Page 77 - 无损检测2024年第十期
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高乾祥，等：
PE 管道外壁缺陷的微波可视化定量检测
和沙石挤压摩擦造成的外壁减薄缺陷和强压引发的 仿真所得最佳检测频段，选择最佳成像频点后利用
裂纹 [1-2] ，两种缺陷的平面尺寸评估指标中，减薄缺陷 波谱重构成像算法进行可视化成像。试验结果表明，
的面积和裂纹的长度备受关注，因此，及时发现PE管 在图像后处理中应用融合及插值处理，可得到包含
道外壁缺陷并对其进行无损定量评估，对于确保PE 所有缺陷的清晰图像，在缺陷定量评估中利用阈值
管道的完整性和安全性，预防油气泄漏等安全事故的 分割二值化和Regionprops统计函数，可以评估缺陷
发生至关重要。目前针对PE管道的无损检测方法 位置与平面尺寸信息。
有射线检测技术 、超声检测技术 [4-5] 、红外热成像
[3]
技术 等，但这些方法均有一定的优缺点与局限性 。 1 PE管道微波检测原理及有限元仿真
[7]
[6]
微波检测作为新兴的电磁无损检测技术，有着 PE管道外壁缺陷微波检测原理如图1所示，开口
无电离辐射、非接触检测的特点。微波在空气和介 矩形波导发射一定带宽的微波经过提离距离传播至
电材料中传播时的损耗较小，非常适合于非金属管 PE管道内壁，在空气-PE界面处发生反射与透射，透
道的检测 [8-9] 。近年来，国内外针对PE管道的微波 射波传播到PE管道外壁时发生反射，反射波沿原路径
检测进行了不少研究，有学者采用新型微波检测 返回，矩形波导接收并输出检测回波信号。进行检测
技术对含有孔洞、夹杂和焊缝等缺陷的PE管道热 时，矩形波导与PE管道相对转动，当其转动至PE管
熔接头进行检测，检出了焊缝中微小的孔洞缺陷。 道外壁缺陷处时，介电常数的变化导致微波反射信号
RAHMAN等 [10] 使用K波段、Ka波段矩形波导和K 幅值、相位等电场参数均发生变化，试验中反射波的
波段圆波导对内壁和外壁均存在孔洞的PE管道进 能量大小由散射参数S 11 表征，通过分析有无缺陷处S 11
行检测，检测结果表明，矩形波导对PE管道的检测 信号的变化即可获得PE管道外壁缺陷信息。基于以
性能更好，可以清楚检测到PE管道内部孔洞缺陷。 上检测原理，建立对应有限元仿真模型，为兼顾穿透性
GHASR等 [11] 使用Ka波段矩形波导，结合合成孔径 与分辨率，检测波段选择Ka波段，仿真模型包括矩形
（SAR）技术对PE管道内壁的裂纹缺陷进行了检测。 波导与含有缺陷的PE管道，仿真模型参数如表1所示。
CARRIGAN等 [12] 在PE管道内爬行的检测机器上
搭载了K波段的矩形波导来检测PE管道外壁裂纹
和孔洞缺陷，扫描结果显示该系统可识别宽度和深
度均为1 mm的裂缝，且裂缝平行于波导的磁场方向
时，检测效果最好。雒明世等 [13] 采用微波检测技术
对PE管道内部缺陷进行检测， 并提出一种基于PCA
杂波抑制的成像增强方法，结合阈值分割技术提取
出缺陷信息并对其进行定量评估。目前微波检测主
要应用于PE管道管壁缺陷检测，其成像方法与缺陷
尺寸的评估有待进一步研究。
文章集中研究PE管道外壁缺陷微波检测及定
量评估的可行性。通过数值仿真，探究PE管道外壁
缺陷在Ka波段微波检测中的信号响应特性。搭建
微波PE管道检测试验系统及平台，采集试验数据，
对回波数据采用奇异值分解法进行杂波抑制，结合 图 1 PE 管道外壁缺陷的微波检测原理示意
表1 仿真模型参数
管道公称外径D /mm 管道壁厚d/mm 提离x/mm 管道相对介电常数ε r 缺陷宽度a/mm 缺陷深度h /mm
减薄缺陷 30
160 14.6 2 2.3 2~6
裂纹 2
为 了研究不同深度减薄缺陷和裂纹在Ka波 续变化，不同减薄缺陷深度下S 11 信号复数模与频
段的S 11 信号响应特性，改变缺陷深度h，仿真得到 率的关系曲线如图2（a） 所示，可以看出，在26.5~
的S 11 信号输出为复数形式，实部和虚部随频率连 29 GHz频 段，2 mm深度缺陷和 6 mm深度缺陷与
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2024 年 第 46 卷 第 10 期
无损检测
