习西男XI Xi-nan；
宁莉NING Li；
徐星洁XU Xing-jie；
范雨馨FAN Yu-xin
（中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089）
近年来，非金属管道在环保工程、供水工程、城市燃气工程等中的使用有所增加。高密度聚乙烯管道因其良好的耐腐蚀性、不泄漏、高强度和韧性、优异的柔韧性、易于装卸和安装等特点，在中低压输气中逐渐取代了传统钢管和铸铁管道[1]。因此，已成为城市燃气运输的首选管道。但由于管道在地下埋藏，当管道发生缺陷时，无法有效检测缺陷。而太赫兹（THz）辐射是指频率范围为0.1 至10THz（1 THz=1012Hz）、低能量（4.1meV）、高信噪比、高分辨率和其他特性的电磁波，已用于无损检测领域。自20 世纪90 年代以来，科学家们一直在研究发射和接收太赫兹波的设备[2]。2008 年，Stoiks 将太赫兹时域光谱（TDS）应用于飞机玻璃纤维复合材料的无损检测，并使用简单振幅二维图像评估了热损伤程度。太赫兹检测技术及其相关设备随着其不断发展，将在非金属管道无损检测中发挥越来越重要的作用[3]。太赫兹无损检测近年来发展迅速，并取得了大量的研究成果[4]。多数学者主要专注于扁平材料中的缺陷检测，并获得了良好的实验室测试结果[5]；
然而，在实际管道中，管道结构具有给定的曲率，因此会导致缺陷无法检测。且管道非平面结构的内部缺陷是否可以使用现有的太赫兹技术进行检测和识别，还有待进一步验证。
基于此，本文针对广泛应用于城市燃气输送系统的聚乙烯管道开发了一种缺陷管道的检测方法，利用太赫兹TDS 技术，检测聚乙烯管道缺陷。研究结果可为非金属管道缺陷检测提供理论和技术支持。
本研究主要研究聚乙烯管表面的划伤损伤缺陷以及管道材料内部的损伤缺陷。研究了黄管和黑色两种管道材料，使用的管道试样为汇达管业生产的外径为315mm、壁厚为30mm 的黄色和黑色聚乙烯管。在制造缺陷时，考虑了1/4 的周向管段，并使用不同尺寸的钻头在管段上的不同位置制造不同尺寸和类型的缺陷。埋藏缺陷和内表面缺陷分布在管段的两个端面。外表面缺陷分布在管段的中轴线方向上，缺陷沿管段的轴线方向拉长[6]。
使用垂直钻头来制造两个端面的埋藏缺陷和内表面缺陷。在制造埋藏缺陷时，钻头的中心位于壁的中间。当制造内表面缺陷时，钻头的中心位于距管段的内表面的钻头直径的1/2 的深度处。钻头的直径用于控制埋藏缺陷和内表面缺陷的直径，钻头的深度用于控制缺陷的轴向长度[7]。通过垂直于管段外壁钻孔钻头来制造外表面缺陷。在钻到所需缺陷深度后，钻头可以沿着管段的轴线缓慢移动，同时切割管体的材料，直到移动距离达到所需缺陷长度。表1 为不同的缺陷类型和尺寸；
最小缺陷直径为2mm[8]。黄色和黑色聚乙烯管道试样如图1 所示。且直接在非金属管道上制作缺陷，最后将样品切割成小正方形块，不仅可以保留非金属管道本身的弧度，还可以减少试样所占的空间，从而方便运输，为管道现场无损检测的室内模拟奠定了基础[9]。
图1 聚乙烯管道图像
表1 缺陷类型和尺寸
2.1 实验设备
本文采用API 公司生产的T-Ray 5000 智能TCU 控制单元和机械手。T-Ray 5000 智能TCU 控制单元包含一个激光源，具有超高速光学延迟扫描以获得太赫兹波形、显示数字太赫兹波形、数值分析和通过网络传输测试报告等许多实用功能。激光源由锁模钛蓝宝石制成，脉冲宽度为100fs，平均输出功率为20mW，检测光谱宽度为0.2-2.5THz。采样间隔为0.1ps。聚焦透镜直径为75mm，光斑直径约为2mm，瑞利长度为5-50mm（试样厚度为30mm）。在检测过程中，以1mm 的步长扫描样品表面。将检测数据存储在计算机中，并使用自行开发的软件进行处理后获得缺陷图像[10]。在实验过程中，发现T 射线5000 无法检测到黑色PE 管中的缺陷，因此选择Terakalis 的TK-LAB 作为替代品，该设备配备平均输出功率为2mW、频率范围为100-600GHz 的光学设备。聚焦透镜直径为60mm，光斑直径约为2mm，瑞利长度为3-40mm。该设备仅用于检测黑色聚乙烯管道试样。
2.2 缺陷检测原理
本文的主要目的是验证太赫兹无损检测技术能否应用于聚乙烯（PE）管道工程的缺陷检测。因此本文采用测试设备的数据处理软件对太赫兹信号进行处理。
2.2.1 太赫兹成像技术
利用太赫兹成像技术，对被测物体的反射光谱（幅度、相位等）进行处理与分析，获取待测物体的太赫兹成像。太赫兹成像系统包括一种图象处理器及一种扫描控制器。太赫兹时域光谱技术是一种能够同时获得三维时空信息的技术。在此基础上，得到了不同样品的THz 成像结果。另外，单时刻太赫兹图像中所蕴含的信息量较小（仅为单个检测点的波形信息），往往需采集完整的太赫兹成像数据才能实现缺陷重构。目前，太赫兹成像技术主要是利用太赫兹时域波形的具体参量或者峰位的延时来实现。当前，样本重构的主要方法有五种：
①飞行时间成像：利用各象素的时域延时数据，对太赫兹进行图像处理。该成像方式可以很好地反映出材料在太赫兹波段的折射率变化。
②时域最大值、最小值和峰值成像：利用各象素内的THz 时域信号的极大值、最小值或极大值与最小值之间的差异来对其图像进行图像处理。最大时间域图像以太赫兹波的形式来体现样品的消光系数。
③特定频率振幅（相位）成像：利用各象素内某一频率的THz 频域信号的幅值（相位）来对其进行成像。
④功率谱成像：通过对一定频率范围内每个像素的太赫兹频域信号幅度的平方进行积分来获得图像信息。
⑤脉冲宽度成像：通过对太赫兹波峰值的脉宽进行成像，其成像模式主要体现了被测物体的散射特征，能够清楚地显示出被测物体的外形。
结构内部缺陷的检测可以通过分析结果中的二维扫描图像来进行。在太赫兹成像中，对检测区域中的像素的行和列执行二维扫描成像，其中横轴指示行或列的位置，纵轴指示对应飞行时间的信号强度。二维扫描成像可用于定位和分析缺陷，与缺陷对应的飞行时间可用于分析缺陷的深度方向。此外，可以提取THz 时域波形中的缺陷特征，并可以根据这些特征对测量对象进行成像分析。
2.2.2 缺陷高度的计算原理
太赫兹波在不同介质中传播时，会在界面上发生透射和反射，如图2 所示。假设试样是各向同性的，太赫兹波以θi角入射，由于折射率的变化，在空气-介质界面会产生太赫兹回波Eup。传输的太赫兹波在缺陷的上表面反射。经过时间差ΔT 后，探测器连续检测到太赫兹回波Edown。
图2 太赫兹波的反射原理
缺陷的埋深与太赫兹回波的飞行时间差之间存在线性关系。反射的单点厚度提取模型如下：
式中，n 和n0分别为空气和待测材料的折射率；
Tup和Tdown分别为Eup和Edown的飞行时间；
c 为空气中的光速。当太赫兹波垂直入射时，单点距离提取模型可简化为：
根据两个峰值之间的时间差，即飞行时间差，利用峰值提取技术可以得到太赫兹波在不同材料中的飞行时间差特征，进而计算出缺陷上表面的埋深。峰值提取技术是通过将实际检测信号与标准试块检测信号进行比较，结合设定的频率和振幅阈值，来识别检测信号的缺陷特征波形。利用同样的原理，可以计算出缺陷下表面的埋深。用缺陷下表面的埋深减去缺陷上表面的埋深，即可计算出缺陷的高度。
3.1 太赫兹波折射率和吸收率
本节主要测量THz 波在不同波长下所用材料的折射率和吸收系数，如表2 所示。可以看出，黑色聚乙烯管道的太赫兹吸收系数远高于黄色聚乙烯管道，主要因为炭黑被添加到黑色聚乙烯管道中以防止紫外线老化，并且炭黑吸收了大量的THz 波。
表2 聚乙烯材料对太赫兹波的折射率和吸收系数
3.2 黄色聚乙烯管材样品中的缺陷检测
3.2.1 试样的二维扫描图像
使用时域最大值、最小值和峰值成像获得预制缺陷的圆形平面图像，如图3 所示，其中颜色深度表示由反射波/入射波归一化的反射波振幅。从图中可以看出，检测到的缺陷有四行三列。可以看出，第一列表示埋藏缺陷，第二列表示外表面缺陷，第三列表示内表面缺陷。缺陷的直径从第一行到第四行减小。检测到的缺陷排名如下：第一排：1-1#、1-2#、1-3#；
第二排：2-1#、2-2#、2-3#；
第三排：3-1#、3-2#、3-3#；
第四排：4-1#、4-2#、4-3#。
图3 缺陷的环形二维扫描图像
3.2.2 壁厚方向缺陷的层析成像
可以使用断层成像方法获得缺陷在样品厚度方向上的位置图，断层成像方法是一种将不同厚度的反射信号叠加在同一扫描线上以显示不同厚度层的缺陷特性的技术。事实上，太赫兹波将在固体和气体之间的界面产生反射和透射。在实验中，采用基于反射波振幅特性的反射成像方法。因此，图像轮廓在某些部分会更深。成像颜色的深度没有实际意义，但它所反映的位置特征相对准确，可以帮助我们识别和计算结构的几何特征。提取第一行中三个缺陷位置的断层图像，如图4 所示。在图中，纵坐标是扫描时间，横坐标是轴向扫描位置。在图中，最上层上较浅的轮廓是反射波在样品上表面叠加的结果，而下层上颜色最深的轮廓则是反射波叠加在样品下表面的结果。
图4 图3 中第一排缺陷的断层扫描图像
从图4（a）中可以看出，埋藏缺陷产生了陡峭的轮廓，这是反射波在上表面叠加的结果。该轮廓位于上表面轮廓和下表面轮廓之间；
由于波在缺陷的下表面上的漫反射，轮廓不清晰。
图4（b）为上表面存在缺陷，进一步导致上下表面的反射波叠加后，轮廓中出现不连续的模糊段。主要因为外表面缺陷上的太赫兹波的下表面上的漫反射波导致接收到的反射波幅度变小，并且图像不清晰。因此，外表面缺陷的主要特征是内外表面上反射波的图像轮廓中的不连续模糊段。
图4（c）为内表面缺陷的存在（表面反射波的轮廓是不连续的模糊段）。同时，在表面和表面下成像轮廓之间的轮廓，对内表面缺陷的轮廓进行反射波成像。且对内表面缺陷的成像特征，对表面轮廓的成像进行离散模糊分割。在内表面轮廓和外表面轮廓之间存在成像轮廓。
3.3 缺陷的轴向和环向尺寸
根据实验结果可以计算出缺陷的轴向尺寸（La）和周向尺寸（Lw）。计算方法如下：缺陷的轴向和周向长度均为1mm，因此像素大小为1×1mm2。La 和Lw 可以通过测量图3 中缺陷的像素点数量来计算。测量结果如表3 所示。与实际缺陷尺寸相比，最大轴向缺陷尺寸为6mm，而最大周向尺寸为31mm，较最小轴向缺陷尺寸及最小周向尺寸分别增加200%、93.75%，且检测误差小于10%。
表3 缺陷尺寸
本文研究中，在聚乙烯管道中最小尺寸为2mm 的缺陷。利用THz-TDS 成功地检测出了黄色聚乙烯管道管内部缺陷。同时，计算缺陷的周向和轴向尺寸，以及埋藏缺陷的高度。结果表明，太赫兹无损检测技术可用于检测黄色聚乙烯管道中的常见缺陷，检测误差小于10%。
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