非金屬防腐層分層缺陷超聲導波檢測

李茂東， 林曉輝， 楊 波， 洪曉斌

(1. 廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東 廣州 510663; 2. 華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

工業用金屬材料表面通常覆蓋有非金屬防腐層，如各種金屬板材以及石化行業中用到的內襯防腐管道等，隨著使用時間增加，防腐層容易產生各種缺陷，其中界面分層是常見的一種缺陷?？傮w而言，分層缺陷的產生主要來自生產過程和使用過程，生產過程中，非金屬防腐層與金屬基材之間的結合通常要經過加熱加壓保溫的步驟，若在此過程中出現加壓復合時壓力過小、防腐層厚度不均勻等，則可能導致防腐層材料不能充分產生塑性變形而殘存較大應力，進而在冷卻時產生分層缺陷。而在使用過程中，可能存在反復的加載、卸載、升溫、降溫等復雜工況，會在應力集中的區域形成很大的交變應力，如不加以檢測防范，會使得非金屬防腐層產生分層缺陷，金屬基材將失去保護而遭到腐蝕甚至發生斷裂。

目前對防腐層界面損傷檢測可分為非超聲波防腐層界面損傷監測方法和超聲波防腐層界面損傷監測方法兩大類，其中非超聲波防腐層界面損傷監測方法主要包括紅外熱波檢測方法、漏磁檢測方法、渦流檢測法等。如Han J S等[1]通過加熱被檢測區域，采用紅外熱像儀記錄試件表面溫度場，通過數據分析軟件對紅外圖像進行處理后得到涂層缺陷程度。J.Jun等[2]使用一個掃描式的漏磁探頭結合霍爾傳感器陣列來檢測復合材料中的裂紋情況，并對其檢測能力進行討論。JH.Rose等[3]提出了一種基于頻率變化阻抗的渦流檢測線圈，用來檢測金屬涂層的厚度和導電性。紅外熱波方法若要達到一定分辨率，對儀器設備要求較高；漏磁檢測需要在鐵磁材料上進行，不適用于非金屬材料的分層檢測；渦流檢測對金屬表面或近表面的缺陷有很高的檢出靈敏度，但是對于非金屬的熱障涂層損傷卻無法進行檢測。

超聲波檢測法是廣泛用于材料探傷的常用方法，也是最早用于復合材料無損評價的方法之一。它主要利用復合材料本身或其缺陷的聲學性質對超聲波傳播的影響來檢測材料內部和表面的缺陷，如氣泡、分層、裂紋、脫粘、貧膠等。超聲波應用于防腐層界面損傷檢測主要有聲發射法、超聲脈沖回波法、超聲導波法等。如Gallego A等[4]基于聲發射技術，對在熱鍍鋅的鋼樣品表面防護層和本體金屬的結合程度進行評價。日本慶應義塾大學的Y Suga等[5-6]利用超聲波方法研究了噴敷層脫粘現象，并探索了影響超聲波檢測效果相關因素，同時將這種方法應用于檢測陶瓷噴敷層材料脫層現象實驗，發現處于熱沖擊試驗下產生的脫層現象可以利用這種方法有效檢測出來。韓國先進科技學院的H.Sohn等[7]探索了使用非接觸超聲導波檢測多層復合材料中隱藏的脫層現象可行性?，F有的超聲檢測方法大多為檢測復合材料的粘接質量，而較少涉及對金屬和非金屬分層缺陷的研究。本文采用超聲導波檢測方法，搭建試驗平臺，利用超聲導波設備對分層缺陷進行檢測并提取有效數據，接著基于小波變換，提出利用小波能量值檢測分層缺陷損傷程度的評價方法。

1 非金屬防腐層分層缺陷測量原理

1.1 超聲導波在雙層介質中的傳播規律

由于界面的存在和材料性質的不同，超聲導波在雙層介質中的傳播不同于傳播在無限大介質或者層板中。建立雙層板模型如圖1所示。其中，ρ，λ和μ分別為介質密度和Lame參數，h表示介質層厚度，x軸、y軸、z軸如圖所示。在分層介質中，對于按eiw簡諧變換的位移場，必定滿足Navier位移方程，即有：

圖1 雙層板模型

基于Navier位移方程結合Helmholtz分解可計算得到超聲導波在多層介質中傳播的位移場勢函數通解[8]：

其中為任意參數；每一個勢函數可以看作向下和向上傳播的平面波兩項，相當于每一層板中包括兩個縱波和兩個剪切波的4個平面體積波。從上述理論分析可知，超聲導波在多層介質中傳播存在多模態，多方向等較為復雜特點，難以利用特定模態對分層缺陷進行準確檢測。同時，隨著層數的增加，導波在介質中傳播的模態大幅增加，從能量方面考慮，層數越多，在相同距離內，導波發生的折射和模態轉換越多，即能量消耗越嚴重，因此，可根據接收信號能量大小對非金屬防腐層分層缺陷進行判斷。

1.2 基于小波包變換的信號能量值評估

小波變換是當前應用數學中發展迅速的領域，它是以局部化函數形成的小波基作為基底展開的，具有許多特殊的性能和優點，小波包變換是基于小波變換的進一步發展，能夠提供比小波變換更高的分辨率。對于信號函數x(t)使用小波Ψ(t)為基的小波變換[9]的定義為：

其中x(t)∈L2(R)，Ψ(t)是母小波，a，b分別為小波變換的尺度因子和時間因子，滿足條件：a>0?；谑剑?）可以得到相對應的小波重構公式為

小波變換是一種積分變換，它的實質在于將L2(R)空間中的任意函數表示為其在具有不同伸縮因子a和 平移因子b的 Ψ(t)之上的投影的疊加。通過調整伸縮因子a和 平移因子b可以得到具有不同時域寬度的小波以匹配原始信號的任意位置，達到對信號的時頻局部化分析的目的。在這里，用一個信號的3層小波包分解樹說明小波分解的過程。如圖2所示，其中A表示低頻，D表示高頻，末尾的序號數表示小波分解的層數。由圖可知，分解級數越大，也就是選擇的小波包尺度越大，小波包系數對應的空間分辨率就越低，利用這一點，可以在不同的空間分辨率上進行分析。

圖2 3層小波包分解樹

本文在基于小波能量值的分層缺陷評估中，將小波包變換引入對分層缺陷信號分析，通過n階小波包對接收信號進行分解，得到2n個信號小波子集分解后的子集可以表示如下：

其中j是頻率范圍，m指總的采集的數據，定義第i個經過分解的能量信號如下：

因此，第i個能量集合定義為：

基于上面公式推導，定義第i個能量集合的小波能量值為：

非金屬防腐層分層缺陷損傷可以用信號的小波能量值Ew來評估。由于超聲導波在雙層介質中的傳播損耗更大，因此理論上采用基于小波能量值的分層缺陷評估方法中，小波能量值越小，表明信號能量損耗越大，進而說明分層缺陷損傷越大。

2 基于小波能量值的分層缺陷評估實驗平臺

為檢測出非金屬防腐層分層缺陷，基于超聲波在雙層板中的傳播理論，本文首先搭建基于小波能量值分層缺陷損傷評估方法的實驗平臺，如圖3、圖4所示。實驗平臺由上位機、波形發生器、壓電放大器、試樣和PCI-20614數據采集卡組成。實驗過程中，首先在上位機編制發射信號，通過波形發生器生成信號，接著信號放大器將信號放大50倍之后通過發射探頭激勵試樣，經過分層缺陷并被接收探頭接收，接收的信號通過采集卡采集并傳輸到上位機進行進一步的信號處理。

圖3 基于小波能量值的分層缺陷評估實驗平臺

圖4 基于小波能量值的分層缺陷評估實驗流程圖

其中試樣的構成如圖5所示，由上層PC板和下層鍍鋅鋼板組成，兩層介質之間通過水緊密連接。利用兩塊PC板之間的空隙模擬分層缺陷，通過控制移動兩塊PC板可以控制分層缺陷的位置和大小。PC板和鋼板的厚度均為3 mm。經過測試不同頻率和入射角度的超聲斜探頭，發現不同的頻率和入射角度對實驗結果的總體趨勢影響不大，因此實驗選擇常用的2.5Z10×10A60的超聲斜探頭作為發射和接收探頭。發射探頭與接受探頭位置固定且距離為200 mm。分層缺陷產生時，在缺陷產生的區域，非金屬防腐層與金屬基材發生分離，該實驗平臺模擬的分層缺陷與實際的分層缺陷基本符合，同時本文中涉及的基于增益值的分層缺陷損傷評估方法和基于小波能量值的分層缺陷評估方法原理是利用接收信號能量在正常區域和缺陷區域的損耗不同來實現對分層缺陷的檢測，在這一方面模擬的分層缺陷與實際的分層缺陷對信號能量所造成的影響是一致的，因此模擬分層缺陷的實驗結果具有較高的可信度。

圖5 分層缺陷試驗實物圖

在超聲導波檢測領域中，由于經過漢寧窗調制的正弦信號具有頻散特性弱、能量損失低、信號失真低等優點，因此本實驗采用10周期漢寧窗正弦調制信號檢測分層缺陷，同時，基于探頭的諧振頻率，選擇調制信號的中心頻率為2 MHz。該漢寧窗正弦調制信號的具體時域頻域圖如圖6和圖7所示。

圖6 漢寧窗正弦調制信號時域圖

3 實驗結果及分析

3.1 基于增益值的分層缺陷損傷評估實驗

超聲檢測儀器的增益值是衡量回波幅值的重要指標，增益值越大說明回波幅值越小，即信號能量越低。利用增益值的這一特點，本文首先探索了一種基于增益值的分層缺陷損傷評估方法。實驗平臺中試樣和探頭與第2節中一致，發射和接收部分則由常規超聲儀器代替，如圖8所示。

基于增益值的分層缺陷損傷評估方法的實驗按照模擬的分層缺陷寬度大小分為21組進行，從分層缺陷寬度為0 mm開始到200 mm，每隔10 mm一組。對于每一組缺陷，通過移動發射探頭和接收探頭使得缺陷回波幅值達到最高，接著利用超聲檢測儀器的自動增益功能將回波幅值調到80%的高度，記錄下此刻儀器顯示的增益值。實驗過程中，始終保持分層缺陷位于發射探頭和接收探頭中間，實驗結果如圖9所示。

由圖可知，隨著分層缺陷寬度的增加，使接收信號達到80%高度的儀器增益值整體呈下降趨勢，結果表明利用接收信號的能量變化可以判斷分層缺陷的大小。然而，由于實際應用這種基于增益值的分層缺陷損傷檢測方法時，需要通過移動發射探頭和接收探頭使得缺陷回波幅值達到最高，這個過程中產生的誤差影響其檢測精度。此方法只能在分層缺陷較大的情況下才能將其有效分辨出來，從圖中可以看出，當分層缺陷為0 ，10 ，20 mm時，增益值分別為47.2 ，47.3 ，47 dB，即在此范圍內，增益值并沒有隨著分層缺陷的增大而單調減小，此時利用超聲儀器增益值的方法難以有效分辨出分層缺陷。下面利用小波能量法檢測非金屬防腐層分層缺陷并進行比較。

圖9 基于增益值的分層缺陷損傷檢測實驗結果

3.2 基于小波能量值的分層缺陷評估實驗

本文基于小波能量值的分層缺陷評估方法總共進行了41組實驗，為了更加細致地觀察不同分層缺陷寬度下接收信號的小波能量值的規律，從分層缺陷寬度為0 mm開始到200 mm每隔5 mm取一組缺陷進行實驗，每組實驗進行10次并取接收信號的平均值進行3層的小波包分解，如圖2所示。用A表示低頻，D表示高頻，末尾的序號數表示小波分解的層數，則得到小波包分解信號如圖10所示。

實驗過程中始終保持發射探頭和接收探頭位置不變。對接收信號利用Matlab程序提取小波能量值，記錄這41組數據，結果如圖11所示。

從圖中實驗結果可以發現，隨著分層缺陷寬度的增大，接收信號的小波能量值單調增大，表明分層缺陷寬度越大，超聲導波傳播過程中發生的反射、折射和損耗就越小，因此小波能量值越大。不同于基于增益值的評估方法，由于在此方法中，探頭始終保持固定，不需要每一組實驗都移動發射接收探頭，避免了移動過程中可能產生的誤差。在基于增益值的評估方法實驗結果中，增益值總體呈減少趨勢，但具體在相鄰的某幾組實驗中，并不一定是單調減少的。而在基于小波能量值的分層缺陷檢測實驗中，可發現接收信號的小波能量值具體到相鄰的實驗中，都是隨著缺陷寬度而單調增加。同時，對于分層缺陷寬度在0～20 mm的范圍內，由于較多誤差存在使得基于增益值的分層缺陷評估方法并不能很好地反映出缺陷問題，對較小分層缺陷容易產生漏檢的情況。如表1所示，利用基于小波能量值的分層缺陷評估方法，即使在缺陷寬度為0～20 mm的情形下，也具有比較明顯的趨勢，雖然小波能量值的增長絕對值不大，但隨著分層缺陷寬度的增加仍有明顯的單調上升趨勢，即通過小波能量值可判斷出較小分層缺陷的存在。

圖10 分層缺陷寬度為5 mm時接收信號的三層小波包分解信號

圖11 基于小波能量值的分層缺陷評估實驗結果

表1 較小分層缺陷下的小波能量值

4 結束語

本文為了實現對非金屬防腐層的分層缺陷檢測，首先基于超聲導波在多層介質中的傳播理論，建立了超聲導波在雙層板狀介質中的傳播模型，提出了基于小波能量值的分層缺陷檢測方法，搭建了基于小波能量值的分層缺陷檢測平臺。實驗部分首先利用超聲儀器增益值的指標對分層缺陷寬度進行檢測，結果表明隨著分層缺陷寬度的增加，達到相同回波幅度的增益值逐漸下降，但由于存在操作誤差和儀器誤差，在局部范圍內無法識別出分層缺陷。接著利用基于小波能量值的分層缺陷檢測方法對分層缺陷做進一步的檢測，實驗結果表明接收信號的小波能量值這一指標能更好地實現對分層缺陷的檢測，特別是在缺陷寬度較低的情況下，采用小波能量法能更好滿足分層缺陷檢測需求。

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