形”，這是由于缺陷材質(zhì)是膏脂狀物質(zhì)，在外防腐層的覆蓋壓力以及碾壓推平的工藝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生輕微的變形與放大。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定，微波能夠很好地穿透防腐層，對(duì)防腐層內(nèi)部材料的異常而導(dǎo)致的材料介電性能變化非常敏感，并且對(duì)防腐層內(nèi)部脫粘缺陷的最小可識(shí)別尺寸達(dá)到10mm。

圖3 微波檢測(cè)結(jié)果圖與實(shí)際缺陷制造圖

3 鋼制管道焊縫外防腐層的微波檢測(cè)應(yīng)用

相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境條件，施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件更為復(fù)雜，干擾因素較多[4]，為了驗(yàn)證微波檢測(cè)技術(shù)在環(huán)境條件復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，本文在北京某輸油管道新建工程現(xiàn)場(chǎng)選取了兩處管道焊縫位置外防腐層，即補(bǔ)口區(qū)域進(jìn)行了檢測(cè)與驗(yàn)證。受檢管道外徑273mm，微波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片如圖4所示，圖4（a）為受檢管道焊縫外防腐層及微波檢測(cè)設(shè)備照片，圖4（b）為檢測(cè)過(guò)程照片。

圖4 微波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片

對(duì)受檢管道兩個(gè)焊縫位置外防腐層進(jìn)行了全周向檢測(cè)，微波檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。圖5（a）中1#焊縫的微波檢測(cè)結(jié)果中X軸表示該受檢區(qū)域管道的周向檢測(cè)長(zhǎng)度，約820mm，Y軸表示該受檢區(qū)域管道的軸向檢測(cè)長(zhǎng)度，約140mm，整個(gè)檢測(cè)面積約0.115m2。從微波檢測(cè)結(jié)果圖5a中可以清晰地看到位于圖像中央的管道焊縫，焊縫兩側(cè)圖像呈現(xiàn)均勻的黑色，表明粘接力整體良好，但是該條焊縫上側(cè)邊緣坐標(biāo)位于X=300mm，Y=80mm的位置圖像呈現(xiàn)明顯的亮白色，表示該處焊縫邊緣粘接力較弱。焊縫下側(cè)坐標(biāo)位于X=560mm，Y=10mm的位置可以清晰地看到一處圓形異物，為金屬表面殘留的焊渣；

圖5 新建管道焊縫外防腐層微波檢測(cè)結(jié)果圖

圖5（a）中2#焊縫的微波檢測(cè)結(jié)果中X軸表示該受檢區(qū)域管道的周向檢測(cè)長(zhǎng)度，約780mm，Y軸表示該受檢區(qū)域管道的軸向檢測(cè)長(zhǎng)度，約140mm，整個(gè)檢測(cè)面積約0.11m2。從微波檢測(cè)結(jié)果圖5（b）中可以清晰地看到位于圖像中央的管道焊縫，焊縫兩側(cè)圖像呈現(xiàn)均勻的黑色，表明粘接力整體良好，但是該條焊縫下側(cè)邊緣坐標(biāo)位于X=400mm，Y=70mm至X=650mm，Y=70mm的位置圖像呈現(xiàn)明顯的亮白色，表示該處焊縫邊緣粘接力較弱。焊縫下側(cè)坐標(biāo)位于X=350mm，Y=110mm的位置可以清晰地看到一處圓形異物，為金屬表面殘留的焊渣。

4 結(jié)語(yǔ)

微波技術(shù)能夠很好地穿透防腐層等非金屬材料，由于微波對(duì)非金屬材料介電性能變化的敏感性，可以檢測(cè)非金屬材料內(nèi)部的缺陷及結(jié)構(gòu)異常，根據(jù)微波這一特性，本文使用微波檢測(cè)法對(duì)模擬制作的防腐層內(nèi)部“脫粘”缺陷進(jìn)行了檢測(cè)與驗(yàn)證，微波檢測(cè)結(jié)果很好地表征了防腐層內(nèi)部實(shí)際缺陷，對(duì)實(shí)際管道焊縫外防腐層進(jìn)行了微波檢測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了微波檢測(cè)技術(shù)對(duì)防腐層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可檢測(cè)性。檢測(cè)結(jié)果有一定的參考意義，該技術(shù)可以作為管道防腐層的無(wú)損檢測(cè)方法和施工質(zhì)量管理的輔助手段。