管道碳纖維復合材料修復層陣列超聲檢測方法提高檢測精度

關鍵詞/主題詞：陣列超聲；碳纖維復合材料；管道修復層；油氣儲運；無損檢測；缺陷檢測；聲線示蹤；超聲成像

0引言

隨著高鋼級管道在能源輸送領域的廣泛應用，其安全性和穩(wěn)定性日益受到重視。管道在長期使用過程中，受到腐蝕、裂紋等多種因素的影響，導致結構性能下降，早在2016年，李榮光等認為管道使用過程中產生的缺陷可能會給管道的正常輸送帶來嚴重的安全隱患，并介紹了油氣長輸管道常見的管體缺陷類型和修復技術，分析了高鋼級管道在線不停輸修復技術的可靠性研究及發(fā)展趨勢［1］。為了解決這一問題，需要對管道進行及時修復彌補，2019年，張李等通過分析在油氣管道出現缺陷時的一般影響因素，探討在實際油氣管道中所使用的修復方法［2］。碳纖維復合材料修復技術因其高強度、良好的設計性和無需焊接的特點，以及施工時不動火、可以帶壓操作、施工流程簡單等特點，逐漸成為管道修復的首選方案。2019年，劉永忠對碳纖維復合材料進行全面分析，并對碳纖維復合材料補強技術在輸油管道中的應用進行研究，提出該修復技術可以有效提升輸油管道維修工作的效率和質量［3］。2020年，楊寄誠等通過爆破實驗研究了修復層厚度對失效內壓的定量影響，表明隨著修復層厚度增加，修復效果增加的幅度會降低［4］。

碳纖維復合材料增強修復管道的方法主要包括預成型法和濕纏繞法。預成型法，又稱為套筒法，依據所使用的套筒材料進行分類，分為復合材料套筒法：2018年，Mazurkiewicz等提出使用復合材料作為套筒材料，增強了鋼管的性能［5］；復合材料/灌漿套筒法：2021年，Md等對具有不同金屬損失水平的全尺寸管道進行三維有限元分析，評估灌漿復合材料修復系統(tǒng)的失效行為和能力，發(fā)現使用高抗拉強度灌漿，復合修復系統(tǒng)可以恢復有缺陷的鋼管的能力，最多可恢復約70%的金屬損失［6］。根據具體施工的方式不同，濕纏繞法可分為以下幾種方法：纖維布周向纏繞法：2019年，張寶龍等使用纖維布周向纏繞法，解決了濕纏繞法在施工中的周向纖維布纏繞問題，證明了復合材料修復能明顯提高含環(huán)向裂紋管道的承壓能力和承彎能力，從而提高管道的安全裕度［7］；2020年，孫傳青通過玻璃纖維復合材料周向纏繞法加強整體管段，彌補干線管道因地區(qū)等級變化帶來的安全裕量不足問題，為干線管道高后果區(qū)治理提供指導性建議［8］。纖維纏繞法：2020年，Al-Abtah提出纖維增強聚合物復合材料外包裹法，消除了熱影響區(qū)對焊接管道的承壓能力和劣化性能的影響［9］；纖維布貼片法：2021年，Chen等提出了纖維布貼片法，利用有限元分析評估復合材料修復管道的力學性能，通過增加復合材料纖維布的厚度解決了濕纏繞法中纖維布貼片過程中帶來比外包裹法更高的界面剪切應力問題［10］。其中，纖維布周向纏繞法是在周向360°對管道的增強或修復部位進行纏繞，而纖維布貼片法僅對待增強修復的區(qū)域進行局部補強。2022年，何毅等對復合材料增強修復油氣管道研究進展做了綜述，認為纖維布貼片法雖然使用的復合材料較少且施工更簡便，但對管道增強和修復效果往往比周向纏繞低［11］。

目前大多數碳纖維復合材料修復層通常由多層碳纖維布和環(huán)氧樹脂基體組成，當檢測到管道出現腐蝕缺陷時，采用濕纏繞工藝，將浸潤環(huán)氧樹脂膠的碳纖維布在管道缺陷處外部纏繞粘貼形成一個復合材料修復層。這種結構設計旨在利用碳纖維材料在纖維方向的高強度，結合環(huán)氧樹脂基體的粘結性能，以固化后與管道形成一個整體。

總體來說，固化后的復合材料修復層呈現為碳纖維與環(huán)氧樹脂交疊的多層粘接結構。在管道復合材料修復過程中，由于環(huán)境限制，通常采用常溫下的人工纏繞方式進行修復，這種修復方式在管道維修中得到廣泛應用，但是其修復質量嚴重依賴于操作人員的技術水平和經驗。當修復過程中樹脂層的厚度與碳纖維復合材料單層厚度相近時，導致復合材料修復層結構的致密性相對較差，修復層內部容易產生氣泡、分層、孔隙等缺陷，進而影響管道修復質量。為了更好地監(jiān)測和評估管道碳纖維復合材料修復層的修復質量，各類無損檢測技術被應用在修復層檢測中，以監(jiān)控修復層的結構完整性。管道碳纖維復合材料修復層中普遍存在的缺陷類型，如圖1所示。

從圖1中可以看出，在復合材料修復過程中，由于層間污染、粘接力不足、樹脂未完全浸潤或樹脂中空氣未徹底排出等因素可能會產生諸如分層、脫粘、孔隙、空洞和纖維褶皺等缺陷。此外，在修復材料的固化過程中，碳纖維鋪層的不均勻收縮可能會引起修復層的彎曲變形，進而導致修復層與管道表面不能有效貼合，這種現象被稱為翹曲缺陷。在上述典型缺陷中，孔隙缺陷和裂紋缺陷通常尺寸微小，對修復層的有效性產生的影響較弱，而修復層與管道的界面分離、修復層層間的分層脫粘以及管體表面的空洞缺陷對于管道碳纖維復合材料修復層的有效性具有顯著負面影響，因此，能夠有效檢測并進行準確評估這類缺陷，對修復層的整體性能和管道的長期安全性具有重要意義。

目前國內外針對碳纖維復合材料的檢測方法主要包括電磁檢測、射線檢測、紅外熱成像檢測、超聲波成像檢測等。2020年，張榮華等提出了一種塊均質化的建模方法，有效模擬平紋編織碳纖維復合材料的電磁特性，解決了平紋編織碳纖維復合材料的疲勞檢測問題［12］。2022年，李紅利等提出了方塊模型和紗線模型，并基于電磁感應原理設計了一種無需手動旋轉的12線圈電磁式陣列渦流傳感器，成功檢測平紋碳纖維增強樹脂基復合材料中裂紋缺陷［13］。針對碳纖維復合材料的射線檢測，近年來開展了諸多研究。2019年，廖見明分析了射線檢測在復合材料無損檢測中的應用，認為射線檢測技術在復合材料中具有很大的作用［14］。李瓊艷等分析了X射線技術在復合材料中的應用探討，發(fā)現存在諸多不足如靈敏度低、成本高和對目標對象的厚度存在限制［15］。董方旭對比分析了X射線斷層CT成像檢測、X射線螺旋CT成像檢測和X射線錐束CT成像檢測三種X射線CT成像檢測方法，證明了X射線錐束CT成像檢測方法在對碳纖維樹脂基復合材料內部分層缺陷的檢測中優(yōu)勢最大，為碳纖維復合材料射線檢測提供了借鑒意義［16］。2020年，李小麗等以復合材料內部分層缺陷為研究對象，對比了CT技術與X射線檢測技術的檢測能力，認為X射線檢測對復合材料中分層缺陷的檢測效果較差［17］。2022年，章清樂等提出了一種X射線數字成像自動化掃描成像檢測方法，解決了大型復合材料蜂窩夾芯結構的無法快速可視化檢測難題［18］。2023年，楊玉森等用X射線檢測法及高分辨率超聲脈沖反射法對單向鋪層復合材料層壓板沖擊損傷進行無損檢測與評估，認為傳統(tǒng)X射線方法對裂紋缺陷較為敏感，但對分層缺陷無法達到檢出效果，具有一定的局限性［19］。

針對碳纖維復合材料的紅外熱成像檢測，近年來同樣開展了諸多研究。2019年，南方等開展了紅外熱成像技術對各類表面狀態(tài)下航空復合材料的檢測研究，認為紅外熱成像技術應用于復合材料檢測中，對復合材料試件的表面狀態(tài)存在一定局限性［20］。2020年，郭德偉等對比了不同的形狀及不同損傷所適用的主流無損檢測方法技術原理，并利用紅外熱成像的方法對碳纖維增強樹脂基復合材料開展紅外熱成像檢測實驗，彌補了CT方法不能直觀地得到表面損傷的缺點［21］。2022年，朱笑等采用紅外熱成像檢測技術對低速沖擊載荷下的碳纖維復合材料層合板表面與內部損傷進行識別，解決了損傷區(qū)域弱邊緣的檢測能力不足的問題［22］。2023年，裴翠祥等研究了一種基于衍射分束原理的激光光束整形和勻化方法，并在此基礎上開發(fā)了便攜式光纖耦合光束勻化激光紅外熱成像檢測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)紅外成像方法由于激光加熱不均造成的檢測能力較低等問題［23］。

相比之下超聲檢測是最有效、應用最為廣泛的方法之一。其中陣列超聲檢測技術以其高精度、高分辨率和非破壞性的特點，成為復合材料無損檢測領域的重要研究方向。2019年，Lin等利用Dijkstra算法成功反演出碳纖維復合材料層壓板中聲傳播路徑并實現其中橫通孔的全聚焦成像，解決了陣列超聲全聚焦難以在復合材料檢測中應用的問題［24］。2021年，Priya等采用基于脈沖回波法的超聲C掃描技術實現了復合材料中纖維裂紋和分層的檢測，解決了傳統(tǒng)C掃描成像對復合材料的檢測難題［25］。Cao等利用Dijkstra算法成功反演出碳纖維復合材料多向板R區(qū)結構中聲傳播路徑和傳播時間，提供了復合材料聲束路徑計算的新思路［26］。曹弘毅等利用陣列超聲對碳纖維增強樹脂基復合材料分層缺陷進行評估，認為陣列超聲檢測技術對碳纖維復合材料具有很高的檢測精度，對較小缺陷具有很好的檢測效果［27］。張婷等分析了褶皺缺陷的檢測和對力學性能的影響，提出了復合材料層壓板的褶皺缺陷設計容限推薦為5°，為褶皺缺陷的無損檢測提供了設計要求［28］。2022年，Jeroen等基于A掃描信號采用統(tǒng)計時間能量化方法實現了碳纖維復合材料層壓板分層缺陷的C掃描成像，解決了傳統(tǒng)時間門方法難以對復雜沖擊損傷簇范圍的提取和量化問題［29］。周正干等利用維特比算法實現碳纖維復合材料多向板中纖維褶皺缺陷的全聚焦成像，提高了檢測分辨率［30］。2023年，王俊等針對碳纖維復合材料層壓板結構設計基于線性陣列和環(huán)形陣列換能器的超聲檢測方法，發(fā)現采用線陣換能器可在具有較高信噪比的同時，對厚度較小（≤10mm）的復合材料平板試樣實現高效率檢測，而環(huán)陣換能器對厚度較大的平板試樣具有更高的檢測精度以及更小的成像畸變［31］。Ma等提出了一種用于多重延遲問題的歸一化互相關峰值方法，消除一些幅度下降并平衡拖尾效應和頻率相關效應，解決了隨著深度增加，碳纖維鋪層信息丟失的問題［32］。然而，上述這些方法都是針對高溫高壓環(huán)境下制作而成的碳纖維復合材料，結構內樹脂分布均勻且樹脂層通常遠薄于復合材料層，而碳纖維復合材料的修復層主要由碳纖維布編織而成，其具有的分層各向異性顯著、樹脂層厚度不均勻等特點，導致超聲波在材料中的傳播衰減更為顯著，聲束聚焦困難，反射信號的信噪比低，不易分辨。

因此，本研究聚焦于管道碳纖維復合材料修復層的典型缺陷，旨在通過陣列超聲檢測技術，提供一種高效、準確的非破壞性檢測方法，以期為管道修復層的質量評估提供科學依據，并為復合材料管道修復層中其他缺陷的檢測與評價提供參考，從而為油氣管道的安全維護和長期穩(wěn)定運行提供技術支持。

1方法過程

1.1室內研究

1.1.1碳纖維修復層聲學傳播特性

碳纖維復合材料具有聲學各向異性，對修復層內聲波的傳播和衰減具有顯著影響。單向碳纖維鋪層中，超聲波的傳播滿足Christoffel方程，見式（1）。

式中：ρ為材料密度，單位kg/m3，v為聲波相速度，單位m/s，δim為克羅內克符號，um為質點矢量方向位移，單位m，Γim為Christoffel聲學張量，其定義見式（2）。

式中：Cijkm為材料的4階剛度張量2;3），ni（i=1;2;3）分別對應聲波波矢在（x;y;z）三個方向的方向余弦。

求解方程（1）可以得到ρv2的三個解，分別對應近似縱波（qP）、近似垂直剪切波（qSV）以及近似水平剪切波（SH）。對于每一組解，都存在一個相應的質點矢量方向位移，它指向該類型波的質點振動方向。

各向異性介質中，聲波相速度的方向與聲波波陣面垂直，其與聲波波包傳播方向存在一定的夾角，而聲波群速度的方向是聲波能量的傳播方向（即波包傳播方向），為了準確描述聲波在各向異性材料中的傳播行為，采用群速度作為關鍵參數，其計算公式，見式（3）。

式中：u代表質點矢量方向位移，vg為聲波能量的傳播矢量，在無能量耗散的各向異性介質中，聲波的群速度與聲波能量傳播矢量相同。由此可得聲波的群速度的計算公式，見式（4）。

式中：cg為群速度的幅值，單位m/s， g為群速度的方向角。

在各向同性平面內，彈性力學特征在各個方向上相同。在這種情況下，選擇各向同性平面為yz平面，x軸為對稱軸，橫向各向同性材料的剛度系數矩陣中總共有8個獨立的參數。用于制作復合材料修復層的雙向碳纖維布通常選用T700東麗原絲，其密度ρ=1800kg/m3，可計算出鋪層的剛度系數矩陣。因此，根據公式（3）和公式（4）可以計算不同纖維鋪設角度、不同傳播方向的聲波群速度，如圖2所示。

從圖2中可以看出，當當聲波入射平面的面內方向角θ＜20°時，入射平面內群速度基本相等，即當聲波入射角度較小時，碳纖維復合材料可以近似視為各向同性材料，而當聲波入射平面的面內方向角θ＞20°時，單向碳纖維鋪層內群速度受群速度方向角度影響較大。

1.1.2聲線示蹤方法

陣列超聲技術利用陣列超聲換能器產生和接收超聲波，以檢測材料內部的缺陷。該技術基于波束控制原理，通過改變陣列換能器中各陣元的發(fā)射和接收信號的相位，實現超聲波束的動態(tài)聚焦和偏轉。陣列超聲無損檢測技術能夠實現線性掃描、扇形掃描和動態(tài)深度聚焦等多種掃描方式，顯著提高了檢測的靈活性和效率，增強了分辨率。

當超聲波以一定角度從一種介質入射到另一種介質中時，聲波在界面處會發(fā)生折射反應，入射和折射的角度關系符合斯涅爾定律。然而，由于所涉及的復合材料修復層具有各向異性，使得直接應用斯涅爾定律進行聲線路徑的迭代計算變得復雜。為了解決上述技術難題，采用先離散后整合的動態(tài)規(guī)劃思路進行路徑搜索。以費馬原理理論依據，即“超聲波總是沿著用時最短的路徑在空間兩定點之間傳播”，顯然可以將碳纖維復合材料中的聲線示蹤轉換為計算機科學圖論研究中的最短路徑問題。若能夠獲知各離散節(jié)點之間的聲傳播路徑和時間信息，便可以使用維特比最短路徑搜索算法整合各離散點之間的路徑，實現構件內任意兩定點之間的聲線路徑。具體搜索過程如下：

1）初始化：對于復合材料表面（第一層）的離散點，計算從聲源點s到這些點的聲傳播時間。由于第一層的點直接與聲源點相鄰，因此S到這些點的時間即為最短時間，聲速在楔塊中以直線傳播，計算公式為聲程除以傳播方向對應的聲波群速度。

2）網格離散化：網格化的疏密直接影響聲線路徑搜索的準確性和搜索效率。由于碳纖維復合材料修復層單一鋪層內近似認為是均質的各向異性材料，因此在厚度方向離散單位為單一鋪層厚度，而在水平方向，選擇以0.1mm等長度進行離散，兼顧搜索效率和搜索準確性。

3）計算聲速空間分布：在1.1.1節(jié)中已經說明了單鋪層內的聲速計算方法，根據結果可知聲速的大小與定點所在鋪層的纖維方向和彎曲位置有關，可以得出相鄰層兩點的聲速的空間分布。

4）建立聲時矩陣：用表示任意兩點p、q之間的傳播時間，值得注意的是，當p、q兩點位于同一深度或者位于不同纖維方向鋪層內時，聲波無法直接由p點傳播至q點，此時，僅當p點和q點位于同一纖維鋪層中且不在同一深度時，聲波可以直接從p點傳播至q點，計算公式，見式（5）。

式中：v（xp;zp; p; pq）表示在纖維方向為 p的鋪層內，與法線夾角為 pq方向上的群速度。利用上式可以計算出區(qū)域中任意兩個離散點之間的聲傳播時間。

5）最短路徑搜索：維特比最短路徑搜索算法本質是一種動態(tài)規(guī)劃算法，即從起點到終點的最短路徑一定包含了終點前一個點的最短路徑。具體實現過程為：首先，以陣元為起點s，位于試樣表面的離散點的最短聲時路徑有且只有一條，其中m為每一層纖維鋪層的離散點數，最短聲時為；當經過第一層纖維鋪層時候，離散點在大量的可能路徑，其中每個離散點的最短聲時為；以此類推，可以找出試樣內所有離散點的最短聲時，當終點為e時，最短聲時為，其中n為碳纖維鋪層總數；通過迭代上述步驟，維特比最短路徑搜索算法可以計算出從聲源點S到復合材料修復層中任意點的最短傳播時間。

6）路徑回溯：最終根據回溯原理，可以從計算出的最短傳播時間反推出對應的聲傳播路徑。

1.2應用案例

1.2.1試驗材料及設備準備

在管道修復層中，在脫粘缺陷和腐蝕缺陷處形成空腔，使得缺陷處與周圍材料的聲速差異較大，超聲波會在此處產生強烈的反射信號。在人工缺陷試樣的制作過程中，脫粘缺陷采用與復合材料聲速差異較大的泡棉和聚四氟乙烯模擬，同時采用機加工打薄的方式模擬管道表面的腐蝕缺陷。參照管道復合材料修復的標準方法，采用濕纏繞法進行管道復合材料典型缺陷試樣的制備，制作過程，如圖3所示。

從圖3中可以看出，碳纖維復合材料修復層缺陷制作主要包括了表面打磨、缺陷模擬、纏繞碳纖維布及加熱固化，其中表面打磨為了去除表面雜質，增加吸附力。采用專業(yè)的打磨設備對試樣表面進行處理，確保表面粗糙度滿足工藝要求，打磨深度控制在0.2～0.3mm范圍內，以避免對基體材料造成過度損傷。缺陷模擬階段采用精密加工方式，在碳纖維布層間預埋特定尺寸的缺陷，包括管道腐蝕、修復層層間脫粘、管體與修復層界面脫粘等典型缺陷類型。纏繞碳纖維布時，需要保持恒定的張力和纏繞角度，并實時監(jiān)控樹脂含浸量，確保其在45%～55%的理想范圍內，每層鋪設完成后進行壓實，以減少層間氣泡，提高修復層每層的致密度。加熱固化采用分段升溫方式，先在60℃下保溫2h，再升至80℃保溫4h，最后在120℃下保溫6h，以確保樹脂充分交聯(lián)固化并防止樹脂堆疊。

為了模擬復合材料修復層中的常見缺陷，使用一個管徑為559mm，管長為700mm的高鋼級管道試樣，設計使用厚度為8mm的碳纖維復合材料修復層（每層碳纖維布的厚度約為0.2mm，每層樹脂厚度約為0.3mm）進行修復，修復層寬度為500mm。在修復過程中預埋缺陷管道腐蝕、修復層層間脫粘、管體與修復層界面脫粘等典型缺陷，每類缺陷設置三種不同尺寸，缺陷的分布，如圖4所示。

從圖4中可以看出，每段修復層內部均埋有模擬管體表面腐蝕缺陷（機加工打薄），模擬修復層與管體界面脫粘缺陷（泡棉）以及模擬修復層層間脫粘缺陷（泡棉和聚四氟乙烯）四種類型的缺陷。其中每類缺陷包含三個不同大小的人工缺陷。試樣中詳細的缺陷位置及尺寸，見表1。

從表1中可以看出，每種類型的缺陷都包含三種不同尺寸，用于研究對不同尺寸缺陷的檢測能力。此外，修復層層間脫粘缺陷包含了兩種不同材料進行模擬，管體表面腐蝕缺陷是通過對管體打磨進行均勻減薄來模擬，厚度均為2.0mm，而其他缺陷厚度均為1.0mm。

傳統(tǒng)的手動超聲檢測應用于大面積的管道復合材料修復層時效率低下，無法檢測缺陷全貌，因此研究引入自動化陣列超聲檢測系統(tǒng)對修復層進行檢測，如圖5所示。

從圖5中可以看出，該自動化掃查系統(tǒng)主要由雙驅動單元、超聲板卡，掃查軸等部分組成，通過上位機的兩個網口分別傳輸超聲信號和電機驅動器信號，驅動器控制驅動單元運動。其中，步進軸驅動單元可磁性吸附于管道表面，沿著垂直于管道母線方向運動，掃查軸攜帶陣列超聲檢測探頭沿著管道母線方向運動，從而進行管道修復層的柵格線性C掃描。

實驗過程采用的換能器是32陣元線性陣列探頭，中心頻率為1MHz，陣元間距為1.5mm，陣元數量為32，激發(fā)孔徑為8，聚焦深度12mm，使用的楔塊高度為20mm，聲速為2337m/s，超聲探頭與修復層通過噴水進行耦合。通過對復合材料修復層試樣采集陣列超聲數據，并導入MATLAB軟件進行后處理C掃描成像分析。

1.2.2試驗流程設計

試驗旨在通過自動化陣列超聲檢測系統(tǒng)對管道碳纖維復合材料修復層中的缺陷進行高效、準確的檢測，并對缺陷的空間分布及尺寸進行定量分析。

首先對試樣表面進行全面清潔和打磨處理，確保其表面無雜質和不平整部分，避免出現超聲探頭和試樣之間難以耦合問題。在此基礎上，通過預先對復合材料修復層的仿真分析，確定合適的檢測參數，包括選擇陣列超聲換能器主頻、激發(fā)孔徑、采樣率等，以確保信號的準確采集和數據的高質量重建。

接著，確定復合材料修復層的掃描區(qū)域和掃描速度，在掃描檢測階段通過步進驅動單元實現探頭沿管道母線方向的精確線性掃描，同時，超聲探頭通過步進軸在垂直方向上逐步運動，覆蓋整個管道修復層區(qū)域。在掃描過程中，實時采集到的反射信號將經過超聲成像系統(tǒng)進行初步處理，主要包括去噪、衰減補償、歸一化等操作，并初步成像顯示。

最后，將采集到的超聲信號導入MATLAB處理軟件，設置合適的時間閘門，成像閾值等參數，生成高質量的碳纖維復合材料修復層陣列超聲C掃描圖像。同時，根據C掃描圖像對修復層中的各類缺陷進行精準定位，并根據回波特征與設計尺寸進行比對，確定缺陷的位置、形態(tài)和尺寸。

此試驗流程通過嚴格的試樣制備、精確的掃描數據采集與高效的圖像處理手段，確保了缺陷檢測的高效性、準確性與可重復性，為管道復合材料修復層的超聲檢測技術發(fā)展奠定了堅實的基礎。

1.2.3試驗結果分析

分別通均質化聲速法和聲線示蹤法計算聚焦法則，使用二維掃查器采集陣列超聲線掃C掃描數據，成像閘門均設置在二次回波位置，C掃成像結果，如圖6所示。

從圖6中可以看出，使用均質化聲速法進行C掃描成像，僅能對修復層層間脫粘缺陷進行檢測，對修復層管體界面脫粘缺陷和管體表面腐蝕缺陷均無法有效成像，且部分缺陷出現位移和形狀發(fā)生畸變，這是由于聲束無法有效聚焦引起的。而使用聲線示蹤法進行C掃描成像，所有的層間脫粘缺陷和界面脫粘缺陷均被檢測成像，可以區(qū)分粘接界面的完好與否；但是管體表面腐蝕缺陷無法檢測出來，這是由于腐蝕區(qū)域樹脂滲露，聲波能量衰減變大，回波信號微弱，難以有效成像。相比于傳統(tǒng)的均質化聲速方法，使用聲線示蹤法檢測管道碳纖維復合材料缺陷漏檢率降低25%，驗證了方法的可行性。

為了量化檢測效果，使用?6dB法定量缺陷的大小，并與真實缺陷尺寸對比，計算成像精度，見表2。

從表2中可以看出，整體上使用聲線示蹤法計算的缺陷尺寸更加接近真實缺陷尺寸，缺陷定量平均精度提高了46.6%。其中對于用泡棉模擬的層間脫粘缺陷（1#，2#，3#），使用聲線示蹤法提升的精度小于用聚四氟乙烯模擬的層間脫粘缺陷（7#，8#，9#），說明相較于聚四氟乙烯，泡棉由于其結構疏松，能夠更好地模擬試樣中的脫粘缺陷，因此在C型圖像中表現出更加清晰的缺陷圖像。而對于同樣由泡棉模擬的修復層與管體界面脫粘缺陷（4#，5#，6#），使用聲線示蹤法可以有效檢測到，但是相比于（1#，2#，3#）的修復層脫粘缺陷，缺陷定量尺寸偏差變大，使用均質化聲速法則完全無法檢測，說明深層區(qū)域對于聲波衰減性變大，回波幅值被削弱，缺陷檢出能力變弱。

2結果現象討論

2.1缺陷漏檢率降低25%的原因分析

從實驗檢測結果來看，使用均質化聲速法C掃成像在12個預埋缺陷中只檢測出6個缺陷，漏檢率為50%，而使用聲線失蹤法C掃成像在12個預埋缺陷中檢測出9個缺陷，漏檢率為25%。相比與傳統(tǒng)的均質化聲速法，使用聲線失蹤法對碳纖維復合材料修復層進行C掃描成像，缺陷漏檢率降低了25%。

為了直觀分析漏檢率降低的原因，需要計算在碳纖維復合材料修復層中的傳播時間。2018年，Lin等提出使用基于模型底面反射法（back-wallreflectionmethod，BRM）［33］計算qP波在復合材料碳纖維層壓板中的傳播時間，解決了傳統(tǒng)全聚焦方法對于碳纖維復合材料層壓板檢測靈敏度低的問題，證明了在提供準確速度模型的前提下，基于模型的方法計算碳纖維復合材料中qP波傳播時間是有效的，如圖7所示。

從圖7中可以看出，在使用均質化聲速計算聲傳播時間，只有前10個陣元接近BRM實驗測量值，當接收陣元與發(fā)射陣元的距離更遠時，兩者差值迅速增加；而聲線示蹤法所有陣元計算的聲傳播時間都與RBM測得的值接近，說明聲線示蹤法計算的聲傳播時間與真實復合材料修復層中聲波傳播時間相近，聚焦性能得到提升，具備更加的檢測能力。這與文獻［33］中Lin等通過仿真建立復合材料碳纖多向板模型，模擬BRM測量得到的qP波傳播時間的結果呈現高度一致性。文獻［30］中，周正干等解釋說明了這種現象是由于碳纖維復合材料中多層結構的層間多次反射以及層間碳纖維各向異性引起聲波傳播行為發(fā)生偏差導致的，不能直接等效于在各向同性介質中傳播，僅當入射聲波波長遠大于碳纖維復合材料的單鋪層厚度的前提下，均質化聲速法計算的傳播時間接近實際值。

因此，使用聲線示蹤法進行C掃描成像，可以準確計算每個陣元發(fā)射聲波到達聚焦目標位置的聲傳播時間和傳播路徑，相比與傳統(tǒng)的均質化聲速方法，在相同激發(fā)孔徑條件下，聲線示蹤法能夠實現更為精準的聲束聚焦。這不僅提高了聲波的傳播能量，還使聲波能夠穿透更深的區(qū)域，進而提升了檢測的深度和精度。特別是在檢測碳纖維復合材料中的底部修復層與管體界面脫粘缺陷時，聲線示蹤法能夠準確捕捉到回波信號。這是因為聲波在聚焦時能有效地集中能量，確保能夠到達較深的區(qū)域并準確反射回來，從而識別這些較為隱蔽的缺陷。

但是，聲線示蹤法在聚焦和深度檢測方面具備優(yōu)勢，但是由于腐蝕區(qū)域樹脂滲漏，導致聲波傳播過程中能量的顯著衰減，進一步減弱了回波信號，同時聲波在變厚的樹脂層之間多次反射同樣導致能量的耗散，使得檢測的靈敏度和準確性降低。在這種情況下，聲波的傳播路徑和能量分布受到影響，從而導致腐蝕缺陷的回波信號可能難以被有效捕捉。這也是聲線示蹤法依舊無法檢測出管體與修復層界面的腐蝕缺陷的原因。

2.2缺陷定量平均精度提高46.6%的原因分析

由于實驗試樣中預埋缺陷均為面積型缺陷，以?6dB法定量的缺陷面積和實際缺陷的面積比來代表精度，聲線示蹤法提升的精度計算方法見式（6）。

式中：p1和p2分別表示聲線示蹤法和均質化聲速法定量缺陷的精度，S1、S2和S0分別表示聲線示蹤法定量缺陷面積、均質化聲速法定量缺陷面積和實際缺陷面積。因此，可以計算出聲線示蹤法定量缺陷平均精度提高了46.6%。

為了直觀分析精度提高的原因，建立碳纖維復合材料COMSOL仿真模型，模型底部設置分層缺陷，同時確保可以接收到缺陷位置的回波信號，分別設置聲線示蹤法和均質化聲速法計算的聚焦法則，直觀顯示聲線示蹤法和均質化聲速法計算的聚焦法則在復合材料修復層中的傳播情況，如圖8所示。

從圖8中可以看出，采用均質化聲速法計算的聚焦法則無法在碳纖維復合材料中準確聚焦到缺陷位置，且傳播路徑存在復雜的聲波散射現象，同時接收回波能量渙散，回波信號干擾嚴重；而采用聲線示蹤法計算的聚焦法則可以準確控制聲束在碳纖維復合材料中聚焦到缺陷位置，聚焦聲波覆蓋缺陷邊緣，聲波多路徑效應和散射減弱，同時接收的回波能量同樣聚焦，信號干擾減弱。正如文獻［24］中指出的，使用均質化聲速法會過度簡化材料特性，忽略了材料在不同方向上聲學性質的差異，這導致聲波在傳播過程中產生偏離理想路徑的現象。此外，由于碳纖維和樹脂層界面的阻抗差異，聲波會發(fā)生復雜的散射，均質化聲速法無法準確預測這種散射效應，造成能量的分散和衰減，而聲線示蹤法通過考慮材料的微觀結構，能夠更好地描述聲波與材料界面的相互作用。

在可檢缺陷的前提下，聲線示蹤法能夠有效減弱由于波束散射或多路徑效應帶來的影響，增強了回波信號的強度，直接表現為在C掃圖像中偽像變少，缺陷邊緣相形貌更加清晰，能夠精確反映缺陷的實際尺寸和位置，從而減少了測量誤差，提高了檢測精度。相比之下，均質化聲速法由于忽略了材料內部的局部各向異性，導致聲波傳播時聚焦聲束發(fā)生偏差，回波信號中成分復雜，包含大量的層間散射信號，在C掃圖像中表現為偽像增加、缺陷位置發(fā)生位移、缺陷形狀發(fā)生畸變等現象，導致測量誤差較大，精度較差。

因此，聲線示蹤法在缺陷定量方面展現了明顯優(yōu)勢，有效避免了聲波的過度衰減和散射，提高了缺陷尺寸測量的準確性，提升了檢測精度。

3結論

將陣列超聲聲線示蹤C掃描成像方法引入管道復合材料修復層缺陷檢測是完全可行且有效的，該方法首先通過理論分析碳纖維復合材料修復層聲學特性，建立仿真模型優(yōu)化檢測參數，然后根據聲束示蹤法計算陣列超聲線性掃查聚焦法則，最后通過磁吸式掃查器采集C掃檢測數據并進行成像分析。通過制備預埋管體腐蝕缺陷、管體與修復層界面脫粘缺陷以及修復層層間脫粘缺陷的管道復合材料修復試樣進行檢測成像試驗，并與傳統(tǒng)均質化聲速檢測方法進行對比，得到如下結論：

（1）通過本文研究，使用傳統(tǒng)均質化聲速法進行陣列超聲C掃描成像，由于無法對聲束有效聚焦，僅能對修復層層間脫粘缺陷進行檢測，且缺陷形狀位置發(fā)生畸變和位移；方法對所有的層間脫粘缺陷和界面脫粘缺陷均可有效檢測，可以區(qū)分粘接界面的完好與否；相比均質化聲速法，缺陷漏檢率降低25%，缺陷定量平均精度提高了46.6%，進一步驗證了方法的有效性。

（2）目前研究結果表明還存在管道腐蝕缺陷無法被有效檢測的問題，這是因為管道腐蝕缺陷本身位于修復層底部，聲波受到碳纖維各向異性、層間多次反射和高衰減性影響較大，且腐蝕缺陷特性導致修復層樹脂大量滲入，聲波能量衰減急劇變大，即使聲束可以有效聚焦，能反射回來的聲波依舊能量非常弱甚至無法被有效接收。

（3）未來可以通過頻率選擇性補償技術對衰減較大的聲波頻段進行增強以及優(yōu)化陣列超聲換能器降低樹脂對聲波傳播的影響等方法解決管道碳纖維復合材料修復層管體腐蝕缺陷的無損檢測。