基于超聲回波的煤層氣管線防腐蝕涂層缺陷檢測

強海亮

（中聯(lián)煤層氣有限責任公司）

煤層氣作為三大重要清潔能源之一，主要以游離態(tài)的甲烷為主。 由于具有清潔性且當前儲量巨大，因此市場前景廣闊。 為加大對煤層氣的應(yīng)用， 通常利用帶內(nèi)涂層的集輸管線進行輸送，以提高煤層氣的輸送效率，但煤層氣輸送管線內(nèi)涂層若有破損， 會對管道造成嚴重的腐蝕和沖蝕。因此， 如何做好集輸管道中內(nèi)涂層的缺陷檢測，對管道的防護和安全使用有著極其重要的作用和價值。 目前，針對內(nèi)涂層管道的缺陷檢測，常用的無損檢測方法有渦流檢測法、電流衰減（PCM）檢 測 法 和 超 聲 波 檢 測 法， 張 海 兵 等［1］、GROSSO M等［2］都采用渦流檢測法對涂層厚度進行了檢測， 但對缺陷損傷的檢測效果還有待進一步論證；沈非等將電流衰減檢測法應(yīng)用到特種設(shè)備涂層的檢測中，但受磁場的影響，檢測精度不高［3］；張恒則將超聲檢測法應(yīng)用到粘接質(zhì)量的檢測中，取得良好效果，評價了粘接的等級［4］。 但歸納發(fā)現(xiàn)，超聲檢測主要用于涂層厚度的檢測，在涂層缺陷檢測方面的應(yīng)用還相對較少。 因此，基于以上研究，本試驗嘗試利用超聲檢測的原理，探究管道內(nèi)涂層的缺陷檢測。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 超聲波檢測原理

超聲波的特征體現(xiàn)在穿透性強、能量高及波長短等方面，頻率高于0.02 MHz，在傳播到特殊的分界面時會出現(xiàn)反射等現(xiàn)象，根據(jù)對接收信號的處理可以得到需要的信息。 該技術(shù)的優(yōu)勢在于無需與檢測目標接觸， 不會影響檢測目標的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)無損檢測。 超聲波檢測原理如圖1所示［5～7］。

圖1 超聲檢測原理

基于上述原理，可分析煤層氣集輸管線內(nèi)涂層是否存在缺陷，具體檢測原理如圖2所示。 首先在管道外側(cè)合適位置設(shè)置超聲換能器，然后將發(fā)射的超聲波傳輸?shù)郊敼艿纼?nèi)部，超聲波在發(fā)生反射之后將會在換能器和外壁界面再次反射并進入集輸管道內(nèi)部，所以在管道內(nèi)壁會形成超聲余振波，且逐步衰減。 超聲換能器接收到反射信號之后，將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號，然后借助示波器分析信號特征，判斷集輸管線內(nèi)涂層是否存在缺陷。

圖2 壁面-內(nèi)涂層界面處超聲回波1.2 超聲波檢測主要影響因素

根據(jù)當前的研究可知，超聲波在管道內(nèi)壁傳播時受諸多因素影響，會發(fā)生衰減，這些因素包括［8～11］：超聲波束的擴散、管壁與其他界面的吸收作用和受管道晶粒度影響出現(xiàn)的散射。 一般在上述因素的綜合影響下出現(xiàn)衰減問題，可以通過透射率和反射率進行描述，透射率和反射率與界面的聲阻抗大小直接相關(guān)。 對于在管道內(nèi)壁傳輸?shù)某暡ǎ菀装l(fā)生透射，主要發(fā)生位置有兩個：換能器與外壁的交界面；內(nèi)壁與介質(zhì)的交界面。 對于后者，其透射率主要與介質(zhì)聲阻抗有關(guān)，而這也是導致管道內(nèi)壁超聲波衰減的主要因素。

結(jié)合以上分析可以看出，超聲波傳播主要受分界面的影響而出現(xiàn)反射或者透射。 設(shè)有兩種介質(zhì)（介質(zhì)1、2），在傳播到兩種介質(zhì)的交界面時，部分超聲波反射回介質(zhì)1中， 其他部分則透射過界面進入介質(zhì)2中。由此得到反射率R，即反射波、入射波聲強的比值［12，13］：

式中 Ir——反射波的聲強；

I0——入射波的聲強；

Z1、Z2——介質(zhì)1、2的聲阻抗。

透射率T為：

式中 It——透射波的聲強。

本次研究中煤層氣集輸管道材料、內(nèi)涂層防腐材料分別是35CrMo合金鋼和環(huán)氧樹脂，二者的聲阻抗分別是Z鋼=45.3×106kg/（m2·s）、Z內(nèi)=2.7×106kg/（m2·s），煤 層 氣 的 聲 阻 抗 為Z氣=0.03×106kg/（m2·s）。

在內(nèi)涂層完整的情況下，根據(jù)式（1）、（2）計算得到：

由此可知， 反射能量占79%， 被換能器接收到；透射能量占21%，被透射到煤層氣集輸管道中的內(nèi)涂層中。

在煤層氣集輸管道內(nèi)涂層不完整的情況下，根據(jù)式（1）、（2）得到：

由此可知， 絕大部分能量被換能器接收，比例高達99.7%， 僅極少部分能量透射， 比例約為0.3%。

基于各個界面的反射率，可得一次反射回波的波高差Δ，具體計算如下：

由此可知，處于兩個界面的波高差可達2.021 dB， 特別是在管道壁界面中出現(xiàn)多次反射時，波高差同樣會達到比較高的水平。

2 煤層氣集輸管道內(nèi)涂層檢測試驗

2.1 試驗方案

本試驗主要針對煤層氣集輸管道的防腐內(nèi)涂層缺陷進行檢測，即根據(jù)超聲回波在各個界面的衰減特性判斷煤層氣集輸管道內(nèi)涂層是否存在缺陷。 具體方案介紹如下。

2.1.1 煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完全破損模型

煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完全破損模型指超聲波通過管道壁之后與煤層氣界面接觸 （鋼-氣界面），部分超聲波在界面位置反復反射，直至衰減。 除反射的部分之外，還有部分透射到管道中的煤層氣中。 具體方案如圖3所示。

圖3 內(nèi)涂層完全破損試驗方案

2.1.2 煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完好無損模型

煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完好無損模型指超聲波通過內(nèi)涂層和管壁界面（鋼-內(nèi)界面）時，部分超聲波在界面反射后持續(xù)在管道壁內(nèi)傳播，直至衰減，其他聲波則透射到內(nèi)涂層介質(zhì)中。 受聲阻抗差異性的影響， 回波呈現(xiàn)出不同的衰減特性。 根據(jù)這些特性數(shù)據(jù)，對內(nèi)涂層形態(tài)進行分析。具體方案如圖4所示。

圖4 內(nèi)涂層完好無損試驗方案

2.2 試樣制備

2.2.1 選擇試驗材料

本試驗材料為35CrMo合金鋼，內(nèi)涂層選擇環(huán)氧樹脂， 試驗確保與實際管道環(huán)境保持一致。35CrMo合金鋼成分見表1。

表1 35CrMo合金鋼成分 %

2.2.2 內(nèi)涂層試樣制備

結(jié)合試驗要求設(shè)計了不同試塊，主要包括內(nèi)涂層完好無損、完全破損、剝離起鼓3種類型，試樣長、寬、高分別是40、50、18 mm。 內(nèi)涂層剝離起鼓 直 徑16 mm， 經(jīng)CT-200 測 定 內(nèi) 涂 層 厚 度300 μm。 具體內(nèi)涂層缺陷檢測試樣如圖5所示。

圖5 內(nèi)涂層試驗試樣

2.2.3 搭建試驗平臺

結(jié)合圖6的試驗流程對煤層氣集輸管道內(nèi)壁的防腐內(nèi)涂層缺陷進行檢測。 所需的檢測設(shè)備包括示波器、超聲換能器及超聲檢測設(shè)備等。

圖6 煤層氣集輸管道防腐內(nèi)涂層缺陷檢測流程

在圖6中， 超聲換能器主要用于實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收；上位機主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與分析。 其中，上位機配置了自主設(shè)計的內(nèi)涂層缺陷檢測軟件，可根據(jù)結(jié)果判斷缺陷情況。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)涂層完好無損與完全破損對比試驗

在本次研究中，針對完好無損（鋼-內(nèi)界面）和完全破損 （鋼-氣界面） 的試樣進行超聲波檢測， 并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)繪制了回波特性曲線，具體如圖7所示。

圖7 試驗試樣內(nèi)涂層完好無損與完全破損的回波特性曲線

根據(jù)圖7可知，隨著反射次數(shù)的增加，兩界面的回波信號均不斷衰減， 對應(yīng)的幅值保持降低的趨勢。 出現(xiàn)這一現(xiàn)象與超聲波的介質(zhì)散射、擴散等有關(guān)。 為更準確地描述其衰減過程，結(jié)合圖6采集到的數(shù)據(jù)， 得到五次回波反射的幅值（表2）。

表2 不同試樣五次回波的幅值 V

由表2數(shù)據(jù)可知， 各界面的回波信號幅值存在一定的差異性，但對于前兩次反射這種差異性不明顯， 所以無法直接對界面特性做出準確判斷。 而在第3次之后發(fā)生了顯著的變化，區(qū)分度較高，幅值差距最大的是第5次。 所以可以根據(jù)第5次反射回波信號的幅值來進行分析，確定內(nèi)涂層中的破損情況。

3.2 缺陷尺寸對內(nèi)涂層超聲檢測的影響

分析涂層超聲檢測和缺陷尺寸（直徑）之間的關(guān)系， 設(shè)計了9種不同直徑的內(nèi)涂層剝離起鼓試樣，范圍為0～16 mm，間隔為2 mm。 根據(jù)圖6的檢測流程，繪制對應(yīng)的回波特性曲線，得到如圖8所示的結(jié)果。

圖8 不同缺陷直徑對超聲波傳播的影響

根據(jù)圖8可知，在不同直徑的內(nèi)涂層缺陷下，隨著反射次數(shù)的增加，檢測到的回波信號幅值逐步降低。 另外還發(fā)現(xiàn)，在前兩次反射時，不同直徑的內(nèi)涂層缺陷導致的回波信號幅值基本一致，而從第3次開始出現(xiàn)了顯著的變化， 幅值差異明顯增大，特別是在第5次時達到最大值，此時可對內(nèi)涂層缺陷特性有較好的評價， 所以用第5次反射回波幅值來實現(xiàn)內(nèi)涂層缺陷檢測。 不同直徑內(nèi)涂層缺陷得到的回波信號幅值見表3。

根據(jù)表3可知，在內(nèi)涂層完好的情況下，第5次回波幅值最大達到0.28 V， 且其幅值隨缺陷直徑變大而呈現(xiàn)出增大的趨勢。 出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是在缺陷直徑變大時， 會形成更強的反射聲波， 所以對應(yīng)的回波幅值同樣保持較高的水平。而在完全破損的情況下，則對應(yīng)的幅值最大達到了1.08 V， 此時缺陷直徑和換能器直徑尺寸是一致的。 但是在缺陷直徑繼續(xù)增大時，回波幅值基本保持固定。 綜上，超聲波回波幅值大小可判斷缺陷尺寸和破損程度。

表3 不同內(nèi)涂層缺陷直徑下的第5次回波幅值

4 實際應(yīng)用

為進一步驗證上述方法的檢測效果，將其應(yīng)用到實際煤層氣集輸管道內(nèi)涂層缺陷的檢測中。實際煤層氣集輸管道試樣如圖9所示， 內(nèi)涂層環(huán)氧樹脂厚度300 μm，管道直徑和厚度分別是160、16.5 mm。

圖9 實際煤層氣集輸管道試樣

依據(jù)圖6所示的檢測流程得到實際煤層氣集輸管道完好無損（鋼-內(nèi)界面）和完全破損（鋼-氣界面）兩種狀態(tài)下的內(nèi)涂層回波特性，具體如圖10所示。

由圖10可以看出，兩種狀態(tài)下回波信號幅值均隨反射回波次數(shù)的增大而減小，前兩次回波幅值差異性較小，在第3次之后差距增大。 提取第5次回波幅值，得到的結(jié)果列于表4。

表4 實際煤層氣集輸管道不同界面處的超聲回波幅值 V

圖10 實際煤層氣集輸管道內(nèi)涂層完好無損與完全破損的回波特性曲線

由表4數(shù)據(jù)可知， 兩界面回波幅值差距最大在第5次，與試驗測試的結(jié)果一致。 同樣可以用第5次來判斷煤層氣內(nèi)涂層的破損情況。

設(shè)計9種尺寸的內(nèi)涂層剝離缺陷， 涂層剝離直徑同樣在0～16 mm，間隔為2 mm。 根據(jù)檢測試驗， 得到在內(nèi)涂層不同缺陷直徑下的第5次回波幅值，具體如圖11所示。

圖11 內(nèi)涂層不同缺陷直徑下的第5次回波幅值

根據(jù)圖11可知，在不同缺陷直徑下，對應(yīng)的回波幅值是不同的。 在內(nèi)涂層完好、完全破損情況下，回波幅值最大分別是0.60、1.24 V。 內(nèi)涂層完全破損時，若缺陷直徑繼續(xù)增大，回波幅值基本保持固定。 說明該方法在實際應(yīng)用中效果很好。

5 結(jié)束語

筆者構(gòu)建的基于超聲回波的煤層氣集輸管道內(nèi)涂層缺陷檢測方法， 可對管道內(nèi)涂層完好無損和完全破損狀態(tài)進行檢測， 具體的檢測原理則是通過超聲回波的幅值差值進行判斷。在本研究中，通過試驗得到管壁-天然氣界面和管壁-內(nèi)涂層界面間第5次回波的差值最大。 由此可以通過第5次回波幅值的差值來判斷涂層在不同缺陷直徑下的缺陷程度。而該方法的特點在于，通過超聲回波這種無損檢測，大幅提高了管道的檢測效率。