聚乙烯管道熱熔對接接頭的超聲相控陣檢測

竺哲明,黃偉勇,郭偉燦

(1.紹興市特種設備檢測院,紹興312071;2.浙江省特種設備檢測院,杭州310020)

聚乙烯管道熱熔對接接頭的超聲相控陣檢測

竺哲明1,黃偉勇1,郭偉燦2

(1.紹興市特種設備檢測院,紹興312071;2.浙江省特種設備檢測院,杭州310020)

在研究聚乙烯管道熱熔對接接頭超聲檢測中超聲波反射規律的基礎上,提出對該接頭使用超聲相控陣檢測技術。研制了基于相控陣聚焦和超聲實時成像技術的超聲自動檢測系統,通過液體楔塊的聲阻抗匹配,克服了聚乙烯材料聲衰減嚴重和檢測界面聲能損耗對超聲檢測造成困難的問題。通過制作典型缺陷的聚乙烯接頭缺陷試樣,進行了可靠性測試和工藝試驗,結果表明,提出的超聲相控陣檢測技術能可靠地檢測出聚乙烯熱熔對接接頭中的典型缺陷。

聚乙烯管道;熱熔對接接頭;缺陷分類;超聲檢測;超聲相控陣技術

聚乙烯管道具有良好的耐腐蝕性能、力學性能、焊接性能和長達50 a的使用壽命,在城市給水、輸氣等領域得到廣泛應用。熱熔對接焊接是聚乙烯管道最主要的連接方式,管道焊接時由于環境、操作等因素容易出現各種缺陷,接頭便成為聚乙烯燃氣管道系統的薄弱環節[1]。由于材料和結構的差異,傳統金屬管道的無損檢測技術并不適用于聚乙烯管道接頭的檢測。筆者根據聚乙烯熱熔對接接頭缺陷的形成機理、幾何形態特征及其引起的失效形式,對缺陷進行了分類,再在此基礎上,研究了接頭中各類缺陷的超聲反射規律,提出聚乙烯管道熱熔對接接頭的超聲相控陣檢測技術,并設計了通過液體楔塊的檢測裝置,克服了聚乙烯材料聲衰減嚴重和檢測界面聲能損耗對超聲檢測造成困難的問題。通過制作帶有氣孔、未熔合等各類典型缺陷的聚乙烯接頭缺陷試樣,進行了可靠性測試和工藝試驗,結果表明,提出的超聲相控陣檢測技術和設計的檢測裝置能可靠地檢測出聚乙烯熱熔對接接頭中的典型缺陷,從而提高聚乙烯管道系統的安全性。

1 聚乙烯管道熱熔對接接頭缺陷類型及超聲反射規律

焊接接頭是聚乙烯管道系統中最為薄弱的環節,在大量實地調研、人工缺陷解剖以及超聲檢測缺陷識別的基礎上,根據聚乙烯熱熔對接接頭缺陷的成因、形態特征及其引起的失效形式,將缺陷系統地分為裂紋、孔洞、熔合面夾雜、工藝缺陷(包括冷焊、過焊、不對中、熔合面過短)四類[2]。工藝缺陷一般通過外觀檢驗來判別,但裂紋、孔洞、熔合面夾雜缺陷位于接頭內部,其中孔洞屬于體積型缺陷,裂紋、熔合面夾雜屬于面積型缺陷。對體積型缺陷,只要超聲波主聲束能夠掃查到,反射回波通常能被探頭接收到;而對面積型缺陷,當缺陷方向與聲束軸線不垂直時,其反射回波受探頭的指向性和缺陷指向性兩者共同的影響,常規橫波斜探頭發射的超聲波聲束角度就不能改變,只能檢測一定傾角范圍內的面積型缺陷。當與假想波源的距離x≥N時(N為近場區長度),即當聲程大于3N時,在聲束軸線與界面法線所決定的入射平面內,超聲場中的聲壓P(x,θ)可由式(1)決定[3]。

在聚乙烯中縱波聲場聲束軸線上的聲壓為:

式中:K為與波源初始聲壓P0有關的系數;Fs為波源的面積,mm2;D(θ)為假想波源在工件中發射的聲束的指向性系數;λL2為第二介質中縱波波長,mm;x為軸線上某點至假想波源的距離,mm。

裂紋與熔合面夾雜屬于面積型缺陷,其反射回波具有一定方向性。采用常用的斜射縱波技術檢測與表面垂直的大裂紋或熔合面夾雜時,可將缺陷視作鏡面反射,反射原理示意如圖1所示。

圖1 缺陷的鏡面反射原理示意

應用鏡像原理(如圖2所示),當x≥3N,聲束軸線與缺陷方向的傾角為γ時,其回波聲壓PL為:

當缺陷相對于聲束軸線的斜角γ在探頭－3 dB聲束角θw以內,且θ≈γ時,缺陷的反射回波最大[4]。若θ在第二介質中縱波超聲場的上、下半擴散角θ＋0和θ－0以外,則缺陷反射波減少。當γ在探頭－3 dB聲束角θw以內時,缺陷回波聲壓可近似為:

圖2 鏡像原理示意

從式(3)可以得出,鏡面反射面積型缺陷的檢測靈敏度主要取決于聲束軸線與缺陷之間的傾角,當傾角大于－3 dB聲束擴散角時,探頭接收不到主聲束的回波,檢測靈敏度迅速減少。所以,單一橫波斜探頭只能檢測一定深度范圍內的具有鏡面反射特性的面積型缺陷。圖3為鏡面反射時缺陷回波高度隨入射角變化的規律[5],垂直入射時相對回波波高為80 dB,當聲波入射角為2.5°時,相對回波波高下降到60 dB,傾角為12°時,相對回波波高下降到20 dB,此時儀器已不能檢出缺陷。

圖3 缺陷回波高度隨入射角變化的規律

2 熱熔接頭的超聲相控陣檢測

傳統的脈沖反射技術中聲束方向不能改變,而采用相控陣探頭可以實現聲束的偏轉或偏轉聚焦,在不更換探頭的情況下,在同一位置可實現檢測區域的多角度掃查,并對不同方向的面積型缺陷進行檢測[6]。對聚乙烯管道熱熔對接接頭超聲檢測而言,由于聚乙烯材料的聲學特性以及聚乙烯管道熱熔對接接頭的結構形狀,采用相控陣超聲聚焦方法對其進行檢測具有獨特的優點:可以在較大范圍內實現焦點位置和焦點尺寸的動態可調;可保證在整個聲程范圍內取得較為一致的檢測分辨力,同時也可提高檢測速度。

聚乙烯熱熔對接接頭相控陣技術采用相控陣列偏轉聚焦掃查,相控陣列偏轉聚焦掃查的基本原理是對相控陣列探頭晶片進行延時控制,合成所需波束。其優點是可以增大檢測范圍,缺點是會增大旁瓣和主瓣寬度,偏轉角度過大則會引起柵瓣效應。圖4為相控陣列偏轉聚焦示意。

圖4 相控陣列偏轉聚焦示意

圖4 中,d為相鄰陣元的間距,θ為偏轉角,F為聚焦點,f為中心陣元到聚焦點的距離。由幾何關系可得:

第i個陣元與中心陣元的聲程差為:

因此可以得到第i個陣元相對于中心陣元的延時值Ti:

式中:t為常數(避免產生負的延時值);c為聲速。

根據式(7)計算得到的延時值,運用電子技術,按計算得到的時序控制(聚焦法則)激發相控陣各陣元,使陣列中各陣元發射的超聲波通過疊加形成一個新的波陣面,在效果上相當于改變了換能器的空間排列形式,達到超聲波聲束偏轉和特定位置聚焦的目的[7]。同樣,在反射波的接收過程中,按一定聚焦法則控制接收陣元的接收并進行信號合成,再將合成結果以適當形式顯示,由此實現超聲波聲束的動態聚焦。

3 熱熔對接接頭液浸耦合技術

為了避免聚乙烯管表面曲率對耦合的影響,通常需要將探頭修磨成曲面形狀以匹配管子表面,因為管子直徑存在誤差,探頭的曲面難以完全匹配管子表面,所以超聲波表面耦合時損失增大。筆者設計了一種液浸耦合技術的相控陣探頭裝置,以聲速和聲阻抗與聚乙烯材料相匹配的特殊耦合劑液體來代替固體楔塊,液浸耦合相控陣線陣列斜聚焦技術原理如圖5所示。筆者通過水、甘油、水玻璃和海藻酸鈉四種物質,采用超聲機械振動同時結合化學乳化方法配制成多元混合液[8]。配制的耦合劑聲速隨溫度變化的規律與聚乙烯材料基本一致,且在檢測過程中不會因為溫度變化而使超聲波折射角發生變化。圖6為新配制的特殊耦合劑和PE80材料的聲速隨溫度的變化曲線,從圖中可以看出,新配制的特殊耦合劑的聲速隨溫度變化的規律與PE80材料基本一致。

圖5 液浸耦合相控陣線陣列斜聚焦技術原理示意

由于聚乙烯材料的聲速隨溫度升高有規律的減小,因此選擇聲速隨溫度變化與聚乙烯材料有相同或相近規律的斜楔。楔塊角度可以按下式設計[]:

式中:β1,β2為工件中需要的折射角度。

采用CIVA軟件對超聲相控陣探頭發射聲場進行計算,當液體耦合楔塊的物理角度為30°,在聚乙烯材料中偏轉角度分別為45°,60°時聲場仿真如圖7所示。從CIVA聲場仿真可以得出,超聲波通過耦合劑/聚乙烯界面聲能損耗較小,聲束偏轉越接近楔塊的物理主聲束角度,聲束就越均勻,分辨率越好[10]。通過液體耦合楔塊可以減少晶片的延時補償,尤其是通過相控陣超聲聚焦技術和液浸耦合技術相結合,從聲束聚焦和界面耦合匹配兩個方面來提高檢測靈敏度和可靠性,從而可最大限度地克服聚乙烯材料衰減大和熱熔對接接頭結構形狀限制等超聲檢測的難點。

圖7 楔塊角度為30°時不同偏轉角聲場仿真結果

4 檢測裝置與試驗

筆者在聚乙烯熱熔對接接頭缺陷分類研究的基礎上,加工了大量帶有典型缺陷的聚乙烯熱熔對接接頭試樣。圖8為缺陷試樣外觀。

圖8 缺陷試樣外觀

針對聚乙烯熱熔對接接頭規格,筆者設計了聚乙烯熱熔對接接頭超聲相控陣檢測裝置,檢測裝置外觀如圖9所示,裝置包括相控陣主機和與之相連接的聚焦裝置、耦合劑盛裝裝置、相控陣探頭、自動掃查裝置、AC/DC適配器、掃查控制器等部件。通過對相控陣探頭斜聲束聚焦和電子線縱向掃查、周向機械掃查的位置信息和相控陣探頭接收的超聲波信號進行處理,在顯示器上形成實時C掃描圖像。采用專業軟件可實現C掃描中相控陣電子掃查和探頭周向機械掃查的同步和精度控制、超聲信息與位置信息的一致性控制,從而保證檢測結果的可靠性。通過制作包含各類典型缺陷的試樣接頭,對超聲檢測技術和裝置進行可靠性測試和工藝試驗,對超聲檢測到的缺陷部位進行實物解剖,觀察缺陷剖面的形態特征。圖10為孔洞缺陷的超聲檢測和實物解剖結果。圖11為熔合面夾雜缺陷的超聲檢測和實物解剖結果。對照超聲相控陣檢測和實物解剖結果,提出的超聲相控陣技術和設計的檢測裝置能可靠地檢測聚乙烯熱熔對接接頭中氣孔、熔合面夾雜等各類典型缺陷。

圖9 超聲相控陣檢測裝置外觀

圖10 孔洞缺陷的超聲檢測和實物解剖結果

5 結語

(1)在聚乙烯管道熱熔對接接頭缺陷分類研究的基礎上,提出了聚乙烯管道熱熔對接接頭超聲相控陣檢測技術,并與液體楔塊技術相結合,克服了聚乙烯材料聲衰減嚴重和檢測界面聲能損耗給超聲檢測帶來的困難。

The Phased Array Ultrasonic Testing of Butt Fusion Joint in Polyethylene Pipe

ZHU Zhe-ming1,HUANG Wei-yong1,GUO Wei-can2
(1.Shaoxing Special Equipment Testing Institute,Shaoxing 312071,China; 2.Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute,Hangzhou 310020,China)

Polyethylene(PE)pipe has been widely used for the transportation of gas in cities because of its excellent corrosion resistance,good mechanical properties and longer service life.Fusion welding is one of the main connection methods of polyethylene pipe.On the basis of the research on the ultrasonic reflection of different type defects in the joint,the phased array ultrasonic technique is presented.An automatic ultrasonic testing system is designed and fabricated with phased array electronic focusing technique and real-time imaging technique,which is comprehensively to integrate impedance matching with acoustic coupling technique,with the purpose of overcoming the detecting difficulty caused by the attenuation of PE and transmitting loss at interface.The reliability and process performance are tested through detecting PE joints with typical defects.It is shown that the phased array ultrasonic technique presented in the paper is applicable for detecting typical defects in of butt fusion joint in Polyethylene Pipe.

Polyethylene pipe;Butt fusion joint;Classification of defect;Ultrasonic testing;Ultrasonic phased array technique

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0038-05

10.11973/wsjc201701010

2016-02-06

竺哲明(1972－),男,本科,工程師,主要從事承壓類設備檢驗檢測工作。

竺哲明,E-mail:zhezheming＠sina.com。