高密度聚乙烯管熱熔接頭的全聚焦成像實驗分析

謝世杰，許衛榮，王 強，廖曉玲，柳 青，谷小紅

(1.中國計量大學 a.質量與安全工程學院;b.機電工程學院,浙江 杭州 310018； 2.湖州市特種設備檢測研究院，浙江 湖州 313000；3. 杭州市特種設備檢測研究院，浙江 杭州 310018)

0 引言

高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)由于其耐腐蝕、易成型、絕緣性能良好等優點，在城鎮燃氣管網的輸送領域得到了廣泛的使用[1]。截至2015年底,中國城鎮天然氣管網里程已經達到4.3×105km[2]，其中大部分都是以HDPE材料作為輸送管材。由于其在現場施工過程中，受到焊接工藝和環境的影響，焊接接頭處易產生缺陷，如孔洞、夾雜等[3-4]，若不能對這些缺陷進行及時排查，可能會給整個燃氣輸送系統帶來極大的安全隱患。

目前，對HDPE缺陷的檢測方法有目視檢測、射線檢測[5]和超聲檢測[6-18]等。傳統超聲檢測采用縱波傾斜入射方式，對內部缺陷有一定的檢測靈敏度，但是由于超聲波在HDPE材料中傳播時的衰減和頻散導致的波形畸變，使常規超聲檢測對缺陷的定量檢測還存在一定困難，結果不夠直觀[6-7]。針對HDPE這種材料的特性，國內外學者采用超聲相控陣方法，開展了一系列的研究。文獻[8]利用超聲相控陣方法對HDPE的熱熔接頭缺陷進行了檢測，證明該方法有良好的表征缺陷的能力，并能通過二維圖像來進行數據分析。文獻[9]對HDPE燃氣管道接頭進行了超聲相控陣檢測，介紹了聚乙烯燃氣管道接頭的超聲相控陣檢測方法與實施過程，可為規范施工和現場檢測提供參考。文獻[10]采用超聲相控陣技術，對含有孔洞缺陷的HDPE試塊進行了檢測和分析。文獻[11]采用K均值聚類算法和數學形態學相結合的圖像處理方法,實現了對HDPE接頭超聲相控陣檢測圖像的處理，提高了缺陷圖像的特征識別。由于HDPE材料的聲波傳播特性，超聲相控陣技術只在聲束聚焦點附近成像效果較好，遠離聚焦點的成像信噪比較低[12]。

全聚焦(total focusing method, TFM)超聲成像算法相比于超聲相控陣方法，成像的信噪比有了很大的提高[13]。文獻[14]對鋼板焊縫進行了常規相控陣和全聚焦相控陣檢測，實驗結果表明：全聚焦方法比超聲相控陣法有更好的檢測效果，對未熔合、裂紋等缺陷的檢測更具優勢。文獻[15]采用一種多視角的全聚焦成像方法，并在小直徑奧氏體不銹鋼管上進行了驗證，該方法能有效檢測小口徑管焊縫缺陷，提高信噪比。文獻[16]使用線性陣列的方向性函數改善全聚焦方法重建的圖像，減少了偽像，使得檢測漏檢率得到有效降低。文獻[17]提出了一種基于角度光束虛擬源的全聚焦成像方法，通過增加特定方向性的傳輸能量來提高靈敏度，并對鎳基合金鍛件中不同深度的槽型平面缺陷進行成像，證明了該方法的可行性。

目前，針對HDPE材料，基于超聲相控陣的TFM成像實驗研究還比較少，為此，本文運用全聚焦超聲成像方法，對HDPE試塊上的φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷進行檢測，在MATLAB軟件中編寫全聚焦超聲成像算法，實現HDPE試塊上孔洞缺陷的二維成像，并將全聚焦超聲成像效果與超聲扇形掃描成像結果進行對比和分析。

1 全聚焦成像算法原理

1.1 全矩陣數據

實現全聚焦成像算法的第一步，是對全矩陣捕獲(full matrix capture, FMC)進行數據采集。假設某一超聲換能器有N個陣元，那么全矩陣數據采集的過程，如圖1所示。首先對超聲換能器的第1個陣元進行激勵，使其發出超聲波，然后由N個陣元晶片對反射回來的超聲回波進行接收，這樣就能得到N個數據。假設得到的回波數據定義為S1j，其中j=1，2，…，N，那么這一組數據可以表示為S11～S1N，這樣重復N次，得到N×N個數據，即全矩陣數據，如圖2所示。Sij為第i個陣元發射，第j個陣元接收的超聲回波數據，包含了每個采樣點信號的幅值信息[18]。

圖1 全矩陣數據采集過程

1.2 全聚焦成像算法

全聚焦成像算法對采集到的全矩陣數據進行延時、疊加，聚焦到被測區域內的任意位置。全聚焦成像算法示意圖如圖3所示，假設一被測物體為某一矩形試塊，耦合方式采用直接接觸，相控陣探頭有N個陣元，以探頭下表面中心位置為坐標原點建立笛卡爾坐標系Oxy，通過全矩陣采集到N×N個全矩陣數據Sij(i=1,2,…,N；j=1,2,…,N)，假設P(x,y)為被測物體上的任意一點，那么利用延時法對全矩陣數據中各發射-接收陣列得到回波信號的幅值進行疊加，即可得到該點P(x,y)的信號幅值I(x,y)。重復上述過程，對被檢區域按照像素點劃分進行幅值的疊加計算，根據疊加后幅值的大小即可實現被測區域內圖像的表征。

圖3 全聚焦成像算法示意圖

對于某一虛擬聚焦點P(x,y)，某一陣元i發射超聲波信號到P點，再從P點反射到另一陣元j，傳播距離dxy可以由式(1)表示為[18]：

(1)

其中：xi為發射陣元中心的橫坐標；xj為接收陣元中心的橫坐標。

那么傳播時間tij(x,y)可以由式(2)表示為：

(2)

其中：c為超聲波在被測物體中的傳播聲速，m/s。

對于特定的聚焦點P(x,y)，其幅值I(x,y)可以由式(3)表示為：

(3)

其中：Sij(tij(x,y))為第i個陣元激勵、第j個陣元接收的超聲回波信號，是對虛擬聚焦點P(x,y)的幅值表征。

針對超聲波在HDPE材料中傳播時的衰減和頻散導致的波形畸變，超聲相控陣方法檢測該類材料成像質量、成像分辨率不足等問題，在MATLAB軟件中編寫了全聚焦超聲成像算法，實現了HDPE材料的TFM成像檢測。在算法中，對原始數據信號進行了一次9.7 MHz的低通濾波和一次0.5 MHz的高通濾波，采用二階Butterworth IIR濾波器實現濾波器系數的設定，提高了成像的效果。

2 全聚焦超聲檢測及分析

2.1 HDPE試塊

由于HDPE管道熱熔接頭區域材質與母材接近，故采用含預制缺陷的HDPE試塊進行實驗分析。選用PE100作為試塊的原材料，該試塊規格為400 mm×40 mm×80 mm，依據JB/T 8428—2015《無損檢測 超聲試塊通用規范》[19]制作。在試塊右側，分別加工了φ1 mm和φ2 mm橫通孔缺陷9個，φ3 mm橫通孔缺陷5個，其中，φ1 mm和φ2 mm橫通孔缺陷深度分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm，φ3 mm橫通孔缺陷深度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm。圖4為HDPE試塊設計圖。

圖4 HDPE試塊設計圖

2.2 全聚焦超聲成像系統與設備

本文擬采用的相控陣全聚焦快速超聲成像檢測系統，如圖5所示。該系統可以實現材料的超聲相控陣全聚焦成像檢測，并能夠對全聚焦成像時所使用的全矩陣數據進行保存。

圖5 全聚焦成像系統

本次實驗使用的相控陣探頭頻率為5 MHz，探頭陣元為64，陣元間距為0.6 mm，陣元大小為0.6 mm×10 mm。檢測參數設置為縱波檢測，縱波聲速為2 300 m/s[20]，零點校準為0.1 μs，采樣頻率為62.5 MHz，增益為50 dB，耦合劑為機油，檢測時超聲換能器位置分別位于φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷區域的正上方。

2.3 實驗結果和分析

利用該全聚焦超聲成像系統對HDPE試塊中的φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷進行檢測， 其檢測結果如圖6所示。將系統成像所使用的全矩陣數據進行導出，經本文所述的在MATLAB軟件中編寫的全聚焦成像算法處理后，得到的檢測結果如圖7所示。

(a) φ1 mm橫通孔

(a) φ1 mm橫通孔

通過圖6和圖7的檢測結果可知：TFM對HDPE材料中橫通孔缺陷有良好的檢測效果。對于φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm的橫通孔缺陷，可以分辨出每個橫通孔的缺陷位置。但是對于深度較深的缺陷，沒有近表面缺陷的成像效果好，深度越深，成像的效果質量也就越差。在5 MHz的超聲探頭頻率下，TFM在HDPE材料上的檢測深度能夠達到50 mm。

全聚焦成像系統檢測得到HDPE試塊橫通孔缺陷的深度，和本文算法得到HDPE試塊橫通孔缺陷的深度結果如圖8所示。在定位缺陷的深度上，本文使用的全聚焦算法更接近實際深度，缺陷深度的誤差平均值更小，φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm的誤差平均值分別為0.82 mm、0.91 mm和1.9 mm，與實際缺陷深度的誤差在2 mm以內，能夠實現缺陷的深度定位。

(a) φ1 mm缺陷深度對比圖

(b) φ2 mm缺陷深度對比圖

(c) φ3 mm缺陷深度對比圖

對于同一深度不同直徑(φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm)的橫通孔缺陷，橫通孔缺陷的直徑越大，成像效果越好，這是由于缺陷尺寸越大，經反射后接收的超聲波能量較強，信噪比較高。對于同一直徑不同深度(10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm)的橫通孔缺陷，隨著缺陷深度的增加，反射的超聲波能量在不斷衰減，信噪比較低。

根據全聚焦成像檢測結果，經計算得到φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷相鄰缺陷的橫坐標相差平均值為2.750 mm、2.725 mm和5.450 mm，與實際HDPE試塊φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷水平間隔的設計值2.5 mm、2.5 mm和5.0 mm分別相差0.250 mm、0.225 mm和0.450 mm。上述結果表明：檢測得到的相鄰橫通孔缺陷的水平橫坐標位置與實際相差不大，誤差都在0.5 mm之內。

通過上述實驗的檢測結果可知：TFM在檢測HDPE材料的橫通孔缺陷上，縱向誤差在2 mm以內，橫向水平誤差在0.5 mm以內，能夠實現該類缺陷的定位，但是在縱向分辨率上還需進一步的提高。另外，從圖8中可知，缺陷超過30 mm左右的深度時，TFM難以得到缺陷的實際大小，需要進一步的改進。

針對HDPE材料中不同直徑的橫通孔缺陷，采用相同頻率、相同陣元數目的超聲換能器，在相同的位置，采用30°到70°的超聲相控陣扇形掃描對φ1 mm和φ2 mm橫通孔缺陷進行檢測，檢測結果如圖9所示。由圖9a可知：在設置增益為50 dB，聚焦深度為25 mm的條件下，超聲相控陣扇形掃描方法只能測出φ1 mm橫通孔缺陷前4個缺陷，檢測深度只有25 mm左右，成像效果要差于TFM，從圖9b中也可以得到相同的結論。

(a) φ1 mm缺陷扇形掃描成像圖

表1列出了兩種成像方法檢測出的HDPE缺陷的最大幅值，缺陷的最大幅值可以用來表征能量的均勻性[18]。由于在5 MHz探頭頻率下，扇形掃描成像方法不能檢測出缺陷5～缺陷9，故只考慮了前4個缺陷。從表1中可以看出：全聚焦成像方法缺陷最大幅值的標準差相比扇形掃描成像方法缺陷最大幅值的標準差，有很大的減少。對于φ1 mm缺陷最大幅值的標準差從16.8 dB減少到7.5 dB，對于φ2 mm缺陷最大幅值的標準差從21.0 dB減少到了6.2 dB，有將近2～3倍的提升。

表1 φ1 mm和φ2 mm缺陷的最大幅值

3 結論

(1)對于HDPE試塊內部的橫通孔缺陷，本文采用的全聚焦超聲成像算法能夠實現缺陷實際位置的定位，檢測深度達50 mm，縱向誤差在2 mm以內，橫向水平誤差在0.5 mm以內，能夠實現該類缺陷的定位，但是在縱向分辨率上還需進一步提高。

(2)TFM相比超聲相控陣扇形掃描成像方法，在檢測深度和檢測精確度上都有很大的提高，對于同一深度位置的缺陷，TFM能夠更準確地給出缺陷的實際大小和實際位置，這在實現HDPE試塊缺陷的定量描述上更加具有優勢。

(3)相比于扇形超聲掃描成像方法，TFM給出的φ1 mm缺陷的最大幅值標準差從16.8 dB降低到了7.5 dB，φ2 mm缺陷的最大幅值標準差從21.0 dB降低到了6.2 dB，有將近2～3倍的提升，這表明TFM在HDPE試塊缺陷的相控陣超聲檢測上有較好的應用前景。