聚乙烯管道接頭的超聲波檢測

劉同文　麥少棠　黎志雄　黃長明

摘 要：概述了超聲波檢測的原理，并對目前常用的聚乙烯管道焊接接頭缺陷的超聲波檢測方法，比如超聲相控陣聚焦技術(shù)、衍射時差法、超聲成像技術(shù)、振幅捕捉法、回波脈沖法的檢測機(jī)理和相應(yīng)特點進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

關(guān)鍵詞：聚乙烯；焊接接頭；超聲波檢測；燃?xì)?/p>

中圖分類號：TG441.7；TG457.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）15-0018-02

聚乙烯管道有密封性好、耐腐蝕性優(yōu)異、高韌性、重量輕和使用壽命長等特點，被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨斔皖I(lǐng)域，以構(gòu)建燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)。燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)通常是將大量不同規(guī)格的管道通過焊接的方法連接在一起，然而在管道焊接的過程中，往往會在管道接頭部位出現(xiàn)各種缺陷，比如冷焊、過焊、未熔合、錯位、氣泡、空洞、夾雜和金屬絲錯位等。接頭缺陷的存在惡化了管道的連接性能，降低了管道的密閉性，并且極大地影響了管道的安全使用。因此，為了確保燃?xì)獾陌踩?yīng)，對聚乙烯管道接頭進(jìn)行缺陷檢測具有非常重要的現(xiàn)實意義。

常規(guī)的聚乙烯管焊接接頭檢測方法有目視檢測、破壞性試驗和超聲波檢測。目視檢測只能看到尺寸較大的表面缺陷，不能直接觀察到接頭的內(nèi)部缺陷，檢測不可靠；破壞性試驗只是一種抽樣檢測方法，無法針對特定接頭進(jìn)行檢測；相對而言，超聲波檢測是目前最有效的檢測聚乙烯管焊接接頭缺陷的方法。

1 超聲波檢測原理

超聲波檢測是利用超聲波在兩種具有不同聲阻抗的介質(zhì)界面上利用反射原理實現(xiàn)對缺陷的檢測。通常情況下，經(jīng)界面反射回來的聲波能量與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。當(dāng)用超聲波對連接良好的焊接接頭進(jìn)行檢測時，由于接頭內(nèi)部材質(zhì)均勻，材料內(nèi)部不會對聲波產(chǎn)生反射作用，而在接口內(nèi)側(cè)的卷邊與空氣的界面會對超聲波束產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射作用。將界面定義為介質(zhì)聲阻抗變化的突變點，當(dāng)焊口內(nèi)部反射回來的聲波強(qiáng)度小于預(yù)期信號強(qiáng)度時，表明接頭連接不良，存在缺陷。根據(jù)波形反射的強(qiáng)度和位置對焊接接頭的質(zhì)量進(jìn)行分級，總共分為5個等級。其中，3級為不穩(wěn)定狀態(tài)，不作評定，需重新檢測。

聚合物超聲檢測與金屬材料超聲波檢測之間有較大的差異。因為超聲波在聚合物材料中的衰減比在金屬材料中的衰減足足大了10倍。實踐表明，為了有效地檢測聚合物中的缺陷，只能用較低頻率的超聲波（<4 MHz）進(jìn)行檢測，比如聚乙烯管道熱熔接頭的超聲波檢測通常采用回波脈沖法。在檢測過程中，使用1個探頭用于發(fā)射和接收聲波，并根據(jù)反射波的強(qiáng)度（波幅）和位置來判斷焊接接頭內(nèi)部是否存在缺陷。

2 超聲波檢測方法

目前，常用于檢測聚乙烯管焊接接頭質(zhì)量的超聲波檢測方法有超聲相控陣聚焦技術(shù)、衍射時差法、超聲成像技術(shù)、振幅捕捉法和回波脈沖法。

2.1 超聲相控陣聚焦技術(shù)

超聲相控陣換能器的設(shè)計基于惠更斯原理。換能器由多個相互獨(dú)立的壓電晶片在空間內(nèi)按一定的方式排列，組成一個陣列，每個晶片被稱為一個陣元，當(dāng)各陣元以同一頻率的信號進(jìn)行激勵時，它們所發(fā)出的聲波是相干的，這些聲波在空間干涉后就形成了特定的指向性或聚焦特性。運(yùn)用電子技術(shù)，按一定的規(guī)則和時序控制激發(fā)各個陣元，使陣列中各陣元發(fā)射的超聲波疊加形成一個新的波陣面，在效果上相當(dāng)于改變了換能器的空間排列形式。同樣，在反射波的接收過程中，按一定的規(guī)則和時序控制接收陣元的信號，并將信號合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示出來。由于實現(xiàn)了超聲波聲束的角度、焦距、焦點尺寸的計算機(jī)軟件控制和電子控制，所以，可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布，其聲束角度、焦柱位置、焦點尺寸和位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動態(tài)可調(diào)，且探頭可快速平移聲束，以實現(xiàn)不同規(guī)格的聚乙烯管電熔接頭的檢測。

2.2 衍射時差法

衍射時差法（TOFD）作為一種較新的超聲檢測技術(shù)，不同于以往的常規(guī)超聲技術(shù)，它是利用固體中聲速最快的縱波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射能量來進(jìn)行檢測的。

檢測時，在聚乙烯的焊縫兩側(cè)，將一對頻率、尺寸和角度相同的縱波斜探頭相向?qū)ΨQ放置，一個作為發(fā)射探頭，另一個作為接收探頭。發(fā)射探頭發(fā)射的縱波從側(cè)面入射被檢的焊縫斷面。在無缺陷部位，接收探頭會接收到沿試件表面?zhèn)鞑サ闹蓖úê偷酌娣瓷洳?。?dāng)存在缺陷時，在上述兩波之間，接收探頭會接收到缺陷上端部和下端部的衍射波信號。

將A掃射頻信號運(yùn)用于TOFD焊接接頭缺陷檢測上，可以實現(xiàn)對各個波形相位關(guān)系的觀察。假設(shè)直通波相位為正-負(fù)-正，那么底面反射波的相位則相反，為負(fù)-正-負(fù)；在缺陷上端點處形成的相位與直通波相位相反，為負(fù)-正-負(fù)；下端點處的相位與直通波相位相同，為正-負(fù)-正。但是，在用該方法處理數(shù)據(jù)時，由于TOFD衍射信號非常弱，而且數(shù)據(jù)記錄時使用灰度圖，所以，部分尺寸較小的缺項可能不容易被觀察出來。如果利用灰度圖B掃描顯示中的數(shù)據(jù)，焊接接頭將易于識別，從而提高工作效率。

2.3 超聲成像技術(shù)

超聲成像就是利用材料組織（聲阻抗和衰減特性）的不均勻性，對超聲波造成不同的反射和衰減，從而獲得材料內(nèi)部聲學(xué)特性分布圖像。

超聲圖像可提供聚乙烯管焊接接頭內(nèi)部連接情況的數(shù)字信息圖，且數(shù)據(jù)可靠、復(fù)現(xiàn)性高，可以對缺陷進(jìn)行定量的動態(tài)監(jiān)控。一般而言，超聲成像方法是基于A型顯示形成工件不同截面圖像，而且大都具有自動數(shù)據(jù)采集、自動數(shù)據(jù)處理和自動作出評價的功能。超聲成像方法發(fā)展到現(xiàn)在，主要采用先掃描接收信號，最后再進(jìn)行圖像重構(gòu)的方式，因此，它又被稱為超聲掃描成像技術(shù)。起初主要是利用B，C掃描成像，隨后為檢測焊縫而開發(fā)出D、P掃描（投影掃描成像），由于相控陣技術(shù)的出現(xiàn)，又研發(fā)出S掃描（扇形掃描成像）等。目前，B掃描成像技術(shù)較多地應(yīng)用于聚乙烯管道焊接接頭的缺陷檢測中。

摘 要：概述了超聲波檢測的原理，并對目前常用的聚乙烯管道焊接接頭缺陷的超聲波檢測方法，比如超聲相控陣聚焦技術(shù)、衍射時差法、超聲成像技術(shù)、振幅捕捉法、回波脈沖法的檢測機(jī)理和相應(yīng)特點進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

關(guān)鍵詞：聚乙烯；焊接接頭；超聲波檢測；燃?xì)?/p>

中圖分類號：TG441.7；TG457.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）15-0018-02

聚乙烯管道有密封性好、耐腐蝕性優(yōu)異、高韌性、重量輕和使用壽命長等特點，被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨斔皖I(lǐng)域，以構(gòu)建燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)。燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)通常是將大量不同規(guī)格的管道通過焊接的方法連接在一起，然而在管道焊接的過程中，往往會在管道接頭部位出現(xiàn)各種缺陷，比如冷焊、過焊、未熔合、錯位、氣泡、空洞、夾雜和金屬絲錯位等。接頭缺陷的存在惡化了管道的連接性能，降低了管道的密閉性，并且極大地影響了管道的安全使用。因此，為了確保燃?xì)獾陌踩?yīng)，對聚乙烯管道接頭進(jìn)行缺陷檢測具有非常重要的現(xiàn)實意義。

常規(guī)的聚乙烯管焊接接頭檢測方法有目視檢測、破壞性試驗和超聲波檢測。目視檢測只能看到尺寸較大的表面缺陷，不能直接觀察到接頭的內(nèi)部缺陷，檢測不可靠；破壞性試驗只是一種抽樣檢測方法，無法針對特定接頭進(jìn)行檢測；相對而言，超聲波檢測是目前最有效的檢測聚乙烯管焊接接頭缺陷的方法。

1 超聲波檢測原理

超聲波檢測是利用超聲波在兩種具有不同聲阻抗的介質(zhì)界面上利用反射原理實現(xiàn)對缺陷的檢測。通常情況下，經(jīng)界面反射回來的聲波能量與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。當(dāng)用超聲波對連接良好的焊接接頭進(jìn)行檢測時，由于接頭內(nèi)部材質(zhì)均勻，材料內(nèi)部不會對聲波產(chǎn)生反射作用，而在接口內(nèi)側(cè)的卷邊與空氣的界面會對超聲波束產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射作用。將界面定義為介質(zhì)聲阻抗變化的突變點，當(dāng)焊口內(nèi)部反射回來的聲波強(qiáng)度小于預(yù)期信號強(qiáng)度時，表明接頭連接不良，存在缺陷。根據(jù)波形反射的強(qiáng)度和位置對焊接接頭的質(zhì)量進(jìn)行分級，總共分為5個等級。其中，3級為不穩(wěn)定狀態(tài)，不作評定，需重新檢測。

聚合物超聲檢測與金屬材料超聲波檢測之間有較大的差異。因為超聲波在聚合物材料中的衰減比在金屬材料中的衰減足足大了10倍。實踐表明，為了有效地檢測聚合物中的缺陷，只能用較低頻率的超聲波（<4 MHz）進(jìn)行檢測，比如聚乙烯管道熱熔接頭的超聲波檢測通常采用回波脈沖法。在檢測過程中，使用1個探頭用于發(fā)射和接收聲波，并根據(jù)反射波的強(qiáng)度（波幅）和位置來判斷焊接接頭內(nèi)部是否存在缺陷。

2 超聲波檢測方法

目前，常用于檢測聚乙烯管焊接接頭質(zhì)量的超聲波檢測方法有超聲相控陣聚焦技術(shù)、衍射時差法、超聲成像技術(shù)、振幅捕捉法和回波脈沖法。

2.1 超聲相控陣聚焦技術(shù)

超聲相控陣換能器的設(shè)計基于惠更斯原理。換能器由多個相互獨(dú)立的壓電晶片在空間內(nèi)按一定的方式排列，組成一個陣列，每個晶片被稱為一個陣元，當(dāng)各陣元以同一頻率的信號進(jìn)行激勵時，它們所發(fā)出的聲波是相干的，這些聲波在空間干涉后就形成了特定的指向性或聚焦特性。運(yùn)用電子技術(shù)，按一定的規(guī)則和時序控制激發(fā)各個陣元，使陣列中各陣元發(fā)射的超聲波疊加形成一個新的波陣面，在效果上相當(dāng)于改變了換能器的空間排列形式。同樣，在反射波的接收過程中，按一定的規(guī)則和時序控制接收陣元的信號，并將信號合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示出來。由于實現(xiàn)了超聲波聲束的角度、焦距、焦點尺寸的計算機(jī)軟件控制和電子控制，所以，可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布，其聲束角度、焦柱位置、焦點尺寸和位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動態(tài)可調(diào)，且探頭可快速平移聲束，以實現(xiàn)不同規(guī)格的聚乙烯管電熔接頭的檢測。

2.2 衍射時差法

衍射時差法（TOFD）作為一種較新的超聲檢測技術(shù)，不同于以往的常規(guī)超聲技術(shù)，它是利用固體中聲速最快的縱波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射能量來進(jìn)行檢測的。

檢測時，在聚乙烯的焊縫兩側(cè)，將一對頻率、尺寸和角度相同的縱波斜探頭相向?qū)ΨQ放置，一個作為發(fā)射探頭，另一個作為接收探頭。發(fā)射探頭發(fā)射的縱波從側(cè)面入射被檢的焊縫斷面。在無缺陷部位，接收探頭會接收到沿試件表面?zhèn)鞑サ闹蓖úê偷酌娣瓷洳ā．?dāng)存在缺陷時，在上述兩波之間，接收探頭會接收到缺陷上端部和下端部的衍射波信號。

將A掃射頻信號運(yùn)用于TOFD焊接接頭缺陷檢測上，可以實現(xiàn)對各個波形相位關(guān)系的觀察。假設(shè)直通波相位為正-負(fù)-正，那么底面反射波的相位則相反，為負(fù)-正-負(fù)；在缺陷上端點處形成的相位與直通波相位相反，為負(fù)-正-負(fù)；下端點處的相位與直通波相位相同，為正-負(fù)-正。但是，在用該方法處理數(shù)據(jù)時，由于TOFD衍射信號非常弱，而且數(shù)據(jù)記錄時使用灰度圖，所以，部分尺寸較小的缺項可能不容易被觀察出來。如果利用灰度圖B掃描顯示中的數(shù)據(jù)，焊接接頭將易于識別，從而提高工作效率。

2.3 超聲成像技術(shù)

超聲成像就是利用材料組織（聲阻抗和衰減特性）的不均勻性，對超聲波造成不同的反射和衰減，從而獲得材料內(nèi)部聲學(xué)特性分布圖像。

超聲圖像可提供聚乙烯管焊接接頭內(nèi)部連接情況的數(shù)字信息圖，且數(shù)據(jù)可靠、復(fù)現(xiàn)性高，可以對缺陷進(jìn)行定量的動態(tài)監(jiān)控。一般而言，超聲成像方法是基于A型顯示形成工件不同截面圖像，而且大都具有自動數(shù)據(jù)采集、自動數(shù)據(jù)處理和自動作出評價的功能。超聲成像方法發(fā)展到現(xiàn)在，主要采用先掃描接收信號，最后再進(jìn)行圖像重構(gòu)的方式，因此，它又被稱為超聲掃描成像技術(shù)。起初主要是利用B，C掃描成像，隨后為檢測焊縫而開發(fā)出D、P掃描（投影掃描成像），由于相控陣技術(shù)的出現(xiàn)，又研發(fā)出S掃描（扇形掃描成像）等。目前，B掃描成像技術(shù)較多地應(yīng)用于聚乙烯管道焊接接頭的缺陷檢測中。

摘 要：概述了超聲波檢測的原理，并對目前常用的聚乙烯管道焊接接頭缺陷的超聲波檢測方法，比如超聲相控陣聚焦技術(shù)、衍射時差法、超聲成像技術(shù)、振幅捕捉法、回波脈沖法的檢測機(jī)理和相應(yīng)特點進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

關(guān)鍵詞：聚乙烯；焊接接頭；超聲波檢測；燃?xì)?/p>

中圖分類號：TG441.7；TG457.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）15-0018-02

聚乙烯管道有密封性好、耐腐蝕性優(yōu)異、高韌性、重量輕和使用壽命長等特點，被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨斔皖I(lǐng)域，以構(gòu)建燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)。燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)通常是將大量不同規(guī)格的管道通過焊接的方法連接在一起，然而在管道焊接的過程中，往往會在管道接頭部位出現(xiàn)各種缺陷，比如冷焊、過焊、未熔合、錯位、氣泡、空洞、夾雜和金屬絲錯位等。接頭缺陷的存在惡化了管道的連接性能，降低了管道的密閉性，并且極大地影響了管道的安全使用。因此，為了確保燃?xì)獾陌踩?yīng)，對聚乙烯管道接頭進(jìn)行缺陷檢測具有非常重要的現(xiàn)實意義。

常規(guī)的聚乙烯管焊接接頭檢測方法有目視檢測、破壞性試驗和超聲波檢測。目視檢測只能看到尺寸較大的表面缺陷，不能直接觀察到接頭的內(nèi)部缺陷，檢測不可靠；破壞性試驗只是一種抽樣檢測方法，無法針對特定接頭進(jìn)行檢測；相對而言，超聲波檢測是目前最有效的檢測聚乙烯管焊接接頭缺陷的方法。

1 超聲波檢測原理

超聲波檢測是利用超聲波在兩種具有不同聲阻抗的介質(zhì)界面上利用反射原理實現(xiàn)對缺陷的檢測。通常情況下，經(jīng)界面反射回來的聲波能量與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)。當(dāng)用超聲波對連接良好的焊接接頭進(jìn)行檢測時，由于接頭內(nèi)部材質(zhì)均勻，材料內(nèi)部不會對聲波產(chǎn)生反射作用，而在接口內(nèi)側(cè)的卷邊與空氣的界面會對超聲波束產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射作用。將界面定義為介質(zhì)聲阻抗變化的突變點，當(dāng)焊口內(nèi)部反射回來的聲波強(qiáng)度小于預(yù)期信號強(qiáng)度時，表明接頭連接不良，存在缺陷。根據(jù)波形反射的強(qiáng)度和位置對焊接接頭的質(zhì)量進(jìn)行分級，總共分為5個等級。其中，3級為不穩(wěn)定狀態(tài)，不作評定，需重新檢測。

聚合物超聲檢測與金屬材料超聲波檢測之間有較大的差異。因為超聲波在聚合物材料中的衰減比在金屬材料中的衰減足足大了10倍。實踐表明，為了有效地檢測聚合物中的缺陷，只能用較低頻率的超聲波（<4 MHz）進(jìn)行檢測，比如聚乙烯管道熱熔接頭的超聲波檢測通常采用回波脈沖法。在檢測過程中，使用1個探頭用于發(fā)射和接收聲波，并根據(jù)反射波的強(qiáng)度（波幅）和位置來判斷焊接接頭內(nèi)部是否存在缺陷。

2 超聲波檢測方法

目前，常用于檢測聚乙烯管焊接接頭質(zhì)量的超聲波檢測方法有超聲相控陣聚焦技術(shù)、衍射時差法、超聲成像技術(shù)、振幅捕捉法和回波脈沖法。

2.1 超聲相控陣聚焦技術(shù)

超聲相控陣換能器的設(shè)計基于惠更斯原理。換能器由多個相互獨(dú)立的壓電晶片在空間內(nèi)按一定的方式排列，組成一個陣列，每個晶片被稱為一個陣元，當(dāng)各陣元以同一頻率的信號進(jìn)行激勵時，它們所發(fā)出的聲波是相干的，這些聲波在空間干涉后就形成了特定的指向性或聚焦特性。運(yùn)用電子技術(shù)，按一定的規(guī)則和時序控制激發(fā)各個陣元，使陣列中各陣元發(fā)射的超聲波疊加形成一個新的波陣面，在效果上相當(dāng)于改變了換能器的空間排列形式。同樣，在反射波的接收過程中，按一定的規(guī)則和時序控制接收陣元的信號，并將信號合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示出來。由于實現(xiàn)了超聲波聲束的角度、焦距、焦點尺寸的計算機(jī)軟件控制和電子控制，所以，可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布，其聲束角度、焦柱位置、焦點尺寸和位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動態(tài)可調(diào)，且探頭可快速平移聲束，以實現(xiàn)不同規(guī)格的聚乙烯管電熔接頭的檢測。

2.2 衍射時差法

衍射時差法（TOFD）作為一種較新的超聲檢測技術(shù)，不同于以往的常規(guī)超聲技術(shù)，它是利用固體中聲速最快的縱波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射能量來進(jìn)行檢測的。

檢測時，在聚乙烯的焊縫兩側(cè)，將一對頻率、尺寸和角度相同的縱波斜探頭相向?qū)ΨQ放置，一個作為發(fā)射探頭，另一個作為接收探頭。發(fā)射探頭發(fā)射的縱波從側(cè)面入射被檢的焊縫斷面。在無缺陷部位，接收探頭會接收到沿試件表面?zhèn)鞑サ闹蓖úê偷酌娣瓷洳?。?dāng)存在缺陷時，在上述兩波之間，接收探頭會接收到缺陷上端部和下端部的衍射波信號。

將A掃射頻信號運(yùn)用于TOFD焊接接頭缺陷檢測上，可以實現(xiàn)對各個波形相位關(guān)系的觀察。假設(shè)直通波相位為正-負(fù)-正，那么底面反射波的相位則相反，為負(fù)-正-負(fù)；在缺陷上端點處形成的相位與直通波相位相反，為負(fù)-正-負(fù)；下端點處的相位與直通波相位相同，為正-負(fù)-正。但是，在用該方法處理數(shù)據(jù)時，由于TOFD衍射信號非常弱，而且數(shù)據(jù)記錄時使用灰度圖，所以，部分尺寸較小的缺項可能不容易被觀察出來。如果利用灰度圖B掃描顯示中的數(shù)據(jù)，焊接接頭將易于識別，從而提高工作效率。

2.3 超聲成像技術(shù)

超聲成像就是利用材料組織（聲阻抗和衰減特性）的不均勻性，對超聲波造成不同的反射和衰減，從而獲得材料內(nèi)部聲學(xué)特性分布圖像。

超聲圖像可提供聚乙烯管焊接接頭內(nèi)部連接情況的數(shù)字信息圖，且數(shù)據(jù)可靠、復(fù)現(xiàn)性高，可以對缺陷進(jìn)行定量的動態(tài)監(jiān)控。一般而言，超聲成像方法是基于A型顯示形成工件不同截面圖像，而且大都具有自動數(shù)據(jù)采集、自動數(shù)據(jù)處理和自動作出評價的功能。超聲成像方法發(fā)展到現(xiàn)在，主要采用先掃描接收信號，最后再進(jìn)行圖像重構(gòu)的方式，因此，它又被稱為超聲掃描成像技術(shù)。起初主要是利用B，C掃描成像，隨后為檢測焊縫而開發(fā)出D、P掃描（投影掃描成像），由于相控陣技術(shù)的出現(xiàn)，又研發(fā)出S掃描（扇形掃描成像）等。目前，B掃描成像技術(shù)較多地應(yīng)用于聚乙烯管道焊接接頭的缺陷檢測中。