埋地聚乙烯管道熱熔接頭的超聲相控陣檢測

王少軍，裘愛東，宋 盼，任 彬,黃弈昶

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200062；2.中國航空油料有限責(zé)任公司 華東分公司，上海 200335)

埋地聚乙烯管道熱熔接頭的超聲相控陣檢測

王少軍1，裘愛東2，宋 盼1，任 彬1,黃弈昶1

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200062；2.中國航空油料有限責(zé)任公司 華東分公司，上海 200335)

在分析聚乙烯管道熱熔接頭常規(guī)超聲檢測工藝的基礎(chǔ)上，提出了超聲相控陣動態(tài)聚焦和S掃查成像技術(shù)，對聚乙烯管道熱熔接頭進行了檢測。檢測結(jié)果驗證了該方法的可行性，并對在役埋地聚乙烯管道熱熔接頭進行了工程檢測驗證，為超聲相控陣技術(shù)在埋地聚乙烯管道檢測中的推廣應(yīng)用提供了經(jīng)驗。

聚乙烯管道；熱熔接頭；超聲相控陣

聚乙烯管道具有使用壽命長、運行能耗和維護成本低等優(yōu)勢，正逐步取代鋼管而被廣泛用于城市埋地管網(wǎng)建設(shè)等工程領(lǐng)域，其質(zhì)量安全及可靠性也越來越受到人們的重視。其中，焊接接頭是聚乙烯管道系統(tǒng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)[1]。對聚乙烯管道常見熱熔接頭進行無損檢測是提高管道系統(tǒng)可靠性的重要措施。目前，熱熔接頭無損檢測方法主要有紅外熱成像、X射線檢測技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)等[2]。紅外熱成像、X射線檢測技術(shù)對埋藏缺陷和面狀缺陷檢測靈敏度較低[3]；由于聚乙烯材料的聲學(xué)特性以及聚乙烯管道熱熔接頭的結(jié)構(gòu)形狀，其在常規(guī)的超聲檢測時聲波散射嚴重，還會產(chǎn)生輪廓回波等，會對超聲檢測產(chǎn)生干擾。

超聲相控陣檢測技術(shù)具有獨特的優(yōu)點，可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)焦點位置和尺寸的動態(tài)可調(diào)，可以保證在整個聲程范圍內(nèi)獲得較為一致的檢測分辨力，并提高檢測速度[4]；超聲相控陣掃查圖形以B、D、S視圖等多種形式呈現(xiàn)，顯示更直觀，給實際檢測提供了極大的便利。

推廣超聲相控陣技術(shù)在埋地聚乙烯熱熔接頭檢測中的應(yīng)用具有重大意義，但國內(nèi)還沒有相關(guān)的檢測標準與規(guī)范形成。筆者在分析常規(guī)超聲檢測方法的基礎(chǔ)上，采用超聲相控陣動態(tài)聚焦和S掃成像技術(shù)，使檢測靈敏度和缺陷分辨率更高、檢測圖像更加清晰、檢測速度更快，從而最大限度地克服了聚乙烯材料衰減大及接頭結(jié)構(gòu)形狀等因素的干擾。

1 聚乙烯管道熱熔接頭缺陷及常規(guī)檢測方法

1.1 聚乙烯管道熱熔接頭缺陷類型

聚乙烯管道熱熔焊接過程中，由于焊接工藝、人員操作、環(huán)境等因素的影響，焊接接頭容易產(chǎn)生各種缺陷。常見的缺陷有裂紋、孔洞、熔合面夾雜、未熔合(冷焊)等4類，圖1為常見的聚乙烯管道熱熔接頭常見缺陷，其中，裂紋、熔合面夾雜、未熔合(冷焊)等面積型缺陷是在役檢測中的重點。

圖1 聚乙烯管道熱熔接頭常見缺陷

1.2 常規(guī)超聲檢測方法及其局限性

熱熔接頭的質(zhì)量檢測主要有破壞性試驗及目視檢測。破壞性試驗是一種抽檢性質(zhì)的檢測方法，無法在工地上應(yīng)用；目視檢測不能直接觀察到接頭內(nèi)部的狀況，檢測可靠性也急需提高。目前，熱熔接頭無損檢測方法主要有紅外熱成像、X射線檢測和超聲波檢測方法等。非超聲檢測方法對埋藏缺陷和面狀缺陷的檢測靈敏度較低，而超聲檢測方法又有如下的局限性：

(1) 聚乙烯材料具有明顯高分子特征，聲阻抗、聲波衰減系數(shù)和聲波散射等比金屬材料嚴重。經(jīng)測試，聚乙烯材料和金屬材料的聲學(xué)參數(shù)見表1。

(2) 聚乙烯管道熱熔接頭內(nèi)外表面卷邊等焊接特性會產(chǎn)生輪廓回波。因此，超聲相控陣動態(tài)聚焦和S掃成像技術(shù)，適用于在役埋地聚乙烯熱熔接頭的檢測。

表1 聚乙烯材料和金屬材料的聲學(xué)參數(shù)

2 超聲相控陣檢測及結(jié)果分析

2.1 檢測試塊

聚乙烯試塊用于相控陣檢測系統(tǒng)的定位精度測試和ACG修正。試塊采用與聚乙烯材料聲學(xué)特性相似的材料制成，試塊的尺寸見圖2，試塊的表面粗糙度和聚乙烯管道相近，試塊的檢測面為弧面，并以檢測面的中心作R 25 mm半圓弧，半圓弧上均勻預(yù)埋35根φ1 mm金屬絲，相鄰金屬絲間距為6°。

圖2 測試試塊尺寸示意

2.2 探頭和儀器

以埋地聚乙烯PE80管為檢測對象，規(guī)格為φ160 mm×14.6 mm，選擇某便攜式超聲相控陣檢測儀進行檢測。由于聚乙烯材料的聲學(xué)特性，選用了檢測頻率為5 MHz的線陣斜探頭縱波檢測，探頭型號為E5L40L，掃查深度為13.2 mm，檢測靈敏度為直徑φ1 mm的孔。

圖3 聲波反射和折射定律

2.3 耦合劑

超聲檢測中，耦合劑是用來實現(xiàn)探頭與被檢材料之間聲能傳遞的。超聲耦合越好，聲強透射率越高。因此，根據(jù)聲波反射和折射定律(見圖3)，耦合劑的聲速與被檢材料相近，耦合劑與被檢材料界面產(chǎn)生的反射聲能損失減少，大部分聲能可透射到被檢材料中，提高了檢測靈敏度；聚焦聲束在界面不產(chǎn)生折射，聲束能夠在原焦點位置聚焦。由表1可知，聚乙烯材料的聲阻抗與金屬材料有很大的差異，因此在金屬材料中使用的耦合劑不適用于聚乙烯材料的檢測，筆者配置了一種特制的耦合劑，其聲學(xué)特性接近于聚乙烯材料，從而提高了檢測靈敏度。

2.4 檢測結(jié)果及分析

檢測試樣實物如圖4所示，檢測方法示意如圖5所示。

采用S掃描實時成像技術(shù)，得到無缺陷與典型缺陷聚乙烯熱熔接頭檢測成像結(jié)果，如圖6所示。

在圖6中，分別得到4種典型熱熔接頭成像結(jié)果，結(jié)合破壞性試驗解剖驗證了結(jié)果的準確性。從圖6(a)可知，無缺陷焊接熱熔接頭超聲圖像清晰地顯示出內(nèi)外表面信號，在內(nèi)外表面顯示的信號之間，除設(shè)備本身的干擾信號外，無明顯的其他信號顯示；由圖6(b)可知，未熔合缺陷出現(xiàn)在熔合面上，通常貫穿型的顯示在 內(nèi)外表面信號之間；由圖6(c)可知，熔合面夾雜缺陷在熔合線上，在內(nèi)外表面顯示的信號之間，有明顯的單個信號顯示；由圖6(d)可知，孔洞缺陷圖像較為清晰，在內(nèi)外表面顯示的信號之間，有明顯的信號顯示。

圖4 檢測試樣實物

圖5 檢測方法示意

圖6 無缺陷與典型缺陷聚乙烯熱熔接頭檢測成像結(jié)果

圖7 在役埋地聚乙烯熱熔接頭成像結(jié)果由圖7可知，其成像圖和無缺陷熱熔接頭圖譜一致；其中對r1和r2接頭進行截斷，經(jīng)解剖驗證結(jié)果和實際情況基本一致。

4 結(jié)語

(1) 超聲相控陣檢測成像方法的結(jié)果顯示可視化，可通過成像圖譜快速、準確地判斷缺陷，給實際檢測提供了極大的便利。

(2) 采用超聲相控陣動態(tài)聚焦和S掃成像技術(shù)，得到埋地聚乙烯管道熱熔接頭典型缺陷掃查圖。結(jié)果表明：該方法對聚乙烯管道熱熔接頭各類缺陷均有較好的檢出能力，通過工程驗證，證明該方法在埋地聚乙烯管道工程檢測中是可行的。

[1] 孫永慶.我國燃氣管道風(fēng)險評估現(xiàn)狀、差距及對策[J].工程建設(shè)，2014,24(5):113-115.

[2] 郭偉燦.聚乙烯管道熱熔接頭超聲檢測技術(shù)研究及設(shè)備研制[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[3] 丁守寶，劉富君.無損檢測新技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社,2002.

[4] 李衍.鋼焊縫相控陣超聲波檢測新技術(shù)[J].無損檢測,2002,24(3):61-65.

3 工程應(yīng)用

在役埋地聚乙烯管道的全面檢驗過程中，對規(guī)格為φ160 mm×14.6 mm的聚乙烯PE80管的熱熔接頭進行超聲相控陣檢測，實施檢測的過程也采用上述檢測方案，得到的扇掃成像結(jié)果如圖7所示。

The Ultrasonic Phased Array Testing of Buried Polyethylene Pipeline Butt Fusion Joint

WANG Shaojun1, QIU Aidong2, SONG Pan1, REN Bin1, HUANG Yichang1

(1.Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research, Shanghai 200062, China;2.East China Branch, China Aviation Oil Co., Ltd., Shanghai 200335, China)

Based on the analysis of traditional ultrasonic testing for polyethylene butt fusion joint ,this paper comes up with an ultrasonic phased array dynamic focusing and S-scan imaging technology to make testing experiment for polyethylene butt fusion joint. Results of the phased array ultrasonic testing of cracks in polyethylene butt fusion joints show that the testing method is feasible and its effectiveness is also subjected to engineering verification by in-site inspection of the buried polyethylene butt fusion joints. This research would provide experience to the application of phased array ultrasonic testing for polyethylene butt fusion joints.

polyethylene pipeline; butt fusion joint; ultrasonic phased array

2016-07-22

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研資助項目(2014-46)

王少軍(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事壓力管道檢驗檢測及研究工作

王少軍， 254309308@qq.com

10.11973/wsjc201705005

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0021-03