CN104374823A - 一种管道补口热收缩带粘接质量超声无损检测的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种管道补口热收缩带粘接质量评价或其他与热收缩带-钢管结构类似的粘接结构粘接质量评价的管道补口热收缩带粘接质量超声无损检测的评价方法。它是使用水浸式超声脉冲回波法对管道补口进行检测，管道补口热收缩带粘接质量评价流程为：1）获得检测信号；2）选择时间窗口及频带范围；3）计算平均功率及低频能量；4）拟合评价曲线，确定评价阈值；5）对粘接质量进行定性及半定量评价。本发明提高了粘接质量的评价效率，促进了补口质量的提升。

Description

一种管道补口热收缩带粘接质量超声无损检测的评价方法

技术领域

本发明是一种应用于管道补口热收缩带粘接质量评价或其他与热收缩带-钢管结构类似的粘接结构粘接质量评价的管道补口热收缩带粘接质量超声无损检测的评价方法，涉及超声波的测量、金属材料的一般防蚀和管道系统技术领域。

背景技术

管道补口是两段管道焊接处的防腐作业。在埋地钢质管道的施工过程中，管道补口是保证管道防腐完整性的重要工序，也是保证整个管道外防腐层质量的关键环节。目前，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投入运行使用中均发现了许多质量问题，开挖检测发现补口失效所占比例不小，对管线形成了腐蚀危害风险。

为保证管道补口质量，在现场作业完成后，需要对其进行质量检验，其中剥离强度是补口质量的重要指标，一般的合格标准是在管体温度25±5℃的剥离强度应不小于50N/cm。目前通用的剥离强度检测方法是：先将防腐层沿环向划开宽度约为20mm、长10cm左右的长条，并撬起一端，应用测力计以10mm/min的速率垂直钢管表面匀速拉起防腐层，并记录测力计稳定数值，由此得到剥离强度。这种检测方式具有破坏性，操作较复杂，且检验结果代表性不强，无法全面评估补口质量；此外，在检测温度过低时，热收缩带一拉就断，传统的剥离强度检测方法根本无法实施。

超声检测具有无损伤、效率高、操作方便等特点，如果能够将超声检测技术应用在热收缩带的剥离强度检验中，将大大提高管道补口粘接质量的检测效率，提高管道补口现场作业的生产效率和产品质量，这对目前蓬勃发展的能源产业以及需求量巨大的管道类产业都具有重要意义。目前已经出现了一些针对粘接结构的研究成果，但大多还处在实验室研究阶段，且专门针对管道补口热收缩带粘接质量超声检测的研究极少，尚未有公开报道。

发明内容

本发明的目的是发明一种提高粘接质量的评价效率、促进补口质量提升的管道补口热收缩带粘接质量超声无损检测的评价方法。

本发明使用水浸式超声脉冲回波法对管道补口进行检测，检测原理图见图1。检测探头1布设在热收缩带2外侧，检测探头1与热收缩带2之间通过水膜4耦合。检测时检测探头1发射超声波6，超声波6在热收缩带2表面形成投透射波7和反射波9，接着透射波7在热收缩带2与管道钢材3的粘接面5形成透射8和反射波10，最后透射波8多次在钢材3中反射形成一次反射回波11和二次反射12，检测探头1接收这些反射回波，并利用反射回波信号的强度、能量等指标与热收缩带2剥离强度的关系进行粘接质量评价。

本发明亦适用于接触式脉冲回波法，但需要选用与管道补口热收缩带材料声阻抗相匹配的超声探头。

本发明的管道补口热收缩带粘接质量评价流程（见图2）为：

1）获得检测信号

采用超声脉冲回波法对管道补口热收缩带2上的某点进行检测，得到热收缩带2表面的反射波9、热收缩带2与钢材3的粘接面5的反射波10、钢材3底面反射波11和反射波12；

2）选择时间窗口及频带范围

在回波信号中，反射波11和反射波12信号较弱，反映粘接质量的信息主要包含在粘接面5的反射波10中；反射波9只与热收缩带2的表面情况及实验条件有关，不包含反映粘接质量的信息；因此，在选择时间窗口时，应完全包含粘接面5反射波10的相关信号，尽量排除热收缩带2表面反射波9的相关信号，并包含前几次信号稍强的底面反射波11和12；

在回波信号进行傅立叶变换之后的频谱中，振幅最大的谐振峰称为主峰，与粘接质量有关的信息主要包含在主峰左侧的低频带范围内；选择频带范围时，应排除主峰附近的频谱信号，同时排除零点附近可能出现的异常增大的频谱信号，在此基础上保证足够宽的频带范围，以尽量包含更多可以反映粘接质量的信息；

3）计算平均功率及低频能量

平均功率E_T可以反映粘接质量，其值大小与剥离强度基本成反比；E_T的计算公式为

$E_T=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}{[x\left(t\right)-\mathrm{Ex}]}^2\mathrm{dt}}{\mathrm{\Δ}{t}_2}$

其中，t₁表示时间窗口的起始位置，t₂表示时间窗口的结束位置，t₂=t₁+Δt₂，Δt₂表示时间窗口的宽度；x(t)表示信号的时域波形信号；

x(t)在时间窗口内的平均值Ex定义为：

$\mathrm{Ex}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}x\left(t\right)\mathrm{dt}}{\mathrm{\Δ}{t}_2}$

低频能量E_F也可以反映粘接质量，其值大小同样与剥离强度基本成反比；E_F的计算公式为

$E_F={\∫}_{f_1}^{f_2}{\left|X\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}$

其中X(f)表示信号的频谱，f₁和f₂分别表示频带范围的下限频率和上限频率；

4）拟合评价曲线，确定评价阈值

为评价粘接质量，需要首先拟合评价曲线，并确定评价阈值；方法如下：

（1）制备粘接质量不同的三组管道补口试样，其中一组试样的剥离强度应小于合格标准，其余两组试样的剥离强度达标，且有一定差别；按其剥离强度由大到小依次标记为I号、II号和III号试样;

（2）对三组试样分别进行超声脉冲回波法检测实验，对获得的超声回波信号进行计算分析，得到三个平均功率值E_T以及低频能量值E_F，依次记为E_TI、E_TII、E_TIII及E_FI、E_FII、E_FIII;

（3）使用传统的剥离强度测量方法，测量得到三组试样的标准剥离强度F值，依次记为F_I、F_II、F_III;

（4）根据三组试样的E_T值和E_F值，与对应的剥离强度值进行三点拟合，分别得到E_T值和E_F值对剥离强度F的评价曲线，一般使用反比例函数y=b+a/x进行拟合;

（5）查阅相关文献可知，目前通用的剥离强度合格标准为F>F₀=50N/cm；在E_T-F评价曲线中，找到临界剥离强度F₀对应的E_T值，该值即为评价阈值E_T0;使用同样的方法可以在E_F-F评价曲线中得到评价阈值E_F0。

5）对粘接质量进行定性及半定量评价

对管道补口热收缩带上实际检测点的回波信号按以上流程进行计算分析，可以得到E_T值和E_F值。将E_T值和E_F值与评价阈值进行比较，可以实现粘接质量的定性评价;若E_T<E_T0且E_F<E_F0，则判定该点的粘接质量合格；若E_T>E_T0且E_F>E_F0，则判定该点的粘接质量不合格；若使用E_T值和E_F值得到的判定结果不同，则认为该点的检测结果有误，应在该点附近重新选点进行验证性检测;

将实际检测点的E_T值和E_F值分别与E_T-F和E_F-F评价曲线进行比较，可以得到该点剥离强度的估计值F₁和F₂;若F₁和F₂相近，取两者的平均值作为检测点的估计剥离强度，可实现粘接质量的近似定量评价；否则，根据F₁和F₂与三组试样的标准剥离强度F_I、F_II、F_III的相对大小，可以估计出检测点剥离强度的大致区间范围，实现粘接质量的半定量评价。

以上粘接质量的评价方法亦可应用于其他与热收缩带-钢管结构类似的粘接结构的粘接质量评价。

本发明的优点：

1)采用接触式或者水浸式超声探头进行管道补口热收缩套粘接质量检测；

2)通过计算超声信号的平均能量及低频能量两个评价参量对粘接质量进行评价；

3)在实际应用时，首先通过获得标准样本的平均能量与低频能量参数曲线，并将现场检测获得参数值与之相比较，进而对补口热收缩带粘接强度进行定性或者半定量评价;该方法易于现场检测仪器实施，避免目前补口热收缩带剥离强度抽检的弊端，提高补口施工质量；

4)该方法扩展性强，可应用于其他与热收缩带-钢管结构类似的粘接结构的粘接质量评价。

附图说明

图1管道补口热收缩带粘接质量超声无损检测原理图

图2管道补口热收缩带的粘接质量评价流程图

图3时间窗口选择方法示意图

图4频带范围选择方法示意图

图5E_F-F评价曲线示意图

其中1—检测探头       2—补口热收缩带

    3—钢材           4—水膜

    5—粘接面         6—检测探头初始超声波

    7—超声波6进入补口热收缩带的透射波

    8—透射波7进入钢材的透射波

    9—超声波6在热收缩带表面的反射波

    10—透射波8在粘接面5产生的反射回波

    11—透射波8在钢材3底端第一次反射的回波

    12—透射波8在钢材3内二次反射产生的反射的回波

具体实施方式

实施例.

以本实施例来说明本发明的具体实施方式，并对发明内容作进一步说明。

本例采用GE公司序列号为13B0055P的水浸超声探头对管道补口试样进行水浸式脉冲回波法超声检测，其峰值频率为2.25MHz。本例的管道补口热收缩带粘接质量评价流程（见图2）为：

1）获得检测信号

采用水浸式脉冲回波法对管道补口热收缩带2上的某点进行检测，得到的回波信号包括：补口热收缩带2表面反射波9、粘接面5反射波10、管道钢材3底面反射波11和12等;典型反射回波信号见图3;

2）选择时间窗口及频带范围

图3中给出了本例的时间窗口选择方法示意图;其中，时间窗口的起始时间t₁=t₀+Δt₁，t₀为反射波9的起始时间位置，Δt₁为时间窗口起始位置相对于反射波9起始位置的时间偏移量，偏移量Δt₁要保证时间窗口不包含表面反射波9的相关信息，本例中取Δt₁=2μs；时间窗口的结束位置t₂=t₁+Δt₂，其中Δt₂为时间窗口宽度Δt₂，Δt₂要保证时间窗口完全包含粘接面反射波10的相关信号，并包含前两次信号稍强的管道钢材底面反射波11和12等，本例中取Δt₂=10μs;

对回波信号进行傅立叶变换，在频谱图上进行频带范围选择;图4中给出了本例的频带范围选择方法示意图;信号频带范围的起始位置f₁根据信号波形的频谱特征进行选择，保证所选频带范围可以包括主峰左侧大部分的频带能量，同时排除零点附近可能出现的异常增大的频谱信号，本例中频带范围的起始位置f₁为1MHz处；频带范围的结束位置f₂需要排除主峰附近的频谱信号，本例中选择为主峰上升沿中振幅为最大峰值的-6dB处所对应的频率，即主峰的低截止频率，频带范围的结束位置f₂为2.1MHz处;

3）计算平均功率及低频能量

依据E_T和E_F的计算公式进行平均功率和低频能量计算;

4）拟合评价曲线，确定评价阈值

本例中评价曲线及评价阈值的确定方法如下：

（1）制备粘接质量不同的三组管道补口试样，其中一组试样的剥离强度应小于合格标准，其余两组试样的剥离强度达标，且有一定差别；按其剥离强度由大到小依次标记为I号、II号和III号试样;

（2）对三组试样分别进行超声脉冲回波法检测实验，对得到的信号进行计算分析，得到三个平均功率值E_T以及低频能量值E_F，分别为E_TI=58.1、E_TII=79.9、E_TIII=188.9以及E_FI=2.01×10⁸、E_FII=4.12×10⁸、E_FIII=13.93×10⁸;

（3）使用传统的剥离强度测量方法，测量得到三组试样的标准剥离强度F值，依次记为F_I=162N/cm、F_II=89N/cm、F_III=23N/cm;

（4）根据三组试样的E_T值和E_F值，与对应的剥离强度值进行三点拟合，分别得到E_T-F和E_F-F评价曲线；使用反比例函数y=b+a/x进行拟合，拟合结果分别为：

E_T=38.72+3461/F

E_F=(0.3122+314.1/F)×10⁸

（5）根据剥离强度合格标准为F>F₀=50N/cm及E_T-F评价曲线拟合公式E_T=38.72+3461/F，得到评价阈值E_T0=10⁸；使用同样的方法，在E_F-F评价曲线拟合公式E_F=(0.3122+314.1/F)×10⁸中得到评价阈值E_F0=6.594×10⁸;

图5中给出了以E_F-F曲线为例展示的评价曲线示意图，图中还标注了评价阈值E_F0的位置;

5）对粘接质量进行定性及半定量评价

本例中，对某一粘接质量未知的管道补口试样按以上流程进行检测和计算分析，得到计算值分别为：E_T=67.6，E_F=2.56×10⁸;对于该试样，有E_T>E_T0且E_F>E_F0，位于E_T-F曲线和E_F-F曲线的合格区，判断其粘接质量合格;

根据E_T-F拟合曲线，得到F₁=119.8N/cm；同样的，根据E_F-F拟合曲线，得到F₂=139.7N/cm;F₁与F₂有一定差距，但都位于F_I和F_II之间，因此判断其剥离强度值位于89～162N/cm范围内。

实际对该试样进行传统的破坏性剥离强度检测，得到该试样的实测剥离强度为130N/cm，粘接质量合格且剥离强度值位于89～162N/cm范围内。可以看出，以上粘接质量的定性和半定量评价结果都与实测剥离强度相符。

从本例可看出，本例提高了粘接质量的评价效率，促进了补口质量提升。

Claims (2)

1.一种管道补口热收缩带粘接质量评价或其他与热收缩带-钢管结构类似的粘接结构粘接质量评价的管道补口热收缩带粘接质量超声无损检测的评价方法，其特征是使用水浸式超声脉冲回波法对管道补口进行检测，将检测探头（1）布设在热收缩带（2)外侧，检测探头（1）与热收缩带（2）之间通过水膜（4）耦合；检测时检测探头（1）发射超声波（6），超声波（6）在热收缩带（2）表面形成投透射波（7）和反射波（9），接着透射波（7）在热收缩带（2）与管道钢材（3）的粘接面（5）形成透射（8）和反射波（10），最后透射波（8）多次在钢材（3）中反射形成一次反射回波（11）和二次反射（12），检测探头（1）接收这些反射回波，并利用反射回波信号的强度、能量等指标与热收缩带（2）剥离强度的关系进行粘接质量评价；

管道补口热收缩带粘接质量评价流程为：

1）获得检测信号

采用超声脉冲回波法对管道补口热收缩带(2)上的某点进行检测，得到热收缩带(2)表面的反射波（9）、热收缩带（2）与钢材（3）的粘接面（5）的反射波（10）、钢材（3）底面反射波（11）和反射波（12）；

2）选择时间窗口及频带范围

在选择时间窗口时，应完全包含粘接面(5)反射波(10)的相关信号，尽量排除热收缩带(2)表面反射波（9）的相关信号，并包含前几次信号稍强的底面反射波（11）和反射波（12）；

在回波信号进行傅立叶变换之后的频谱中，与粘接质量有关的信息主要包含在主峰左侧的低频带范围内；选择频带范围时，应排除主峰附近的频谱信号，同时排除零点附近可能出现的异常增大的频谱信号，在此基础上保证足够宽的频带范围，以尽量包含更多可以反映粘接质量的信息；

3）计算平均功率及低频能量

平均功率E_T反映粘接质量，其值大小与剥离强度基本成反比；E_T的计算公式为

$E_T=\frac{{\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{[x\left(t\right)-\mathrm{Ex}]}^2\mathrm{dt}}{\mathrm{\&Delta;}{t}_2}$

其中，t₁表示时间窗口的起始位置，t₂表示时间窗口的结束位置，t₂=t₁+Δt₂，Δt₂表示时间窗口的宽度；x(t)表示信号的时域波形信号；

x(t)在时间窗口内的平均值Ex定义为：

$\mathrm{Ex}=\frac{{\&Integral;}_{t_1}^{t_2}x\left(t\right)\mathrm{dt}}{\mathrm{\&Delta;}{t}_2}$

低频能量E_F也反映粘接质量，其值大小同样与剥离强度基本成反比；E_F的计算公式为

$E_F={\&Integral;}_{f_2}^{f_2}{\left|X\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}$

其中X(f)表示信号的频谱，f₁和f₂分别表示频带范围的下限频率和上限频率；

4）拟合评价曲线，确定评价阈值

为评价粘接质量，需要首先拟合评价曲线，并确定评价阈值；方法如下：

（1）制备粘接质量不同的三组管道补口试样，其中一组试样的剥离强度应小于合格标准，其余两组试样的剥离强度达标，且有一定差别；按其剥离强度由大到小依次标记为I号、II号和III号试样;

（2）对三组试样分别进行超声脉冲回波法检测试验，对获得的超声回波信号进行计算分析，得到三个平均功率值E_T以及低频能量值E_F，依次记为E_TI、E_TII、E_TIII及E_FI、E_FII、E_FIII;

（3）使用传统的剥离强度测量方法，测量得到三组试样的标准剥离强度F值，依次记为F_I、F_II、F_III;

（4）根据三组试样的E_T值和E_F值，与对应的剥离强度值进行三点拟合，分别得到E_T值和E_F值对剥离强度F的评价曲线，一般使用反比例函数y=b+a/x进行拟合;

（5）目前通用的剥离强度合格标准为F>F₀=50N/cm；在E_T-F评价曲线中，找到临界剥离强度F₀对应的E_T值，该值即为评价阈值E_T0;使用同样的方法可以在E_F-F评价曲线中得到评价阈值E_F0；

5）对粘接质量进行定性及半定量评价

对管道补口热收缩带上实际检测点的回波信号按以上流程进行计算分析，得到E_T值和E_F值；将E_T值和E_F值与评价阈值进行比较，实现粘接质量的定性评价;若E_T<E_T0且E_F<E_F0，则判定该点的粘接质量合格；若E_T>E_T0且E_F>E_F0，则判定该点的粘接质量不合格；若使用E_T值和E_F值得到的判定结果不同，则认为该点的检测结果有误，应在该点附近重新选点进行验证性检测;

将实际检测点的E_T值和E_F值分别与E_T-F和E_F-F评价曲线进行比较，得到该点剥离强度的估计值F₁和F₂;若F₁和F₂相近，取两者的平均值作为检测点的估计剥离强度，实现粘接质量的近似定量评价；否则，根据F₁和F₂与三组试样的标准剥离强度F_I、F_II、F_III的相对大小，估计出检测点剥离强度的大致区间范围，实现粘接质量的半定量评价。

2.根据权利要求1所述的管道补口热收缩带粘接质量超声无损检测的评价方法，其特征是评价方法也适用于接触式脉冲回波法对管道补口进行检测，但需要选用与管道补口热收缩带材料声阻抗相匹配的超声探头。