王海濤，吳 瓊，康正亮，胥凱暉，龍盛蓉，李秋鋒

(1.江西建工第二建筑有限責(zé)任公司，南昌 330001；2.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063；3.人民解放軍94829部隊(duì)，南昌 330201)

?

聚乙烯管熱熔對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

王海濤1，吳 瓊2，康正亮3，胥凱暉3，龍盛蓉2，李秋鋒2

(1.江西建工第二建筑有限責(zé)任公司，南昌 330001；2.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063；3.人民解放軍94829部隊(duì)，南昌 330201)

PE管作為燃?xì)膺\(yùn)輸管道已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但PE管熱熔焊對(duì)接接頭的內(nèi)部質(zhì)量仍然沒(méi)有找到可靠的無(wú)損檢測(cè)方法。提出超聲無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)，首先分析了超聲檢測(cè)原理，然后設(shè)計(jì)和制備含缺陷的PE管焊接接頭試塊，通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，選擇和標(biāo)定測(cè)試參數(shù)，選用2 MHz縱波對(duì)試樣進(jìn)行超聲檢測(cè)，衰減系數(shù)約為0.633 dB/mm，實(shí)際K值約為0.94。檢測(cè)結(jié)果表明，采用超聲縱波傾斜入射的方式對(duì)焊接接頭內(nèi)部缺陷有很好檢測(cè)靈敏度，可以獲得缺陷位置，誤差約為1～2 mm，可以滿足工程需要，但是對(duì)于缺陷的定量還需要做進(jìn)一步研究。

聚乙烯管道；超聲檢測(cè)；對(duì)接焊接接頭

0 引言

自20世紀(jì) 60 年代將聚乙烯管(PE管)用于管道燃?xì)廨斔凸こ桃詠?lái)，該材料以耐腐蝕性能強(qiáng)、焊接性能優(yōu)異、柔韌性佳、流通能力大、施工效率高、經(jīng)濟(jì)性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在全球燃?xì)忸I(lǐng)域得到迅速推廣，現(xiàn)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的燃?xì)夤艿缼缀?00%使用聚乙烯管，我國(guó)在經(jīng)過(guò)多年的嘗試和實(shí)驗(yàn)后，目前在燃?xì)夤艿佬袠I(yè)已開(kāi)始大規(guī)模地應(yīng)用聚乙烯管取代鋼管[1-2]。

PE材料是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹(shù)脂材料，PE燃?xì)夤艿乐饕煞质歉呙芏染垡蚁?HDPE)，目前國(guó)家規(guī)定允許使用的兩種連接方式分別是熱熔和電熔焊接方式。PE管熱熔對(duì)接焊接工藝和設(shè)備比較簡(jiǎn)單，可以保證焊接接頭的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能與管材本身具有同一性，實(shí)現(xiàn)了焊接接頭與管材的一體化，因此應(yīng)用更為廣泛[3]。本研究主要是對(duì)熱熔焊接對(duì)接接頭進(jìn)行超聲檢測(cè)方法研究。由于在熱熔焊接時(shí)操作不穩(wěn)定時(shí)質(zhì)量難以保證，由于燃?xì)庥霉艿朗且谕旯を?yàn)收合格后填土埋地的，所以PE管的焊接絕大部分是在露天工地現(xiàn)場(chǎng)的地溝里進(jìn)行的，工地上的泥土、污水等往往附在PE管接頭處的表面，如果PE管表面清理不干凈，很有可能造成焊縫內(nèi)存在氣孔、未熔合、夾雜物等缺陷，極大影響焊縫的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使聚乙烯管道在接頭處形成貫穿性缺陷導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，給燃?xì)獾妮斔蛶?lái)極大的安全隱患，因此PE管焊接質(zhì)量直接影響到管道系統(tǒng)的安全和壽命。

由于PE管的主要成分是HDPE，它是一種非鐵磁性絕緣材料，無(wú)法通過(guò)使用渦流和磁粉檢測(cè)對(duì)其近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)其內(nèi)部缺陷只能通過(guò)射線和超聲進(jìn)行檢測(cè)。由于射線檢測(cè)的危險(xiǎn)性和其操作的復(fù)雜性，不適合在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，而且檢測(cè)設(shè)備笨重、成本高，因此能夠?qū)E管焊接接頭內(nèi)部缺陷進(jìn)行較好的檢測(cè)的方法是超聲檢測(cè)[4-5]。

2 超聲檢測(cè)方法原理

超聲檢測(cè)原理是超聲探頭發(fā)射脈沖波到被檢工件內(nèi)，通過(guò)觀察來(lái)自內(nèi)部缺陷或工件底面反射波的情況來(lái)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)的方法(圖1)。由超聲探頭被脈沖信號(hào)激勵(lì)后，發(fā)生電聲轉(zhuǎn)換產(chǎn)生超聲信號(hào)，并傳入被檢工件內(nèi)，如果超聲波在均質(zhì)工件中沒(méi)有遇到缺陷，將以恒定聲速傳播，直到底面后反射回來(lái)被超聲探頭接收到；而傳播過(guò)程中遇到了異種材料(缺陷)，出現(xiàn)了聲阻抗不同的材料界面，則會(huì)發(fā)生反射和繞射，一部分能量被反射回去被超聲探頭接收到，還有一部分能量繞射過(guò)缺陷繼續(xù)向前傳播，直至到底面后反射回超聲探頭接收。因此，通過(guò)分析超聲檢測(cè)信號(hào)可以確定缺陷的有、無(wú)缺陷的大小和位置等信息[6-7]。

超聲波傾斜入射到兩種不同介質(zhì)界面時(shí)，將會(huì)在界面上會(huì)產(chǎn)生波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[8-10](圖2)。超聲波的傳播都符合Snell定律，圖2a為縱波入射到傾斜界面情況，Snell定律可以用式(1)描述。

(1)

同樣橫波入射到傾斜界面情況如圖2b所示，snell定律可以用式(2)描述。

(2)

圖1 超聲檢測(cè)原理圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 試樣制備

為了驗(yàn)證超聲波對(duì)PE管檢測(cè)的有效性，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和制備了如圖3所示的含平底孔和內(nèi)部夾渣兩種典型人工缺陷的試樣。其中:圖3a為外徑157 mm、壁厚10 mm的PE管內(nèi)含孔徑為φ2 mm、埋深為11 mm的平底孔試塊；圖3b為外徑200 mm、壁厚18 mm的PE管內(nèi)含直徑為φ2 mm、長(zhǎng)度為7 mm的金屬夾渣試塊。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)建立及標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)采用商用超聲檢測(cè)儀器CTS-1010，該儀器輕巧便攜、操作方便，且符合TSG R0004—2009和歐盟EN12668-1—2000標(biāo)準(zhǔn)要求。由于PE材料是一種高衰減材料，選用的檢測(cè)頻率和波型對(duì)檢測(cè)結(jié)果有很大影響，為了獲得更好的穿透力，根據(jù)現(xiàn)有條件選用了2 MHz縱波進(jìn)行檢測(cè)。

測(cè)試前首先進(jìn)行了衰減系數(shù)和聲速的測(cè)量。用2C20N型超聲直探頭在PE管上檢測(cè)測(cè)試，通過(guò)多次底波和不同位置處的測(cè)量，計(jì)算出PE材料縱波聲速約為2 377.2 m/s，衰減系數(shù)約為0.633 dB/mm。由于材料的衰減系數(shù)較大，所以實(shí)驗(yàn)都是采用一次波檢測(cè)[11-12]。

圖2 超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面?zhèn)鞑ナ疽鈭D

圖3 PE管熱熔焊接接頭含缺陷試樣

PE管焊接接頭焊縫存在余高，需要采用傾斜入射的方式檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖如圖4所示?？紤]到橫波在PE材料中的衰減非常大，而常規(guī)橫波斜探頭楔塊材料為有機(jī)玻璃，其聲速約為2 700 m/s，與PE材料聲速相近，所以如果采用常規(guī)橫波斜探頭檢測(cè)，在PE管中不僅會(huì)有橫波產(chǎn)生，也會(huì)產(chǎn)生縱波入射，而橫波衰減非常大，基本不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中折射縱波檢測(cè)結(jié)果，后面實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)選用了2P13×13K2.5的常規(guī)鋼材檢測(cè)探頭，該探頭在鋼中的折射角約為68.2°，由于鋼中橫波聲速約為3 230 m/s，根據(jù)式(1)可計(jì)算出在檢測(cè)PE材料時(shí)的縱波折射角約為43.1°，K值約為0.94，而探頭的入射點(diǎn)位置保持不變，經(jīng)測(cè)量探頭前沿約為10 mm。

圖4 PE管焊接接頭傾斜測(cè)試示意圖

最后用直探頭在PE管上確定掃描速度(采用深度定標(biāo)方式)，由于2個(gè)試樣壁厚和外徑都不同，耦合上存在差異，而且根據(jù)式(3)計(jì)算出超聲波近場(chǎng)區(qū)約為36 mm，根據(jù)超聲波傳播路徑，可以判斷一次波應(yīng)該還在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，目前還沒(méi)有用于檢測(cè)的對(duì)比試塊，所以本次研究只研究了超聲檢測(cè)的靈敏度和缺陷定位精度，而沒(méi)有做缺陷定量方面的研究。

(3)

3.3 測(cè)試結(jié)果及分析

按照?qǐng)D4方法對(duì)制備的PE試樣進(jìn)行超聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)無(wú)缺陷處和有缺陷處的檢測(cè)信號(hào)對(duì)比，確定超聲檢測(cè)對(duì)PE管焊接接頭缺陷的有效性，平底孔試樣的測(cè)試結(jié)果如圖5所示，夾渣試樣的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論是平底孔還是夾渣，都有明顯的反射信號(hào)，而且底波都衰減很大，只是在反射特性上，平底孔反射更為尖銳，而由于夾渣表面不平整且有一定長(zhǎng)度，反射信號(hào)出現(xiàn)多個(gè)波峰，寬度加寬。表1中列出了兩種缺陷定位結(jié)果以及誤差，表中數(shù)據(jù)為3次測(cè)量結(jié)果的平均值，通過(guò)折射角和探頭前沿距離可以計(jì)算出缺陷距離探頭前端的距離都在焊縫區(qū)域內(nèi)。

表1 試樣超聲檢測(cè)結(jié)果及誤差

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,兩類缺陷都能夠有明顯反射信號(hào)，說(shuō)明超聲檢測(cè)方法對(duì)PE管焊接接頭檢測(cè)是有效的。但是檢測(cè)存在一定誤差，一方面可能是由于缺陷加工本身存在一定誤差，特別是夾渣，是在焊接前放置在焊縫中，經(jīng)過(guò)焊接加工可能出現(xiàn)一些位置偏差；另外一方面，可能是人為檢測(cè)定標(biāo)和測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的誤差，但是對(duì)于宏觀缺陷的無(wú)損檢測(cè)，這個(gè)誤差還是可以接受的。

圖5 平底孔試樣檢測(cè)波形圖

圖6 夾渣試樣檢測(cè)波形圖

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)超聲脈沖反射法原理和超聲傾斜入射角度分析，根據(jù)PE管焊接接頭結(jié)構(gòu)和材料中超聲傳播特點(diǎn)，選用2 MHz縱波斜入射方式對(duì)試樣進(jìn)行超聲檢測(cè)，衰減系數(shù)約為0.633 dB/mm，實(shí)際K值約為0.94。

2)通過(guò)常規(guī)超聲斜探頭分別對(duì)含平底孔和夾渣缺陷的PE管熱熔焊縫試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明超聲檢測(cè)方法可以有效對(duì)缺陷定位，定位誤差約為1～2 mm，能夠滿足工程檢測(cè)定位要求。

3)由于超聲波近場(chǎng)區(qū)較大，且仍沒(méi)有相應(yīng)對(duì)比試塊，所以對(duì)于缺陷的定量還很難實(shí)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)PE管熱熔焊縫檢測(cè)工程化應(yīng)用還需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)對(duì)比試塊，實(shí)現(xiàn)缺陷準(zhǔn)確定量的方法。

[1] 姜振世,孫東喜,徐彥豐. 聚乙烯壓力管道的質(zhì)量控制[J]. 燃?xì)饧夹g(shù),2005(5):19-21.

[2] Lai H S, Tun N N, Kil S H, et al. Effect of defects on the burst failure of butt fusion welded polyethylene pipes[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2016,30(5):1973-1981.

[3] Crawford S L, Doctor S R, Cinson A D, et al. Preliminary assessment of NDE methods on inspection of HDPE butt fusion piping joints for lack of fusion HDPE[C]. Proceedings of The ASME Pressure Vessels And Piping Conference,2010:219-224.

[4] 徐家怡,王麗. 聚乙烯管道焊接接頭的超聲波檢測(cè)[J]. 煤氣與熱力,2011,31(12):29-31.

[5] 龍盛蓉,于潤(rùn)橋,馬娟. PE 管對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)信號(hào)特征量提取與分析[J]. 無(wú)損檢測(cè),2009,31(6):442-444.

[6] 董瑞琴,李澤,何喜. 發(fā)動(dòng)機(jī)盤、環(huán)件超聲波C-掃描檢測(cè)中的底波監(jiān)控方法[J]. 無(wú)損檢測(cè),2014,36(3):55-57.

[7] 張維國(guó),張利君,喬日東,等. 不同壓力下機(jī)械結(jié)合面對(duì)超聲波反射信號(hào)的影響[J]. 無(wú)損檢測(cè),2011,33(5):51-53.

[8] 孫鳳梅,許永昌,夏奇,等. SDS-6500R高頻超聲C掃描水浸探傷技術(shù)及應(yīng)用[J]. 無(wú)損檢測(cè),2011,33(7):60-62.

[9] 陳娥,謝曉慧. ROT250超聲波探傷機(jī)檢測(cè)鋼管缺陷圖形分析[J]. 包鋼科技,2009,35(增):26-29.

[10] 胡婷萍. 大厚度電子束焊縫的超聲檢測(cè)及缺陷散射信號(hào)的研究[D]. 南昌:南昌航空大學(xué),2010:1-20.

[11] 富陽(yáng). 聚乙烯(PE)管縱波單斜探頭超聲波檢測(cè)[J]. 中國(guó)特種設(shè)備安全,2011,27(9):24-27.

[12] 梁永麟. 基于小波分析的超聲檢測(cè)信號(hào)處理研究[D]. 廣州:華南理工大學(xué),2012:1-16.

Research on Ultrasonic Testing Method for PE Pipe Hot Melt Butt Weld Seam

WANG Hai-tao1，WU Qiong2，KANG Zheng-liang3，XU Kai-hui3，LONG Sheng-rong2，LI Qiu-feng2

(1.JiangxiConstructionEngineeringtheSecondConstructionCo.,Ltd.,Nanchang330001,China;2.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;3.Group94829ofPLA,Nanchang330201,China)

PE pipe as the gas transportation pipeline has been more and more widely used, but the internal quality of PE pipe heat of fusion welded butt joints still did not find reliable NDT methods. Ultrasonic detection method to detect the welding joint is presented, the first the principle of ultrasonic detection is analyzed, and then PE pipe welded joint specimens with the defects are designed and prepared, and through the establishment of experimental system, testing parameters are selected and calibrated, 2 MHz longitudinal wave is selected to detect the specimens, the attenuation coefficient is about 0.633 dB/mm, the actualKvalue is about 0.94, test results show that great detection sensitivity can be achieved by adopting ultrasonic longitudinal wave tilt incident joint internal defect of the welding, and defect position can be obtained, the error is about 1～2 mm, which can meet the engineering needs, but the quantification of defects also need to do further research.

PE pipe; ultrasonic testing; butt weld seam

2016年6月1日

2016年7月28日

國(guó)家自然科學(xué)基金(11264032)；國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013zjjz180)；航空科學(xué)基金(2014ZD56007)。

王海濤(1986年-)，男，碩士研究生，主要從事建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、管道質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面的研究。

TB52

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.001

1673-6214(2016)04-0203-05