張世瑋，侯懷書，李宇翔，陳朝雷，2，余曉東

[1.上海應用技術(shù)大學，上海物理氣相沉積(PVD)超硬涂層及裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201418；2.上海理工大學，能源與動力工程學院，上海 200093； 3.榆林市特種設(shè)備檢驗檢測院，陜西榆林 719000]

聚乙烯是一種熱塑性高分子材料，其化學性質(zhì)穩(wěn)定、易加工成型，已成為生產(chǎn)、生活等領(lǐng)域的重要材料，由于聚乙烯管材具有力學性能優(yōu)異、輕質(zhì)、耐磨等優(yōu)良特性，在輸水管和燃氣管等諸多場合已逐步取代鋼管[1–2]。然而，聚乙烯管材在使用過程中由于溫度、光照、氧氣、水分等外界環(huán)境的影響會發(fā)生不同程度的老化，導致管道力學性能逐漸變差，嚴重影響聚乙烯管道的使用壽命。

目前，試樣分析法和無損檢測法是評估材料損傷的兩種主要方式。試樣分析法是指從被檢測構(gòu)件上截取部分材料，進行微觀結(jié)構(gòu)、力學性能等分析，從而評估材料的損傷狀態(tài)。無損檢測法是指利用超聲、射線等技術(shù)實現(xiàn)對材料缺陷、損傷狀態(tài)的檢測評估。然而，傳統(tǒng)的無損檢測方法只能檢測材料中的宏觀缺陷，如裂紋、夾雜、氣孔等，對于材料早期損傷階段形成的組織結(jié)構(gòu)變化并不敏感[3]。研究表明，非線性超聲能夠克服傳統(tǒng)無損檢測方法的不足，有效表征材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，可用于材料早期性能退化的檢測[4]。目前，國內(nèi)普遍缺乏有效的聚乙烯管道老化無損評估技術(shù)。因此，基于超聲檢測技術(shù)對聚乙烯管道老化程度的研究就顯得極為迫切。

筆者以PE80 管材為研究對象，通過不同熱老化狀態(tài)聚乙烯管材的沖擊強度試驗，分析熱老化后聚乙烯材料的力學性能；基于超聲波與聚乙烯材料相互作用產(chǎn)生的非線性響應，建立超聲非線性系數(shù)與材料沖擊強度的變化關(guān)系。形成非線性超聲表征聚乙烯管道老化程度的方法，將為聚乙烯管道的安全穩(wěn)定運行提供可靠保障。

1 非線性超聲檢測技術(shù)

1.1 非線性超聲檢測原理

非線性超聲檢測利用聲波與材料相互作用產(chǎn)生的非線性響應進行材料性能的表征。研究表明，聚乙烯熱老化后的組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大變化，且對超聲非線性響應有顯著影響[5]。

材料的非線性聲學響應程度一般采用有限幅度法進行評估，采用某一頻率的超聲波與材料相互作用，接收到的信號在頻域中會出現(xiàn)高次諧波，利用基波幅值與高次諧波幅值的相對變化量即可反映超聲非線性響應的程度[6]。

1.2 非線性波動方程的解

有機材料發(fā)生熱老化損傷時，其微觀組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化，聲波在介質(zhì)中傳播時質(zhì)點振動不再滿足線彈性關(guān)系。M.A.Breazeale 等[7]建立了固體介質(zhì)中的一維縱波方程，用來描述固體中非線性超聲波的形成，一般情況下，若考慮三階精度，固體介質(zhì)非線性應力應變關(guān)系可描述如下[8]：

式中：σ——材料的應力；

E——材料的拉伸彈性模量；

ε——應變；

β——非線性系數(shù)。

由公式(1)可知，質(zhì)點在X 方向上的運動方程為：

式中：ρ——密度；

x——傳播距離；

u——沿X 方向上的位移；

t——傳播時間。

假設(shè)聲波沿X 軸進入固體介質(zhì)，結(jié)合公式(1)，可得到縱波的波動方程為：

進入固體介質(zhì)的超聲波為u=A1sinωt （其中，A1為基波幅值，ω 是角速度)，結(jié)合式(2)、式(3)，采用近似迭代法可以得到固體介質(zhì)中超聲波的表達式：

式中：k——波數(shù)，根據(jù)公式(4)可以看出，二次諧波幅值A(chǔ)2為：

對式(5)進行變換可以得到超聲二階非線性參量。

根據(jù)式(6)可實現(xiàn)對超聲二階非線性系數(shù)的計算。二階非線性系數(shù)β 表示超聲波穿過材料時接收信號基波幅值與二次諧波幅值的相對變化量，反映了波形畸變程度，可作為描述材料超聲非線性的量化指標，實現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)變化有效檢測[9]。通常情況下，用相對二階非線性系數(shù)β′代替二階非線性系數(shù)β 表征材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，如式(7)所示。

2 原材料與儀器設(shè)備

2.1 原材料

PE80 級別聚乙烯管材：密度為0.95 g／cm3，上海海驕機電工程有限公司。

2.2 儀器及設(shè)備

高低溫試驗箱：GDW–100 型，中科美其科技有限公司；

擺錘沖擊試驗機：XJBCX 型，上海湘杰儀器儀表科技有限公司；

超聲換能器:頻率1.5 MHz，奧林巴斯(中國)有限公司；

超聲信號發(fā)射接收儀：5072PR 型，奧林巴斯(中國)有限公司；

高速A／D 采集卡：PCI-5114 型，美國國家儀器有限公司。

3 聚乙烯管材力學性能

3.1 管材老化試樣的制備

試驗材料為外徑110 mm、壁厚10.7 mm 的PE80 級別聚乙烯管材。根據(jù)GB／T 7141–2008，制作聚乙烯熱老化試樣。試樣1 不做熱處理(作為未老化試樣)，進行熱老化處理的試樣均在高低溫試驗箱中進行，設(shè)定加熱溫度為80℃，制備加熱時長分別為60，120，180，240，300 h，記為試樣2～試樣6。

3.2 沖擊強度試驗

材料的沖擊強度表示在規(guī)定試樣下的抗沖擊能力，是衡量材料力學性能的重要參數(shù)。聚乙烯作為高分子材料，其老化的各個階段會導致材料強度的不同，因此對聚乙烯管材在老化過程中的沖擊強度進行試驗分析。根據(jù)GB／T1043.1–2008，在管材上截取制作多個缺口沖擊試樣(長×寬×高=80 mm×4 mm×10 mm)，缺口處的深度為2 mm。

缺口沖擊強度通常定義為規(guī)定試樣受沖擊載荷而折斷時單位面積所吸收的能量。根據(jù)公式(8)即可計算出不同熱老化試樣的缺口沖擊強度[10]，結(jié)果見表1。

式中：γ——計算得到的沖擊強度；

A——消耗的能量；

b——試樣的寬度尺寸；

d——缺口剩余厚度。

由表1 可知，與未老化的聚乙烯管材相比，經(jīng)高低溫試驗箱老化后聚乙烯管材的力學性能發(fā)生顯著變化，缺口沖擊強度明顯減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是聚乙烯經(jīng)加熱老化后，發(fā)生降解反應使其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，因此聚乙烯的缺口沖擊強度隨熱老化時間的增加逐漸下降。

圖1 聚乙烯管材檢測裝置圖

表1 不同熱老化試樣的缺口沖擊強度

4 檢測裝置及信號采集

4.1 超聲檢測裝置的搭建

為獲取聚乙烯管材的超聲脈沖信號，搭建圖1所示超聲檢測裝置。所需的硬件資源包括PC 機，超聲換能器(中心頻率為1.5 MHz)，超聲信號發(fā)射接收儀，高速A／D 采集卡等[2]。

4.2 超聲脈沖信號采集

利用圖1 所示的超聲檢測裝置，設(shè)置A／D 高速采集卡的采樣頻率為50 MHz，并適當調(diào)節(jié)信號發(fā)射接收儀的檢測參數(shù)。在相同的檢測參數(shù)下得到不同熱老化試樣的超聲脈沖信號，如圖2 所示。

圖2 不同熱老化試樣的超聲脈沖信號

5 聚乙烯老化程度的超聲非線性表征

聚乙烯的熱老化過程包含了一系列復雜的物理和化學變化，老化導致的材料組織結(jié)構(gòu)變化與缺口沖擊強度等力學性能存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。此外，利用非線性超聲檢測技術(shù)對聚乙烯管材熱老化的研究，就是要獲得材料老化后組織結(jié)構(gòu)變化引起的非線性聲學響應[11]。由此可建立超聲非線性特征參數(shù)與材料力學性能之間的變化關(guān)系。

5.1 加熱時長對基波和二次諧波幅值的影響

使用Matlab 對圖2 所示不同熱老化時間的超聲脈沖信號(一次回波)作快速傅里葉變換，得到信號幅值隨頻率的變化曲線，提取信號的基波幅值和二次諧波幅值，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2 所示。

由表2 可以看出，聚乙烯管材的老化對信號頻譜的基波幅值和二次諧波幅值均有影響，隨著熱老化時間增加，基波和二次諧波幅值逐漸增大。

表2 不同熱老化試樣基波和二次諧波幅值

5.2 老化時間對超聲非線性系數(shù)的影響

通常情況下，采用超聲二階非線性系數(shù)β 作為描述超聲非線性響應的量化指標，以實現(xiàn)對材料性能的檢測和評價。由于聚乙烯試樣在加熱老化前后的厚度基本沒有變化，所以可對式(6)定義的超聲非線性系數(shù)進行簡化，不考慮聲波傳播距離x 對非線性響應的影響，采用相對二階非線性系數(shù)β′代替二階非線性系數(shù)β 對聚乙烯管材的老化程度進行評價，圖3 即為相對二階非線性系數(shù)隨管材熱老化時間的變化關(guān)系。

圖3 超聲非線性系數(shù)隨熱老化時間的變化關(guān)系

由圖3 可知，聚乙烯管材的超聲非線性響應與其老化時間密切相關(guān)：隨著老熱化時間的增加，相對非線性系數(shù)逐漸增大。因此，非線性系數(shù)可用于表征聚乙烯管材的老化程度。產(chǎn)生該變化的原因可以解釋為：隨著聚乙烯管材熱老化時間的增加，產(chǎn)生的熱降解反應使聚乙烯的結(jié)晶度變高，導致二次諧波幅值顯著增加，相對非線性系數(shù)逐漸增大。

5.3 超聲非線性系數(shù)與缺口沖擊強度的關(guān)系

固體力學的研究表明：材料的力學性能與其微觀組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。超聲學研究也表明：超聲波在固體材料中傳播時，聲波與材料組織結(jié)構(gòu)存在顯著的相互作用和影響[12–13]。通過材料微觀組織結(jié)構(gòu)可以將超聲波特性與材料的力學性能聯(lián)系起來，為材料性能退化的非線性超聲檢測技術(shù)奠定基礎(chǔ)。根據(jù)以上的試驗數(shù)據(jù)，可建立超聲非線性系數(shù)與材料性能退化參數(shù)之間的定量關(guān)系。

聚乙烯管材缺口沖擊強度的測量需在管材上截取缺口沖擊試樣，是一種破壞性試驗，影響管材的正常使用。由以上試驗結(jié)果可知，管材的缺口沖擊強度與超聲非線性系數(shù)存在內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，建立管材缺口沖擊強度與超聲非線性系數(shù)的變化關(guān)系，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 缺口沖擊強度隨超聲非線性系數(shù)的變化關(guān)系

由圖4 可以看出，管材的缺口沖擊強度隨超聲非線性系數(shù)的增加逐漸減小。并結(jié)合圖3 結(jié)論可知，隨著聚乙烯熱老化時間的增加，相對非線性系數(shù)增大，管材的力學性能下降。

由于缺口沖擊強度試驗對管材的破壞性，同時鑒于聚乙烯管材的缺口沖擊強度與超聲非線性系數(shù)之間存在圖4 所示的變化關(guān)系。以未老化管材的相對超聲非線性系數(shù)(0.69×10–3V–1)和缺口沖擊強度(15.42 kJ／m2)作為基準，對未知老化程度的聚乙烯管材作超聲檢測并計算超聲非線性系數(shù)，由相對非線性系數(shù)表征聚乙烯材料的缺口沖擊強度，即可評估聚乙烯管材的老化程度。

6 結(jié)論

對不同熱老化時間的聚乙烯管材進行了沖擊強度試驗，并基于超聲檢測技術(shù)分析了超聲信號的非線性特征，經(jīng)分析熱老化時間、缺口沖擊強度和非線性特征三者間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)超聲波與聚乙烯相互作用產(chǎn)生的非線性響應與其組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。隨著聚乙烯熱老化時間的增加，超聲非線性系數(shù)逐漸增大，表明非線性超聲對聚乙烯熱老化后的組織結(jié)構(gòu)變化具有較好的敏感性。

(2)當相對二階非線性系數(shù)大于0.69×10–3V–1時，管材的缺口沖擊強度小于15.42 kJ／m2，可認為該管材已發(fā)生熱老化現(xiàn)象；聚乙烯管材的缺口沖擊強度隨超聲非線性系數(shù)的增加逐漸減小，建立的變化關(guān)系能夠用于聚乙烯管材熱老化程度的無損評估。