楊宇清 蔚道祥

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 （上海 200062）

近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，聚乙烯管道得到了大力的推廣和使用。聚乙烯材質(zhì)具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、可熔焊等特點(diǎn)，正逐步取代鋼管而被廣泛應(yīng)用于城市埋地管網(wǎng)建設(shè)等工程領(lǐng)域[1]，隨著聚乙烯管道服役時(shí)間增加，會(huì)出現(xiàn)管道老化等情況，其質(zhì)量安全及可靠性越來(lái)越受到重視。聚乙烯管道主要有熱熔焊和電熔焊兩種連接方式[2]，其中電熔焊自動(dòng)化程度較高、操作工藝簡(jiǎn)單，焊接不同管徑管道時(shí)只需要改變相關(guān)工藝參數(shù)。對(duì)于小管徑管道，采用電熔焊接方式質(zhì)量可靠且比較經(jīng)濟(jì)。但受人為因素、焊接工藝等影響，焊接過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷，導(dǎo)致焊接接頭成為聚乙烯管道最薄弱部位，給管道安全運(yùn)行帶來(lái)很大隱患。

目前，針對(duì)電容焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)手段主要有目視檢測(cè)、破壞性試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)和常規(guī)超聲檢測(cè)等[3-4]。目視檢測(cè)只能觀察被檢工件外表面缺陷，無(wú)法直接觀察焊接接頭內(nèi)部情況，檢測(cè)可靠性無(wú)法得到有效保證。破壞性試驗(yàn)是一種抽查性質(zhì)的檢測(cè)方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)。壓力試驗(yàn)是在聚乙烯管道焊接完成后施加一定的氣壓或水壓并保持一段時(shí)間，根據(jù)壓降和有無(wú)泄漏情況來(lái)評(píng)價(jià)焊接接頭的質(zhì)量；該方法只能檢測(cè)出較大焊接缺陷和貫穿性缺陷，對(duì)于尺寸較小的焊接性缺陷很難檢出[5-6]。由于聚乙烯材料聲速較低、衰減較大，常規(guī)超聲檢測(cè)散射較為嚴(yán)重且焊接接頭內(nèi)部金屬絲對(duì)檢測(cè)干擾較大，利用常規(guī)超聲檢測(cè)手段很難有效檢出電熔接頭中各類(lèi)缺陷。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)：能在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)尺寸和位置的動(dòng)態(tài)可調(diào)，可以保證在整個(gè)聲程范圍內(nèi)具有相同的檢測(cè)分辨率；具有B，C，D，S等多種視圖，能夠直觀顯示缺陷，有助于實(shí)際檢測(cè)。同時(shí)，超聲相控陣技術(shù)相當(dāng)于利用多個(gè)聚焦探頭使聲波具有足夠的反射能量[7]。本研究利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)含缺陷的聚乙烯電容焊接接頭進(jìn)行試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與焊接接頭解剖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者基本吻合，說(shuō)明超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有較高靈敏度和檢測(cè)精度。

1 檢測(cè)原理

超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)包括發(fā)射和接收兩部分，圖1為超聲相控陣聲波的發(fā)射和接收原理圖。通過(guò)控制換能器中各個(gè)陣元相位，可得到容易控制的合成波束，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦和檢測(cè)成像等功能，同時(shí)能夠提高分別率、信噪比和檢測(cè)靈敏度。換能器由多個(gè)相互獨(dú)立陣元構(gòu)成，根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理可知，當(dāng)對(duì)各個(gè)陣元施加相同頻率的脈沖激勵(lì)信號(hào)時(shí)，發(fā)出的聲波在空間中會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的聲場(chǎng)，按照設(shè)計(jì)好的聚焦法則對(duì)換能器進(jìn)行激發(fā)，將會(huì)形成具有聚焦特性的聲場(chǎng)，改變聚焦法則可實(shí)現(xiàn)不同位置的聚焦，實(shí)現(xiàn)掃查功能[8]。接收傳感器遵循同樣的聚焦法則，由于換能器中超聲波按照一定延遲時(shí)間發(fā)射，在換能器接收信號(hào)時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定時(shí)間補(bǔ)償，使接收信號(hào)達(dá)到相位一致。由于換能器發(fā)出一系列相干波，接收波也是一系列相干波，相位相同的相干波疊加可增加波幅，從而實(shí)現(xiàn)聚焦作用。對(duì)非相干波，頻率不同或者相位不同，波束合成都會(huì)使波幅降低，甚至消失[9]。

圖1 超聲相控陣聲波的發(fā)射和接收

如圖2所示，試驗(yàn)使用的傳感器共128個(gè)陣元，以相鄰的16陣元為一組，如第1個(gè)陣元到第16個(gè)陣元為一組，通過(guò)設(shè)置1～16通道不同的延遲時(shí)間實(shí)現(xiàn)（1）位置的聚焦，采用相同方法可依次實(shí)現(xiàn)2～17，3～18，……，113～128 各陣元在（2）、（3）、……、（113）等位置的密排聚焦，記憶各聚焦點(diǎn)的反射波幅和位置信息，形成B掃查圖像。

圖2 電子線(xiàn)掃查原理圖

2 檢測(cè)試塊及設(shè)備

2.1 檢測(cè)試塊

為得到較準(zhǔn)的定位結(jié)果和ACG修正，制作與聚乙烯材質(zhì)聲學(xué)特性相似的試塊，試塊尺寸如圖3所示。試塊和聚乙烯管道表面粗糙度基本相同，試塊表面具有一定弧度，以待檢面中心作半徑25 mm的半圓弧，在半圓弧面上均勻預(yù)制35根直徑為1 mm的金屬絲，金屬絲間距為6°。

2.2 缺陷試塊

聚乙烯管道在焊接過(guò)程中，受焊接工藝、環(huán)境等因素影響，焊接接頭容易出現(xiàn)孔洞、未熔合、夾雜及金屬絲錯(cuò)位等缺陷。在聚乙烯電容焊接接頭缺陷分類(lèi)研究的基礎(chǔ)上，加工了帶有典型缺陷聚乙烯電容焊管道試樣，管道尺寸為?160 mm×15 mm，在焊接接頭內(nèi)部加工長(zhǎng)度分別為4和3.5 mm的2個(gè)孔洞型缺陷。

圖3 測(cè)試試塊尺寸示意

2.3 檢測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)使用的超聲相控陣儀器型號(hào)為SyncScan 32PT，該儀器質(zhì)量輕、IP防護(hù)等級(jí)高、模塊數(shù)達(dá)PA32：128PR，軟件功能豐富，硬件組合檢測(cè)能力更利于超厚或高衰減材料檢測(cè)，最大一次可激發(fā)32通道。探頭型號(hào)為5.0L128-0.5-10，探頭及儀器外觀如圖4所示。在檢測(cè)過(guò)程中采用相控陣儀器的B掃描實(shí)時(shí)成像模式，此時(shí)探頭相當(dāng)于128單元的相控陣直探頭，檢測(cè)示意圖如圖5所示。

2.4 耦合劑

在常規(guī)超聲檢測(cè)過(guò)程中，被檢工件和探頭通過(guò)耦合劑來(lái)實(shí)現(xiàn)聲能傳遞。探頭和被檢工件耦合效果越好，聲強(qiáng)穿透越深。根據(jù)超聲波折射和反射定律可知，耦合劑聲速和被檢工件聲速越接近，探頭和被檢工件接觸界面聲能損失越小，聲能基本能夠通過(guò)耦合劑透射到被檢工件內(nèi)部，從而可提高檢測(cè)靈敏度，此時(shí)聚焦聲束在界面不會(huì)產(chǎn)生折射，能夠在原焦點(diǎn)進(jìn)行聚焦。金屬材料和聚乙烯材料聲速具有很大的差異，因此金屬材料檢測(cè)使用的耦合劑不適用于聚乙烯材料檢測(cè)；試驗(yàn)使用了一種特殊耦合劑，該耦合劑和聚乙烯聲速接近，可提高檢測(cè)靈敏度。

圖4 探頭及儀器外觀

圖5 檢測(cè)示意圖

3 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)中聚乙烯管材及電熔套筒皆為高密度聚乙烯材質(zhì)，共2塊試塊（編號(hào)為1#和2#），分別在試塊內(nèi)部預(yù)制自然缺陷。將超聲相控陣探頭放置于電熔套筒進(jìn)行檢測(cè)，圖6為試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，完好處金屬絲排列均勻，缺陷處金屬絲排列異常。1#試塊內(nèi)檢測(cè)出一長(zhǎng)度為3.28 mm缺陷，2#試塊內(nèi)檢測(cè)出一長(zhǎng)度為3.80 mm缺陷。檢測(cè)后對(duì)被檢試樣進(jìn)行解剖，解剖示意圖如圖7所示，在1#試塊內(nèi)發(fā)現(xiàn)一長(zhǎng)度為3.5 mm缺陷，2號(hào)試塊內(nèi)發(fā)現(xiàn)一長(zhǎng)度為4 mm缺陷。對(duì)檢測(cè)結(jié)果和解剖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，1#試塊檢測(cè)誤差為6.28%，2#試塊檢測(cè)誤差為5.0%，二者誤差都在10%之內(nèi)，說(shuō)明超聲相控陣檢測(cè)精度較高，基本能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。

圖6 檢測(cè)結(jié)果

圖7 試塊解剖圖

4 結(jié)論

制作了聚乙烯電熔對(duì)接接頭中常見(jiàn)的孔洞型缺陷試樣，利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)該試樣進(jìn)行測(cè)試，隨后進(jìn)行解剖，試驗(yàn)結(jié)果表明超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)克服了聚乙烯材料聲速衰減嚴(yán)重和因檢測(cè)面導(dǎo)致聲能損失給檢測(cè)帶來(lái)的困難，檢測(cè)結(jié)果與解剖結(jié)果基本吻合，說(shuō)明超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能夠較好地檢測(cè)出聚乙烯電熔對(duì)接接頭內(nèi)部孔洞型缺陷。