基于CIVA的壓力容器用聚乙烯襯里缺陷的超聲檢測研究

劉重陽 王勝輝 王國圈

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

塑料襯里壓力容器是一種以金屬或非金屬結構材料為基體，采用各種工藝內襯一層塑料層的壓力容器，其優點是可以將塑料的耐腐蝕、防粘接及防結垢等優點與基體的耐高壓、耐高強相結合，因此在化工生產中被廣泛應用。用于塑料襯里的材料種類較多，主要包括聚乙烯、聚丙烯、氟塑料及聚氯乙烯等［1］。塑料襯里壓力容器常采用擠壓法、模壓法、液壓法、黏結法、焊接法、纏繞法、噴涂法及滾塑法等工藝成型［2］，不同成型工藝和不同廠家生產能力的差異使得產品質量差異較大。

塑料分子鏈間存在可供分子運動的“自由體積”［3］，長期使用過程中小分子介質對塑料具有溶脹作用；塑料與金屬材料間存在顯著的膨脹系數差異［4］，這些因素均使得襯里層可能出現分層、氣泡以及襯里與鋼界面的脫粘甚至開裂等缺陷。在使用過程中，缺陷的不斷發展使得襯里層逐漸失效，進而導致強腐蝕介質滲漏，影響壓力容器的使用安全。

目前，有關塑料襯里壓力容器的制造檢驗方法主要包括電火花、耐低溫、耐高溫、耐真空、熱脹冷縮及壓力試驗等方法。TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中關于塑料襯里壓力容器的定期檢驗也以宏觀檢驗為主，而對塑料襯里內部缺陷缺乏有效的無損檢測手段。

超聲波具有穿透能力強、檢測精度高等優點，在高分子材料的缺陷、老化［5］及多層結構界面檢測［6］等領域得到了廣泛應用。筆者在仿真模擬的基礎上，以聚乙烯（PE）襯里為研究對象，研究了一種聚乙烯襯里及其與鋼界面間的常見缺陷的超聲波檢測方法。

1 CIVA仿真模擬研究

CIVA仿真軟件是一種專業的無損檢測仿真軟件，廣泛用于金屬、非金屬和復合材料的無損檢測［7］。筆者采用CIVA仿真模擬軟件超聲模塊、φ6mm的單晶帶延遲塊直探頭，以襯里層常用的材料聚乙烯為研究對象（圖1），分別對襯里層不同程度的脫粘、不同深度的分層及氣泡等缺陷進行了模擬研究。

圖1 塑料襯里示意圖

PE的CIVA模擬參數如下：

聲速 2 250m/s

密度 0.95g/cm3

聲阻抗 0.2×106g/（cm2·s）

1.1 探頭頻率的影響

選用5.0、7.5、10.0MHz的探頭，分別對PE襯里深度為4mm（靠近復合界面）的脫粘缺陷進行檢測研究。3種頻率探頭檢測PE中4mm深分層缺陷的回波波形如圖2所示，可以看出，探頭頻率越高，缺陷回波越容易與復合界面回波區分。因此，選用10.0MHz探頭做進一步研究。

圖2 3種頻率探頭檢測PE中4mm深分層缺陷的回波波形

1.2 分層缺陷模擬

定義了1～4mm深、直徑分別為2、5mm的圓形分層缺陷。從PE襯里的超聲回波波形（圖3、4）可以看出，不同深度的分層缺陷均在相應位置出現了明顯的缺陷回波；隨著分層缺陷深度的增加，缺陷回波波幅變化不大。可見，10.0MHz、φ6mm的單晶帶延遲塊直探頭對于分層缺陷具有較好的檢出效果，且信噪比較高。

圖3 φ2mm不同深度圓形分層缺陷的回波波形

1.3 界面脫粘缺陷模擬

對于界面脫粘缺陷，定義了φ20mm的圓形脫粘區域。由PE襯里的CIVA模擬結果（圖5）可以看出，當探頭移動到界面脫粘區域時，界面回波波幅有所提高。

圖5 PE襯里界面結合良好和有缺陷的回波波形

1.4 氣泡缺陷

由圖6可以看出，對于襯里層內部φ3mm的氣泡缺陷，10.0MHz、φ6mm的單晶帶延遲塊直探頭對氣泡缺陷具有較好的檢出效果。

圖6 φ3mm氣泡缺陷的CIVA模擬超聲回波波形

圖4 φ5mm不同深度圓形分層缺陷的回波波形

2 人工缺陷的超聲檢測研究

針對帶有人工缺陷的試塊，選擇了與CIVA仿真模擬研究相近的10.0MHzφ5mm、延遲塊厚度13mm的單晶直探頭進行超聲檢測研究。兩種人工缺陷的試塊示意圖如圖7、8所示。

圖7 不同深度φ2mm、φ5mm平底孔缺陷試塊示意圖

2.1 分層缺陷檢測

針對圖7所示的試塊進行分層缺陷檢測。用不同深度的φ2mm平底孔試塊制作DAC（距離-波幅）曲線。由于1#缺陷距表面1mm，在加工時導致缺陷變形向表面凸起，影響檢測面的探頭耦合，因此未能檢出。檢測從2#缺陷開始：首先找到2mm深的φ2mm平底孔回波，調節增益使其波高達到80%FSH并保持增益不變，記錄缺陷信號；然后移動探頭依次找到3、4mm深的φ2mm平底孔回波，連接不同深度缺陷信號的波峰生成DAC曲線；最后檢測缺陷時，提高6dB作為掃查靈敏度。另外，為了更好分辨缺陷回波信號，將儀器聲程范圍調至8～10mm。對φ5mm試塊中不同深度的分層缺陷進行檢測實驗，結果見表1。

表1 不同深度的φ5mm分層缺陷檢測結果

由表1可以看出，除1mm深的缺陷外，對于其他3種深度的φ5mm平底孔缺陷均能夠檢出，且具有很好的檢出能力。

圖9為3種深度的φ5mm分層缺陷檢測信號，可以看出，分層缺陷越淺，其回波幅度（從左數第2個波峰為缺陷信號）越高，不同深度的分層缺陷信噪比都比較高，對于信噪比最差的4mm深缺陷，其信噪比也要大于12dB。實驗所用探頭為帶延遲塊的直探頭，延遲塊有效地避免了近場區檢測帶來的信號幅值波動問題。

圖9 3種深度的φ5mm分層缺陷檢測信號

2.2 界面缺陷檢測

針對圖8所示的試塊進行界面缺陷檢測。在試塊界面結合完好處找到界面回波（圖10a），調節界面回波信號至80%FSH，并以此作為基準靈敏度，然后在掃查缺陷時提高6dB作為掃查靈敏度。用調節好靈敏度的檢測系統對試塊上未結合處進行檢測。從圖10b可以看出，界面回波信噪比較高，大于12dB，但未結合處的缺陷信號幅度僅比結合完好處的信號高約6dB，因此在檢測時要保證耦合效果，防止未結合缺陷的漏檢。

圖8 未結合缺陷試塊示意圖

圖10 界面缺陷檢測信號

3 結論

3.1 采用CIVA仿真超聲模塊對PE襯里層的復合材料進行研究，結果表明10.0MHz的單晶帶延遲塊直探頭可以有效檢測襯里層的分層、襯里與鋼界面的脫粘等缺陷：對于分層缺陷，不同深度的分層均在相應位置出現了缺陷回波，且回波波幅隨著缺陷深度增加變化不大；對于界面脫粘缺陷，其回波波幅高于界面結合良好區域的回波波幅。

3.2 使用帶延遲塊的超聲探頭將近場區控制在延遲塊內，對于PE-鋼復合材料在襯里層內的分層缺陷和界面結合處有很好的檢測能力，缺陷深度測量準確。該結果與CIVA仿真模擬結果吻合。