1  引言

国内3PE防腐管线几乎全部采用聚乙烯热缩材料进行补口，但在管道安装建设期间和运行使用中均发现了许多质量问题，这对管线形成了腐蚀危害风险。在管道补口质量检测中，漏点检测和外观目视检测是必测内容，补口后热收缩套的粘接力测试则是抽检方式，GB/T 23257-2009“埋地钢质管道聚乙烯防腐层”标准中规定，每100个补口至少抽测一个口。但由于此项检测操作人员存在个体差异，其操作熟练程度和水平参差不齐，这会对检测的准确性产生一定影响；此外，现有的粘接力测试方式具有破坏性，测试完毕后需要对测试部位修复。因此，将新技术应用到补口粘接质量检测上，在不破坏补口的情况下对补口粘接质量进行快速扫描测量，从而为管道的安全运营提供保障。

目前，对于粘接结构粘接质量的超声检测则已成为国内外的研究热点，但针对管道补口粘接质量检测的研究并不多，其中超声检测是粘接结构无损检测应用最为广泛的技术之一[1]。根据超声波产生机制不同，可分为压电式、电磁式、磁致伸缩和激光超声；根据检测手段不同，又可分为脉冲回波法、板波诱发波法、聚焦传感器双模式检测法。不同机制和检测方法各有优点，对管道补口粘接质量的检测应用存在差异。

2  补口热收缩带粘接质量超声检测技术对比

2.1 不同原理超声波检测性能分析

（1）压电式超声波

压电式超声波是传统的超声检测技术，其利用压电元件的正压电效应和逆压电效应实现发射或接收超声波信号。传统压电超声换能器换能效率高，信号质量好，信噪比高，有利于信号的分析。但是也存在诸多问题：检测探头需要与工件紧密接触，信号才能很好传入试件内，因此对于试件表面质量要求高，检测探头才能与试件表面良好耦合，但一般管道补口热收缩带表面质量一般较差，特别是在存在脱粘、气泡等情况下，传统压电式超声探头几乎无法进行检测，因此不太适合管道补口热收缩带粘接质量的检测。

（2）电磁式超声波

电磁式超声（EMAT）的利用洛伦兹力，磁致伸缩效应和磁性力可产生横波、纵波和瑞利波等不同波形的超声信号。与压电式超声波相比，EMAT具有以下优点：通过电磁效应实现换能，不需与工件紧密接触，不需耦合剂，不需要对工件表面预处理，更适合于表面质量不好的补口热收缩带的检测；改变EMAT电信号的频率可以影响声波的倾斜角，产生各类波模；电磁超声波传播距离远，检测速度快，所用通道与探头的数量少；EMAT检测安全环保，对操作人员无伤害。但是从国内外的研究现状来看，目前EMAT也存在以下问题：换能效率低，EMAT换能效率比压电式换能器低20~40dB，收到的超声波信号幅值小；接收信号能量弱，有效信号幅值与噪声信号相当，信号质量比压电超声差；辐射模式宽，回波信号分辨率较低；大功率激发提高激励信号，使线圈发热。

宋卫华、王小民、李明轩等【2、3】为将电磁超声应用于多层粘接结构界面检测进行了大量相关研究：针对电磁超声界面检测信号噪声高和盲区大的问题，用小波阈值滤波和自适应抵消滤波方法对检测信号进行了处理，将信噪比提高了约12dB，自适应抵消滤波有效地减小了由感生信号产生的盲区；同时，提取检测回波的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率三种瞬时参数，采用BP神经网络识别缺陷并分类，识别正确率达到95%以上；为使电磁超声应用于小缺陷的类型与大小的定量检测中，通过自适应解卷积的方法，产生了大时宽带宽积线性调频信号，激励超声换能器产生了具有更高能量与分辨率的超声波信号，并利用统计性方法对粘接件的准静态断裂强度进行了探索性的预测。

（3）激光超声波

当强度调制的激光束射入闭合的介质空间时可产生声波，图1是激光超声技术激发原理示意图。激光超声检测系统一般由发射系统和接收系统组成。发射系统主要由一台高能脉冲激光器构成，用以在被检测物体上产生高热量，从而产生超声脉冲信号。由于超声波是物体受热激发的，并在物体表面和内部进行传播，所以它携带有物体的厚度、缺陷、应力以及结构信息。

图1激光超声技术激发原理示意图

与其他超声波产生机制相比，激光超声波具有以下优点：激光超声的激发与接收是非接触式的，避免了因耦合所带来的一系列不利问题；由于粘接强度的复杂性，仅靠纵波或横波可能难以完成粘接强度的检测；激光超声能同时激发出多种模式的波，为检测提供了多种选择；由于人们还没有从物理化学上完全搞清楚粘接强度的机理，因此在测量时有必要在试件上施加一定的载荷，让粘接层发生某种变化，进而通过这些变化获取必要的有关粘接强度的信息，而激光超声产生的强烈冲击应力脉冲可用以达到上述效果；激光超声可以对样品的各种局部进行扫描式的测量，进而了解整体的粘接状况,而这也是其他手段所不及的。

但是由于补口用聚乙烯热缩带对激光具有较强的吸收，使得补口表面发生了严重的烧蚀，当脉冲激光照射在表面时，表面分子迅速气化，冒起了白烟，使检测无法进行。即使降低发射激光的功率，仍出现烧蚀现象。分析其原因，在激光超声检测系统中，发射端采用的是掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器，其波长为1.064微米，热缩带对该波长的激光具有很强的吸收。因此，将激光超声技术应用于防腐层补口质量检测时，在检测机理可行之外，还需开发对聚乙烯热缩带不产生严重烧蚀的激光器，这一过程可能需要数年时间。

2.2 不同检测方法性能分析

（1）接触式脉冲回波

如图2所示，接触式脉冲回波法采用持续时间很短的超声脉冲垂直入射到工件表面，一般由同一换能器（超声探头）兼做发射端和接收端，得到的回波信号即可反映粘接质量的相关信息[4]。对于多层粘接结构而言，由于透射损失和超声在材料中的衰减，往往1-2界面的回波信号R1-2较强，2-3界面和底面的回波信号R2-3和R3-3较弱。在国内外针对粘接结构的超声检测研究中，接触式脉冲回波法是最常用的检测方法之一。许多研究者使用特定的脉冲回波法检测工艺，结合不同的信号处理方法，获得了大量的研究成果。

接触式脉冲回波法将探头放置在管道外侧进行检测，操作较简便，但管道表面情况通常较复杂，有时无法进行直接接触式的检测，且接触式探头表面通常由硬质材料构成，其声阻抗与热收缩带相差较大，无法获得较好的反射波形。

（2）水浸式脉冲回波

水浸式脉冲回波法是对接触式脉冲回波法的补充，这种方法在脉冲回波法的基础上，采用直接浸泡或喷水等方式，在探头与试样之间用水（或其他类似耦合剂）隔离开，从而达到延时、改善耦合条件等作用。与接触式探头相比，水浸探头表面的声阻抗与热收缩带外侧的防腐层材料的声阻抗较为相近，可以获得更为有效的回波信号，而且使用水浸耦合的方式可以避免表面不平整对检测探头的限制，从而有效改善试验条件。此外，水浸式检测方法易于进行自动扫查控制，这是接触式超声检测方法几乎无法完成的。但是工程应用中，检测探头全面水浸存在困难，需要采取特殊方式或设备才能完成检测。张建生、李明轩采用水浸式脉冲回波法对钢层与三层橡胶层构成的粘接结构进行检测，先后运用人工神经网络特征识别[5]、小波变换[6]、同态解卷积[7]等信号处理方法，在不同程度上实现了粘接缺陷的特征识别与检测。

（3）板波诱发波

图3 板波诱发波检测物理模型

如图3所示，在板波传播过程中，其中的横波将部分以纵波的形式透射入到第一层介质中，该纵波遇到新的不连续界面，按照Snell定律反射、折射，这种纵波就是板波诱发波。板波诱发波经介质不连续界面反射和折射又回到板中，形成与原板波同模式的新板波[8]。这种检测方法的板波诱发波法可以产生由各粘接面产生的多个板波，因此特别适合用于多层粘接结构的粘接质量检测中[9]。这种检测方法的优点在于新板波的数量直接反映粘接层数；如果某一界面脱粘，板波就会发生全反射，该层面的新板波就不会形成。同时由于原板波、各种新板波传播路径不同，到达接收探头的时间不同，这使得各板波在时域上可以分开，存在的时间差能够充分的反映各粘接层的厚度信息。张吉堂等人[10]和郭洪涛、曹付齐[11]先后采用板波诱发波法对固体火箭发动机的多层界面进行研究，发展出了一种特殊的中值滤波方法以消除伪回波信号[10]，并实现了各界面粘接质量的有效评价[11]。

（4）聚焦探头双模式检测

聚焦探头双模式检测法与板波诱发波法检测原理相似，不同在于聚焦探头双模式检测法采用聚焦的发射和接收探头，通过调节斜入射聚焦探头的入射角和超声波束的锥角，同时激励出横波和板波两种成分波。这种检测方法可以提高检测信号的输出能量，获得更高的信噪比，同时可以更容易地取得粘接质量的诊断图像[8]。张吉堂、路宏年[12]根据聚焦探头双模式检测法的基本原理，研究开发了一套有效的固体火箭发动机包覆质量检测系统，获得了粘接质量诊断图像，较好地解决了机载固体火箭发动机双包覆层粘接质量检测问题。

3  研究进展

近年来，中国石油就管道补口热收缩带粘接质量超声检测开展了大量的理论分析，在不同粘接强度管道补口试件上进行广泛试验研究，取得了良好的研究成果。研究表明：随着粘接质量的下降，粘接层的回波信号R1-2呈增强趋势，回波信号的时域等效强度和频率窗等效强度也与粘接质量呈反比；同时与相比，对于脱粘信号的识别能力更强，且对未脱粘信号的相对粘接质量也有一定的区分能力，可利用对剥离强度进行定性及半定量评价，实现了剥离强度的全面、快速检测；通过对比接触法和水浸法接收信号质量，发现水浸法检测的耦合条件易于实现，且可以利用扫查机构实现对试样大范围内的扫查检测，检测信号可靠性高、检测效率高，比接触法更适合应用在实际工程中；通过对比2.25MHz、5MHz和10MHz检测结果，发现5MHz水浸探头的波列较窄，其检测效果更好，能够区分出R1和R2两个回波信号，对于回波信号足够好的试验点，可以直接通过R1和R2的相对关系判断出粘接质量的相对好坏。基于上述试验结论，建立了基于超声检测的管道补口热收缩带粘接质量评价方法，并进行了相关试验，利用该评价方法得出的评价结果与补口样品手动机械拉伸测试结果一致，具有良好的准确性、适用性。

4  展望

近年来，我国油气管道建设快速发展，管道补口热收缩带粘接质量的检测工作量越来越大、任务越来越繁重。随着超声检测技术的发展，使用超声检测技术对复合材料进行粘接质量评价的研究越来越多，超声检测也逐渐成为粘接质量评价的主要手段之一。因此，在现有研究成果及评价方法基础上，开展深入研究，扩展其应用范围，实现其他材料补口的有效检测，确定各类材料补口粘接质量与超声检测物理特征参数（探头类型、频率、检测方法等）之间的关系，确定信号的合理分析处理方法，制定相应的评价标准，为实现管道各种补口材料粘接性能的无损检测提供技术支持，保证油气管道的安全。