王少軍，裘愛(ài)東，宋 盼，任 彬,黃弈昶

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062；2.中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司 華東分公司，上海 200335)

埋地聚乙烯管道熱熔接頭的超聲相控陣檢測(cè)

王少軍1，裘愛(ài)東2，宋 盼1，任 彬1,黃弈昶1

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062；2.中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司 華東分公司，上海 200335)

在分析聚乙烯管道熱熔接頭常規(guī)超聲檢測(cè)工藝的基礎(chǔ)上，提出了超聲相控陣動(dòng)態(tài)聚焦和S掃查成像技術(shù)，對(duì)聚乙烯管道熱熔接頭進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性，并對(duì)在役埋地聚乙烯管道熱熔接頭進(jìn)行了工程檢測(cè)驗(yàn)證，為超聲相控陣技術(shù)在埋地聚乙烯管道檢測(cè)中的推廣應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。

聚乙烯管道；熱熔接頭；超聲相控陣

聚乙烯管道具有使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行能耗和維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，正逐步取代鋼管而被廣泛用于城市埋地管網(wǎng)建設(shè)等工程領(lǐng)域，其質(zhì)量安全及可靠性也越來(lái)越受到人們的重視。其中，焊接接頭是聚乙烯管道系統(tǒng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)[1]。對(duì)聚乙烯管道常見(jiàn)熱熔接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)是提高管道系統(tǒng)可靠性的重要措施。目前，熱熔接頭無(wú)損檢測(cè)方法主要有紅外熱成像、X射線檢測(cè)技術(shù)和超聲波檢測(cè)技術(shù)等[2]。紅外熱成像、X射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)埋藏缺陷和面狀缺陷檢測(cè)靈敏度較低[3]；由于聚乙烯材料的聲學(xué)特性以及聚乙烯管道熱熔接頭的結(jié)構(gòu)形狀，其在常規(guī)的超聲檢測(cè)時(shí)聲波散射嚴(yán)重，還會(huì)產(chǎn)生輪廓回波等，會(huì)對(duì)超聲檢測(cè)產(chǎn)生干擾。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置和尺寸的動(dòng)態(tài)可調(diào)，可以保證在整個(gè)聲程范圍內(nèi)獲得較為一致的檢測(cè)分辨力，并提高檢測(cè)速度[4]；超聲相控陣掃查圖形以B、D、S視圖等多種形式呈現(xiàn)，顯示更直觀，給實(shí)際檢測(cè)提供了極大的便利。

推廣超聲相控陣技術(shù)在埋地聚乙烯熱熔接頭檢測(cè)中的應(yīng)用具有重大意義，但國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范形成。筆者在分析常規(guī)超聲檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，采用超聲相控陣動(dòng)態(tài)聚焦和S掃成像技術(shù)，使檢測(cè)靈敏度和缺陷分辨率更高、檢測(cè)圖像更加清晰、檢測(cè)速度更快，從而最大限度地克服了聚乙烯材料衰減大及接頭結(jié)構(gòu)形狀等因素的干擾。

1 聚乙烯管道熱熔接頭缺陷及常規(guī)檢測(cè)方法

1.1 聚乙烯管道熱熔接頭缺陷類型

聚乙烯管道熱熔焊接過(guò)程中，由于焊接工藝、人員操作、環(huán)境等因素的影響，焊接接頭容易產(chǎn)生各種缺陷。常見(jiàn)的缺陷有裂紋、孔洞、熔合面夾雜、未熔合(冷焊)等4類，圖1為常見(jiàn)的聚乙烯管道熱熔接頭常見(jiàn)缺陷，其中，裂紋、熔合面夾雜、未熔合(冷焊)等面積型缺陷是在役檢測(cè)中的重點(diǎn)。

圖1 聚乙烯管道熱熔接頭常見(jiàn)缺陷

1.2 常規(guī)超聲檢測(cè)方法及其局限性

熱熔接頭的質(zhì)量檢測(cè)主要有破壞性試驗(yàn)及目視檢測(cè)。破壞性試驗(yàn)是一種抽檢性質(zhì)的檢測(cè)方法，無(wú)法在工地上應(yīng)用；目視檢測(cè)不能直接觀察到接頭內(nèi)部的狀況，檢測(cè)可靠性也急需提高。目前，熱熔接頭無(wú)損檢測(cè)方法主要有紅外熱成像、X射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)方法等。非超聲檢測(cè)方法對(duì)埋藏缺陷和面狀缺陷的檢測(cè)靈敏度較低，而超聲檢測(cè)方法又有如下的局限性：

(1) 聚乙烯材料具有明顯高分子特征，聲阻抗、聲波衰減系數(shù)和聲波散射等比金屬材料嚴(yán)重。經(jīng)測(cè)試，聚乙烯材料和金屬材料的聲學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

(2) 聚乙烯管道熱熔接頭內(nèi)外表面卷邊等焊接特性會(huì)產(chǎn)生輪廓回波。因此，超聲相控陣動(dòng)態(tài)聚焦和S掃成像技術(shù)，適用于在役埋地聚乙烯熱熔接頭的檢測(cè)。

表1 聚乙烯材料和金屬材料的聲學(xué)參數(shù)

2 超聲相控陣檢測(cè)及結(jié)果分析

2.1 檢測(cè)試塊

聚乙烯試塊用于相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的定位精度測(cè)試和ACG修正。試塊采用與聚乙烯材料聲學(xué)特性相似的材料制成，試塊的尺寸見(jiàn)圖2，試塊的表面粗糙度和聚乙烯管道相近，試塊的檢測(cè)面為弧面，并以檢測(cè)面的中心作R 25 mm半圓弧，半圓弧上均勻預(yù)埋35根φ1 mm金屬絲，相鄰金屬絲間距為6°。

圖2 測(cè)試試塊尺寸示意

2.2 探頭和儀器

以埋地聚乙烯PE80管為檢測(cè)對(duì)象，規(guī)格為φ160 mm×14.6 mm，選擇某便攜式超聲相控陣檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。由于聚乙烯材料的聲學(xué)特性，選用了檢測(cè)頻率為5 MHz的線陣斜探頭縱波檢測(cè)，探頭型號(hào)為E5L40L，掃查深度為13.2 mm，檢測(cè)靈敏度為直徑φ1 mm的孔。

圖3 聲波反射和折射定律

2.3 耦合劑

超聲檢測(cè)中，耦合劑是用來(lái)實(shí)現(xiàn)探頭與被檢材料之間聲能傳遞的。超聲耦合越好，聲強(qiáng)透射率越高。因此，根據(jù)聲波反射和折射定律(見(jiàn)圖3)，耦合劑的聲速與被檢材料相近，耦合劑與被檢材料界面產(chǎn)生的反射聲能損失減少，大部分聲能可透射到被檢材料中，提高了檢測(cè)靈敏度；聚焦聲束在界面不產(chǎn)生折射，聲束能夠在原焦點(diǎn)位置聚焦。由表1可知，聚乙烯材料的聲阻抗與金屬材料有很大的差異，因此在金屬材料中使用的耦合劑不適用于聚乙烯材料的檢測(cè)，筆者配置了一種特制的耦合劑，其聲學(xué)特性接近于聚乙烯材料，從而提高了檢測(cè)靈敏度。

2.4 檢測(cè)結(jié)果及分析

檢測(cè)試樣實(shí)物如圖4所示，檢測(cè)方法示意如圖5所示。

采用S掃描實(shí)時(shí)成像技術(shù)，得到無(wú)缺陷與典型缺陷聚乙烯熱熔接頭檢測(cè)成像結(jié)果，如圖6所示。

在圖6中，分別得到4種典型熱熔接頭成像結(jié)果，結(jié)合破壞性試驗(yàn)解剖驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。從圖6(a)可知，無(wú)缺陷焊接熱熔接頭超聲圖像清晰地顯示出內(nèi)外表面信號(hào)，在內(nèi)外表面顯示的信號(hào)之間，除設(shè)備本身的干擾信號(hào)外，無(wú)明顯的其他信號(hào)顯示；由圖6(b)可知，未熔合缺陷出現(xiàn)在熔合面上，通常貫穿型的顯示在 內(nèi)外表面信號(hào)之間；由圖6(c)可知，熔合面夾雜缺陷在熔合線上，在內(nèi)外表面顯示的信號(hào)之間，有明顯的單個(gè)信號(hào)顯示；由圖6(d)可知，孔洞缺陷圖像較為清晰，在內(nèi)外表面顯示的信號(hào)之間，有明顯的信號(hào)顯示。

圖4 檢測(cè)試樣實(shí)物

圖5 檢測(cè)方法示意

圖6 無(wú)缺陷與典型缺陷聚乙烯熱熔接頭檢測(cè)成像結(jié)果

圖7 在役埋地聚乙烯熱熔接頭成像結(jié)果由圖7可知，其成像圖和無(wú)缺陷熱熔接頭圖譜一致；其中對(duì)r1和r2接頭進(jìn)行截?cái)?，?jīng)解剖驗(yàn)證結(jié)果和實(shí)際情況基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 超聲相控陣檢測(cè)成像方法的結(jié)果顯示可視化，可通過(guò)成像圖譜快速、準(zhǔn)確地判斷缺陷，給實(shí)際檢測(cè)提供了極大的便利。

(2) 采用超聲相控陣動(dòng)態(tài)聚焦和S掃成像技術(shù)，得到埋地聚乙烯管道熱熔接頭典型缺陷掃查圖。結(jié)果表明：該方法對(duì)聚乙烯管道熱熔接頭各類缺陷均有較好的檢出能力，通過(guò)工程驗(yàn)證，證明該方法在埋地聚乙烯管道工程檢測(cè)中是可行的。

[1] 孫永慶.我國(guó)燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估現(xiàn)狀、差距及對(duì)策[J].工程建設(shè)，2014,24(5):113-115.

[2] 郭偉燦.聚乙烯管道熱熔接頭超聲檢測(cè)技術(shù)研究及設(shè)備研制[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[3] 丁守寶，劉富君.無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社,2002.

[4] 李衍.鋼焊縫相控陣超聲波檢測(cè)新技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),2002,24(3):61-65.

3 工程應(yīng)用

在役埋地聚乙烯管道的全面檢驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)規(guī)格為φ160 mm×14.6 mm的聚乙烯PE80管的熱熔接頭進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)，實(shí)施檢測(cè)的過(guò)程也采用上述檢測(cè)方案，得到的扇掃成像結(jié)果如圖7所示。

The Ultrasonic Phased Array Testing of Buried Polyethylene Pipeline Butt Fusion Joint

WANG Shaojun1, QIU Aidong2, SONG Pan1, REN Bin1, HUANG Yichang1

(1.Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research, Shanghai 200062, China;2.East China Branch, China Aviation Oil Co., Ltd., Shanghai 200335, China)

Based on the analysis of traditional ultrasonic testing for polyethylene butt fusion joint ,this paper comes up with an ultrasonic phased array dynamic focusing and S-scan imaging technology to make testing experiment for polyethylene butt fusion joint. Results of the phased array ultrasonic testing of cracks in polyethylene butt fusion joints show that the testing method is feasible and its effectiveness is also subjected to engineering verification by in-site inspection of the buried polyethylene butt fusion joints. This research would provide experience to the application of phased array ultrasonic testing for polyethylene butt fusion joints.

polyethylene pipeline; butt fusion joint; ultrasonic phased array

2016-07-22

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研資助項(xiàng)目(2014-46)

王少軍(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事壓力管道檢驗(yàn)檢測(cè)及研究工作

王少軍， 254309308@qq.com

10.11973/wsjc201705005

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0021-03