基于CIVA仿真的塑料材料TOFD檢測技術研究

錢盛杰 應家儀 高 星 沈成業 王 杜

（寧波市特種設備檢驗研究院）

塑料具有質量輕、耐蝕性好、使用壽命長且易于安裝的優勢，塑料板材和管材已大量應用于非金屬壓力容器和燃氣管道的制造中，工程上常采用的材料有聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯塑料（ABS）及高密度聚乙烯（HDPE）等熱塑性塑料。 塑料在特種設備領域中的應用正在不斷地普及，如：壓力容器、壓力管道、鋼制容器和管道的襯里。 由于塑料制品的生產工藝和技術水平還不夠完善，在生產過程中容易產生制造缺陷，影響其使用安全［1］。無損檢測等手段可以對塑料產品質量進行有效地檢測，有助于及時發現和處理安全隱患。 因此，對塑料的無損檢測研究具有重要的意義。

國內對塑料設備的無損檢測已有一定研究，但無損檢測手段還不夠成熟、完善，而且相對缺乏經驗。 隨著在聚乙烯燃氣管道、塑料容器等方面推出了一些可行的無損檢測技術，獲得了不少試驗和應用數據，制定了我國塑料設備的一系列標準，如JB/T 10662—2013《無損檢測 聚乙烯管道焊縫超聲檢測》、GB/T 33488—2017《化工用塑料焊接制承壓設備檢驗方法》等。 塑料設備的常見檢測方法有超聲檢測、射線檢測、聲發射檢測及紅外熱成像檢測等。 其中，超聲檢測因具有檢測靈敏度高、效率高及安全無害等優點，被許多學者深入研究。 沈振等利用超聲波無損檢測對無規共聚聚丙烯（PP-R）塑料管道進行測厚，發現該方法具有精度更高、誤差更小等優點，能滿足塑料管道壁厚的測量［2］。 王卉等研究了超聲聚焦檢測技術對PE管電熔接頭各類缺陷的檢測能力，采用相控陣超聲技術和B掃描實時成像超聲檢測技術對大量含缺陷接頭進行檢測，發現該方法具有較高的檢測靈敏度和精度［3］。目前，針對塑料的超聲檢測的主要手段有常規超聲檢測和相控陣檢測， 而利用TOFD技術進行塑料設備的檢測還鮮有報道。

TOFD技術最早始于20世紀70年代， 由英國原子能管理局國家無損檢測研究中心的Silk M G率先提出［4］。TOFD檢測技術已廣泛應用于石油化工行業，它能滿足多種缺陷的識別、定位和定量要求。 TOFD檢測方法比常規的超聲脈沖反射法測量精度高，TOFD檢測缺陷端點的衍射信號可以清晰地呈現在TOFD檢測圖譜中。 因此，能夠精確測量缺陷的埋藏深度及其自身高度，工程實際檢測精度可達到1mm，實驗室檢測人工缺陷的精度最高可達0.1mm［5］。為此，筆者將TOFD技術應用于HDPE和PVC兩種塑料材料的檢測中，并進行了CIVA仿真研究。

1 TOFD檢測基本原理

衍射時差法，簡稱TOFD，是一種采用由被檢工件內部結構的端角和端點處得到的衍射信號來檢測缺陷的方法［6］。 該方法采用探頭的一發一收工作方式，檢測時發射探頭和接收探頭按一定的間距相向放置， 入射角的范圍一般為45～70°，兩個探頭為兩個頻率、 尺寸相同的縱波斜探頭。發射探頭產生的縱波斜入射到工件中，一部分波沿著工件表面傳播并被另一個探頭所接收（稱為直通波）、一部分波是經底面反射（底面反射波），若工件中存在缺陷，在上述兩個回波之間還會接收到缺陷上、下兩個端點的衍射波。 TOFD檢測與回波信號的幅值無關，而是根據衍射波的傳播時間來實現缺陷的定位和定量。 如圖1所示，兩個探頭的中心間距（PCS）為2S，缺陷上端點的埋藏深度為d1［7］，缺陷自身高度為h，縱波的波速為c，超聲傳播總時間為T， 探頭楔塊中的超聲傳播時間為t0。

圖1 計算缺陷深度的平面幾何圖形

由圖1中的幾何關系可知：

由式（1）可計算出缺陷上端點的埋藏深度d1，假設缺陷下端點的埋藏深度為d2， 同理可計算得到d2，則缺陷的自身高度h為：

若缺陷剛好處于兩個探頭的中心線上，則x=0，化簡式（1）可得缺陷上端點的埋藏深度d1為：

2 CIVA仿真研究

2.1 塑料特性及探頭設置

在氯堿制造行業中， 常采用PVC管道代替金屬管道輸送強酸和強堿介質。 HDPE管道具有極強的防腐和防銹性能，在石油化工、電力及采礦等行業中， 這種材料已取代部分鋼管。 近年來，HDPE管道應用于核能相關的冷卻水系統， 為了保證核能設備的安全使用，該管道的無損檢測尤為重要。

塑料材料與金屬材料的聲學特性差異較大，HDPE和PVC的聲學參數列于表1， 其聲學特性會使檢測難度增大。 如果兩種塑料材料的聲學阻抗和聲速與常用于超聲楔塊中的材料相似，要使聲束在界面上產生適當的折射就很困難。 楔塊內材料的聲速大小會影響TOFD圖譜的判讀， 若楔塊內材料聲速大于工件聲速， 則在TOFD圖譜中無法形成直通波信號， 對缺陷的定位也會造成困難。 常見的兩種塑料楔塊材料——ABS和PS的聲速分別為2 050m/s和2 250m/s，顯然ABS的聲速小于HDPE和PVC的聲速，而PS的聲速介于HDPE和PVC之間。 因此，采用PS材料作為楔塊檢測HDPE時會產生直通波丟失現象。 此外，HDPE和PVC兩種材料與金屬相比，具有很高的聲衰減性，因此在這兩類材料的檢測中通常不能使用較高的超聲頻率。 為了克服這些困難， 筆者采取頻率為10MHz、 帶寬為70%的探頭安裝在ABS楔塊上完成檢測。

表1 HDPE和PVC兩種材料的聲學參數

2.2 試塊的制作

采用TOFD對HDPE和PVC材料制作的3塊對比試塊分別進行檢測，并對其缺陷（表2）進行仿真。 通過模擬4種缺陷的TOFD檢測圖譜，確定采用的TOFD探頭布置參數。 圖2為4種缺陷類型在CIVA對比試塊中的建模圖。

2.3 HDPE材料檢測仿真

10mm 厚HDPE 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為13.33mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加21dB。 如圖3所示，缺陷信號從左到右分別為表面開口裂紋、橫孔和底面開口裂紋。 表面開口裂紋直通波斷開；橫孔的缺陷信號和上、下尖端的信號均能看到； 底面開口裂紋底面波有明顯變化，能看到底面開口裂紋的上端衍射信號。

圖2 CIVA對比試塊建模

20mm 厚HDPE 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為38.00mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加30dB。 如圖4所示，缺陷信號從左到右分別為表面開口裂紋、14mm深橫孔、8mm深橫孔和底面開口裂紋。 表面開口裂紋直通波斷開；兩個橫孔的缺陷信號和上、下尖端的信號均能看到；底面開口裂紋底面波有明顯變化，能看到底面開口裂紋的上端衍射信號。

圖3 10mm厚HDPE材料仿真

40mm 厚HDPE 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為60.00mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加42dB。 如圖5所示，缺陷信號從左到右分別為表面開口裂紋、30mm深橫孔、10mm深橫孔和底面開口裂紋。 表面開口裂紋處的直通波有明顯變化， 但在此參數設置下無法測量深度；兩個深橫孔的缺陷信號均能看到；能發現底面開口裂紋。 另外，若要具體測量缺陷信息，則需要更換參數，該材料大厚度的工件應做分區檢測。

2.4 PVC材料檢測仿真

10mm 厚PVC 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為13.33mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加30dB。 如圖6所示，缺陷信號從左到右分別為表面開口裂紋、 橫孔和底面開口裂紋。表面開口裂紋直通波斷開，但是看不到下尖端衍射信號；橫孔的缺陷信號和上、下尖端的信號均能看到，可以測量深度；底面開口裂紋能看到上端衍射信號和底面斷開部位，可以測量深度。

圖4 20mm厚HDPE材料仿真

圖5 40mm厚HDPE材料仿真

圖6 10mm厚PVC材料仿真

20mm 厚PVC 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為38.00mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加30dB。 如圖7所示，缺陷信號從左到右分別為表面開口裂紋、8mm深橫孔、 底面開口裂紋和14mm深橫孔。 表面開口裂紋能清晰看到表面波的斷開，但無法看到下端衍射信號，無法測量深度；兩個橫孔的缺陷信號可以發現并能測量深度，能看到上、下端衍射信號。 底面開口裂紋可以看到底面斷開和上端衍射信號，缺陷信號可以發現并能測量深度。

圖7 20mm厚PVC材料仿真

40mm 厚PVC 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為38.00mm，楔塊材料為ABS，角度為55°，增益為底波滿屏后再加36dB。 如圖8所示，缺陷信號分別為表面開口裂紋、10mm深橫孔、 底面開口裂紋和30mm深橫孔。 所有缺陷均能發現，但在此參數設置下無法測量深度。 因此，檢測此厚度工件時，應進行分區檢測：小PCS檢測上半部分；大PCS檢測下半部分。

圖8 40mm厚PVC材料仿真

2.5 仿真總結

TOFD檢測技術能有效地檢測出一定范圍內的上、 下表面缺陷和埋藏缺陷，HDPE和PVC材料的對比試塊缺陷檢出情況列于表3。 對于塑料材料來說， 工件內外表面缺陷可由TOFD技術進行檢測，厚度大的工件需要分區進行檢測。 另外，本次仿真是在底波滿屏后再增加30～50dB不等的增益，但這與實際檢測的噪聲水平和儀器的增益范圍有關，如不能滿足，則可能導致部分缺陷無法檢出。

表3 對比試塊缺陷檢出情況

3 結論

3.1 TOFD 檢測技術能有效地檢測出HDPE 和PVC兩種塑料材料一定范圍內的上、 下表面缺陷和埋藏缺陷，并能實現缺陷的精確定位和定量檢測。

3.2 TOFD檢測塑料材料時，應選擇合理的楔塊，使楔塊聲速小于被檢塑料的聲速，以免發生直通波丟失的現象。

3.3 CIVA軟件中可以設置不同厚度、 不同類型缺陷的塑料TOFD檢測對比試塊， 并能模擬其超聲波、人工缺陷和工件結構的作用，形成TOFD圖譜。