基于采用宏纤维复合材料换能器的非线性超声技术的铝管腐蚀评估

《PLOS One》：Corrosion assessment in aluminum pipe based on nonlinear ultrasonic technique using macro fiber composite transducers

　　

管道腐蚀，尤其是点蚀腐蚀，是液体与气体输送过程中恶劣服役环境驱动下破坏性管道泄漏的主要原因。因此，检测点蚀腐蚀对于保障金属管道安全运行至关重要。本研究考察了一种采用宏纤维复合材料换能器（MFC）的非线性超声技术，旨在对金属管道早期阶段的点蚀腐蚀进行评估，并重点表征温度对超声非线性的影响。研究人员采用兼具柔性与高超声性能的宏纤维复合材料换能器，对沿曲面管道传播的超声导波进行激励与接收。考虑到多模态传播特性，提取了由超声导波与点蚀腐蚀非线性相互作用产生的1.4 MHz二次谐波超声分量。重复实验表明，二次谐波幅值与相对非线性参数均随点蚀腐蚀循环次数和点蚀面积的增加而单调上升。为与非线性结果进行比较，研究人员同时结合线性超声实验，计算了包括平均斜率、决定系数与线性拟合参数相对标准偏差在内的统计指标。结果表明，尽管数据本身存在一定固有波动，所提出的非线性超声技术在识别点蚀腐蚀方面，相较于线性超声方法表现出更优的灵敏度、拟合优度与重复性。因此，基于宏纤维复合材料的该非线性超声技术为金属管道早期腐蚀评估提供了一种有前景的补充性替代方案。

该论文发表于《PLOS One》，聚焦于小直径铝管点蚀腐蚀的早期无损评估问题。研究背景在于，金属管道广泛用于天然气、燃油、化学品和水的输送，但长期服役过程中极易发生腐蚀损伤，其中局部腐蚀中的点蚀最具破坏性。点蚀不仅会直接诱发泄漏甚至爆炸，还会促进晶间腐蚀、应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳等次生退化过程，因此亟需建立高效、灵敏且适于工程应用的检测手段。现有激光扫描、微波检测、脉冲涡流、电磁感应热成像等方法虽然各具优势，但多为离线无损检测（NDT），难以满足在役结构实时或在线连续监测需求。传统线性超声方法通常依赖基波幅值、到达时间、衰减和速度频散等参数评估损伤，但这些指标易受温度、应力状态和材料各向异性等环境因素影响，且由于超声波长大于微损伤尺度，对早期微损伤的敏感性有限。相比之下，非线性超声通过分析高次谐波与边带频率等频域特征，能够更敏锐地反映波-损伤相互作用所引发的材料退化，因而更适用于早期损伤识别。

针对金属小直径管道曲率大、导波频散复杂、传统刚性铅锆钛酸铅换能器（PZT）难以有效贴合曲面并产生显著耦合能量损失等问题，研究人员提出采用宏纤维复合材料换能器（MFC）开展非线性超声检测。MFC由嵌入聚合物薄膜中的陶瓷纤维构成，具有显著压电效应，同时在柔性、驱动能力和耐腐蚀性方面优于传统PZT，因此更适于小曲率管道导波激励与接收。本文的核心目标是建立超声非线性特征与点蚀腐蚀循环次数、点蚀面积之间的定量关系，并将其与传统线性超声结果对比，以验证该方法在小直径铝管点蚀识别中的可靠性、准确性及应用潜力。研究结论表明，MFC辅助下的非线性超声技术能够有效表征点蚀腐蚀演化，且相较线性超声具有更好的灵敏度、拟合优度和重复性，特别是相对非线性参数β′更适合作为点蚀损伤表征指标。

本研究主要采用以下关键技术方法：以2017铝管为对象，布置两枚相距200 mm的P2型MFC换能器，采用0.7 MHz、10周期、Hamming窗调制正弦脉冲激励L(0, 2)主导导波模式；通过滴加36%稀盐酸构建两类点蚀模型，即单点重复腐蚀循环模型和多点扩展腐蚀面积模型，每类实验均在3根相同试样上重复；采用小波变换“cmor 2-2.5”和Hilbert变换提取0.7 MHz基波与1.4 MHz二次谐波首波包幅值，并计算相对非线性参数β′；此外进行了系统线性验证、20 ℃至55 ℃温度影响实验以及Welch’s t检验，用于比较线性与非线性指标的灵敏度差异。

以下为对论文主体结果的分节解读。

在“Principles of nonlinear ultrasonic detection”部分，研究人员首先阐述了点蚀腐蚀诱导超声非线性的物理基础。铝管局部与电解液接触后，会形成无序聚集的小尺度蚀坑与微裂纹。当超声导波传播并与这些损伤相互作用时，可产生三类非线性来源：其一为接触声学非线性β_CAN，即微裂纹在导波交变应力作用下发生开闭，“呼吸裂纹”效应导致波形失真并产生高次谐波；其二为几何非线性β_G，源于蚀坑造成的局部不规则几何形貌，使位移-应变关系偏离线性；其三为材料非线性β_M，来自点蚀区域材料强度、弹性和硬度局部变化所引起的本构非线性。研究人员据此将点蚀腐蚀引起的总超声非线性表示为上述多种贡献的叠加，并采用二次谐波幅值A₂与基波幅值A₁构造相对非线性参数β′，作为损伤表征指标。

在“Dispersion characteristics in small-diameter pipes”部分，研究人员分析了小直径管道导波频散的复杂性。对于外半径10 mm、壁厚0.5 mm的2017铝管，在0–2.1 MHz范围内可传播纵向模态（L）、横向模态（T）和弯曲模态（F）。当输入频率为700 kHz时，L(0, 2)与F(1, 3)模态速度接近，易造成时域重叠和相位干涉，从而增加非线性检测波动性。为降低模态混叠影响，研究人员在后续实验中通过MFC沿管轴对称布置以及上下表面信号相位对比，确认主导传播模态为对称的L(0, 2)模态。

在“Pipe experiment setup”部分，研究人员建立了完整实验系统。试样为长度300 mm、内半径9 mm、外半径10 mm的2017铝管。由于传统刚性PZT无法有效耦合到小半径曲面上，实验改用两枚尺寸为7 × 14 × 0.4 mm的MFC换能器作为激励器与传感器。激励信号为中心频率0.7 MHz、10周期、Hamming窗调制的正弦脉冲，经功率放大后施加于MFC，并通过示波器采集经8192次平均后的响应波形。点蚀实验分为两类：一是同一中心点重复6次滴酸腐蚀，以考察点蚀循环累积效应；二是在中心附近以5 mm间隔依次构造6个相似腐蚀区，以考察点蚀面积扩展效应。光学显微图显示，随着腐蚀循环增加，小尺度蚀坑与微裂纹的密度和尺度同步增大，为后续非线性增强提供了显微结构依据。

在“Typical ultrasonic guided wave”部分，研究人员给出了典型导波信号特征。传播距离为200 mm时，接收信号在约50 μs到达峰值，频谱主能量集中在0.7 MHz，同时可观察到少量1.4 MHz二次谐波成分。MFC系统信噪比达到29 dB，表明实验装置具有较高检测灵敏度。为提高二次谐波提取准确性，研究人员采用复Morlet小波变换而非整体窗口FFT进行时频局域分析，再用Hilbert变换提取基波与谐波包络，在首波峰值处读取A₁与A₂并计算β′。这一处理避免了串扰、边界反射及慢模态对幅值估计的干扰。

在“System linearity validation”部分，研究人员通过改变激励电压10–90 V验证系统在1.4 MHz处的线性响应。结果显示，A₂与A₁²之间呈显著线性关系，决定系数R²为0.9999，说明即便在名义带宽外，MFC在1.4 MHz处仍保持稳定且高度线性的响应。虽然拟合存在很小的正截距，提示系统固有非线性，但其主要表现为近似恒定的背景项，不影响对点蚀诱导相对非线性变化的表征。

在“Temperature experiments”部分，研究人员考察了20 ℃至55 ℃温度对线性幅值A、二次谐波幅值A₂及β′的影响。结果表明，A与A₂随温度升高单调下降，20 ℃到55 ℃区间降幅约为70%，这主要与高温下材料阻尼、内摩擦增加以及胶层弱化、换能器灵敏度变化有关。相较之下，β′在20 ℃至35 ℃范围内基本稳定，波动约3%；当温度高于35 ℃后，β′迅速升高，在55 ℃时达到初始值的2.8倍。研究人员据此认为，β′在较小温度波动下受影响较小，而较高温度会显著放大非线性指标，因此正式腐蚀实验均在约25 ℃室温控制条件下进行。

在“Assessment of pitting corrosion cycles”部分，研究人员分别比较了线性基波幅值、二次谐波幅值和β′对点蚀循环次数的表征能力。首先，线性超声幅值随腐蚀循环次数的变化在不同试样间呈现不一致趋势，拟合斜率正负不一，说明线性指标高度依赖试样差异，且易受系统稳定性、模态混合以及点蚀随机性影响。其次，二次谐波幅值A₂随点蚀循环次数在3个试样中均单调上升，拟合规律明显优于线性幅值。研究人员结合显微结构指出，在早期腐蚀阶段，蚀坑边缘的局部应力集中首先诱导非线性弹性响应；随着腐蚀加深，微裂纹逐渐成为主要非线性来源，其在L(0, 2)导波交变应力下发生周期性张开与闭合，增强接触声学非线性。再次，β′同样随点蚀循环次数单调增加，尽管个别试样存在较大数据离散，但整体正相关关系稳定。研究人员认为，β′综合反映了裂纹-波相互作用导致的β_CAN以及蚀坑、裂纹增长带来的β_G和β_M增强，因此更适于评估点蚀腐蚀累积过程。

在“Assessment of pitting corrosion area”部分，研究人员将分析拓展至点蚀面积变化。结果显示，线性基波幅值在不同试样中仍缺乏一致性，拟合斜率与R²波动很大，进一步表明传统线性超声难以稳定识别早期微尺度点蚀损伤。相比之下，A₂随点蚀面积增大而单调上升，β′也表现出更稳定的单调增长趋势，且各试样斜率较为接近、R²较高。这表明随着点蚀区域中小尺度蚀坑和微裂纹数量增加，超声导波失真增强，接触声学非线性、几何非线性和材料非线性共同提高，从而提升整体非线性响应。该结果与点蚀循环实验相一致，说明在既定激励频率和模态选择下，点蚀损伤源数量与分布范围的扩大均会增强超声非线性。

在“Comparative discussion”部分，研究人员从灵敏度、拟合优度和重复性三方面综合比较了A、A₂和β′。统计结果表明，β′具有最高的平均斜率和最小的相对标准偏差，体现出更优的灵敏度和重复性；A₂与β′在点蚀面积监测中也表现出较高R²，说明非线性指标的整体拟合性能优于线性指标。进一步采用双样本Welch’s t检验比较线性与非线性斜率差异，结果提示两者之间存在显著统计学差异，尤其在点蚀面积检测中差异更为显著。因此，研究人员据此认为，非线性超声检测在铝管点蚀评估中比传统线性超声具有更稳定的灵敏度、更好的拟合表现和更高的重复性。

综合讨论部分可概括为：该研究通过将柔性MFC换能器与二次谐波非线性超声方法结合，解决了小直径曲面铝管中传统刚性换能器难以高效耦合的问题，并通过系统线性验证、温度影响分析以及多试样重复实验，较系统地证明了相对非线性参数β′对点蚀早期损伤演化的优越表征能力。论文也指出，尽管β′优于线性指标，但其重复性仍非最优，数据散布可能与点蚀本身的随机性、系统波动、试样微结构差异及MFC胶接一致性有关。总体而言，本文并未夸大方法适用范围，而是在既定实验条件下明确表明：非线性超声，特别是β′指标，可有效评估铝管点蚀循环次数与点蚀面积变化，为局部腐蚀的早期识别提供了可靠技术路径。

研究结论部分可译述如下：研究人员设计了一种基于MFC换能器的非线性超声方法，通过超声非线性变化评估铝管点蚀腐蚀的循环次数和腐蚀面积。两枚具备柔性与良好超声性能的MFC换能器被用于在外半径10 mm的小直径管道中激励和接收超声导波。当输入频率为0.7 MHz时，可生成并提取1.4 MHz二次谐波分量。温度与系统影响实验表明，相对非线性参数在20 ℃至35 ℃范围内受温度影响较小。重复性实验表明，A₂和β′均随点蚀循环次数增加而单调上升，其灵敏度高于线性超声结果；在点蚀面积检测中，A₂与β′同样单调增加，其中β′在灵敏度、拟合优度和重复性方面表现相对最佳。因此，在本研究条件下，观测β′的变化比单纯采用线性超声或仅分析二次谐波幅值更适合用于点蚀腐蚀检测。该结果说明，非线性超声技术是诊断多种金属结构微损伤的有效工具，并为工业管道安全运行与维护提供了具有应用前景的技术方案。