一种复合材料增强金属管道无损检测装置及方法与流程

本发明属于管道无损检测领域，涉及一种复合材料增强金属管道无损检测装置及方法。

背景技术：

随着对管道输送压力及输量要求的逐渐增高，提高管道承压能力是一个重要的发展方向，基于此开发出了复合材料增强金属管道的复合管道，通常使用缠绕等方法，将纤维与树脂材料复合并包覆在金属管道表面，从而提高管道的承压能力，达到提高金属管道输送能力的要求。

目前针对此种管道的检测方法除了目测法之外，主要是使用水压爆破的方法，当爆破压力达到设计要求即认为复合材料成型时工艺良好，复合材料中无明显缺陷。此种方法局限于表征单根管道的性能，并且检测后样品报废，因此需要针对复合材料增强金属管道开发出无损检测方法。

复合管道的结构主要有金属层和复合材料层，其中钢管在复合前需要进行无损检验，通常使用的方法为X射线检测或超声等，针对金属无损检测的方法目前已经比较成熟。针对复合材料的无损检测方法也主要延续了金属材料的检测，除了超声波法和X射线法外，还包括计算机层析照相法、微波法、目视法等，但是由于复合材料本身固有的特性，这些方法大多适用于复合材料内部较大缺陷，在复合材料无损检测方面都存在一定的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决复合材料增强金属管道的检测问题，提供一种复合材料增强金属管道无损检测装置及方法，该方法在复合管道加工的过程中对复合材料层进行无损检测，不会对管体进行破坏。并针对此方法在管道上的应用，设计了声发射传感器的固定装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种复合材料增强金属管道无损检测装置，包括安装于待测管道表面的支架杆，支架杆上安装若干声发射传感器，支架杆的两端分别设置开关式磁力座，支架杆的长度小于被测管道的长度，大于被测管道复合材料增强层的长度。

本发明进一步的改进在于：

声发射传感器通过弹簧连接在支架杆上，通过弹簧的压紧作用将声发射传感器固定在被测管道表面。

在被测管道表面以0.5m为间隔，每个间隔处固定2个声发射传感器，且相隔180°。

相邻两个间隔处的声发射传感器沿管材径向的夹角呈90°。

支架杆上共安装22个声发射传感器。

一种复合材料增强金属管道无损检测方法，包括以下步骤：

1)复合材料增强钢管样管准备

以直径508mm，长6m的钢管为内衬，环氧树脂E51和158B型玻璃纤维制成的复合材料增强钢管道，其中钢管壁厚9.5mm，复合材料厚4.6mm，复合材料层中树脂含量为28％；管道靠近两端15cm处为管道连接部分，在管道生产阶段不进行增强层的缠绕；

2)安装检测装置

将支架杆两端的开关式磁力座吸附在被测管道末端未缠绕的钢管表面，通过弹簧的压紧作用，将声发射传感器固定在被测管道表面；

3)施加自紧压力，声发射信号记录与分析

将被测管道两端密封后加压，加压至25MPa时保压1min后泄压，记录此过程的声发射信号，观察此过程声发射信号图；若出现50dB以下的信号，证明纤维与树脂基体之间存在界面脱粘、分离现象，缠绕质量较差；测试完毕后卸除声发射传感器，卸除复合管，完成声发射检测及管道的自紧过程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明使用预应力法(自紧)处理复合结构管道，即将压力增加至内层钢管发生屈服，产生塑性变形后再将压力卸载。此时，由于钢管发生了塑性变形，外层的复合材料有残余的拉伸应力，内层的钢管有残余的压缩应力。当再次加压时，复合材料承担更高的载荷，钢层与复合材料层之间的应力分配更均匀，预应力也是复合材料增强金属管道成型的最后一个加工步骤。针对复合结构管道需要进行预应力处理这一特点，在此阶段对管道进行声发射检测，并且由于预应力处理是复合管道首次受压，此过程中会产生大量的声发射信号，这些信号在一定程度上可以反应管道外层复合材料层的工艺质量及其它缺陷在此阶段的扩展情况。预应力处理为单根复合结构管道成型的最后一个过程，在此过程中对其进行声发射检测不仅不会破坏管道结构，还节省了检测时间。

【附图说明】

图1为本发明声发射传感器位置管道表面的展开图；

图2为本发明声发射传感器磁性支架的设计图；

图3为本发明的声发射检测信号幅值图；

图4为本发明缠绕质量较差时的声发射检测信号幅值图。

其中：1-开关式磁力座；2-弹簧；3-声发射传感器；4-支架杆。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明复合材料增强金属管道的无损检测装置，在管材加工期间使用声发射的方法对复合管进行无损检测，并配合管材形状及尺寸，使用特制的传感器支架。声发射探头通过弹簧连接在支架上，弹簧的长度、刚度、最大预压量可调节，保证传感器与管体的紧密连接。传感器支架固定方法采用开关式磁力座，检测结束后调整到无磁力状态，方便将传感器整体卸除。特制的传感器支架可以根据管道长度进行调节，保证长度大于增强层长度，磁力座吸附在未缠绕的接头部分。开关式磁力座可根据传感器数量，并配合使用的连接弹簧，确定磁力强度，保证测试过程中传感器的固定。声发射检测缠绕层质量根据信号幅值图确定，如在低幅值，即50dB以下出现大量信号点，缠绕层质量较差。

本发明复合材料增强金属管道的无损检测方法，包括以下步骤：

(1)复合材料增强钢管样管准备

以直径508mm，长6m的钢管为内衬，环氧树脂E51和158B型玻璃纤维制成的复合材料增强钢管道，其中钢管壁厚9.5mm，复合材料厚4.6mm，复合材料层中树脂含量为28％。管道靠近两端15cm处为管道连接部分，在管道生产阶段不进行增强层的缠绕。

(2)声发射传感器位置设计

在管道表面以0.5m为间隔，每个间隔处固定声发射传感器2个，相隔180°，相邻两个间隔处的传感器相互呈90°，如图1所示，共22个传感器。此设计是在大量实验基础上制定的，传感器之间的距离保证了声发射探头对管道的全部覆盖。

(3)声发射传感器固定支架的设计

为了在最短的时间内完成对管道的检测，应减少传感器的安装固定时间，对钢管进行声发射检测时，每个传感器配置一个磁性基座，将传感器直接吸附在钢管表面。而在本测试系统中，由于复合材料层无磁性并且厚度较厚，使用普通的磁性基座不能将传感器可靠地固定在管道表面，使用胶带固定的方法又需要较长的准备时间，因此设计出一种传感器基座，如图2所示。

基座的基本结构为一个长杆，按照上述传感器的距离固定弹簧，传感器通过弹簧的压紧作用固定在管道表面。由于复合材料增强钢管的两端15cm处为接头部分，表面无缠绕层，因此支架杆的长度小于被测管道，大于复合材料增强层的长度，为5.85m。在基座长杆的两头安装开关式磁力座，一方面通过磁性传感器可吸附在管道未缠绕的钢管表面，另一方面当检测结束后方便传感器的拆卸，若管道长度或直径增加，传感器数量也随之增加，支架两端所需的磁性也会提高，高磁性会增加基座拆卸的难度，因此选择开关式磁力座，减少操作时间。

(4)施加自紧压力，声发射信号记录与分析

传感器安装好后，将管道两头密封后加压，加压至25MPa时保压1min后泄压，记录此过程的声发射信号，

观察此过程声发射信号图，如图3所示。图3截取了4个声发射信号探头测得的声发射信号，从图中可以看出，所有信号出现在50dB以上，无低幅值信号。根据声发射在复合材料方面的研究，不同类型缺陷的声发射信号强度一般为：纤维断裂的强度≥基体开裂的强度≥脱粘的信号强度，因此高幅值信号主要源自基体的开裂以及少量纤维的断裂，如果出现很多低幅值信号，即在50dB以下的信号，证明纤维与树脂基体之间存在界面脱粘、分离现象，缠绕质量较差，信号图如图4所示。

测试完毕后卸除声发射传感器，卸除复合管，完成声发射检测及管道的自紧过程。

本发明的原理：

声发射是通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料性能或结构完整性的无损检测方法。材料在塑性变形或损伤破坏的过程中会释放应变能，同时产生应力波，这种信号可以通过声发射设备的传感器进行接收，并通过系统软件进行信号处理和缺陷分析。纤维增强复合材料的主要声发射来源包括基材开裂、纤维断裂、纤维与基体分离、分层等损伤机制。

对于复合材料增强金属管道，目前使用最多的复合材料是玻璃纤维增强环氧或不饱和聚酯等热固性树脂。玻璃纤维复合材料的模量为35-45GPa，钢的模量为206GPa，两个结构层之间的模量相差较大，因此在内压力作用下，复合材料承载较低，其增强作用不易发挥。为了解决这一问题，使用预应力法(自紧)处理复合结构管道，即将压力增加至内层钢管发生屈服，产生塑性变形后再将压力卸载。此时，由于钢管发生了塑性变形，外层的复合材料有残余的拉伸应力，内层的钢管有残余的压缩应力。当再次加压时，复合材料承担更高的载荷，钢层与复合材料层之间的应力分配更均匀，预应力也是复合材料增强金属管道成型的最后一个加工步骤。

针对复合结构管道需要进行预应力处理这一特点，在此阶段对管道进行声发射检测，并且由于预应力处理是复合管道首次受压，此过程中会产生大量的声发射信号，这些信号在一定程度上可以反应管道外层复合材料层的工艺质量及其它缺陷在此阶段的扩展情况。预应力处理为单根复合结构管道成型的最后一个过程，在此过程中对其进行声发射检测不仅不会破坏管道结构，还节省了检测时间。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。