劉重陽 王勝輝 王國圈

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

塑料襯里壓力容器是一種以金屬或非金屬結(jié)構(gòu)材料為基體，采用各種工藝內(nèi)襯一層塑料層的壓力容器，其優(yōu)點(diǎn)是可以將塑料的耐腐蝕、防粘接及防結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)與基體的耐高壓、耐高強(qiáng)相結(jié)合，因此在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。用于塑料襯里的材料種類較多，主要包括聚乙烯、聚丙烯、氟塑料及聚氯乙烯等［1］。塑料襯里壓力容器常采用擠壓法、模壓法、液壓法、黏結(jié)法、焊接法、纏繞法、噴涂法及滾塑法等工藝成型［2］，不同成型工藝和不同廠家生產(chǎn)能力的差異使得產(chǎn)品質(zhì)量差異較大。

塑料分子鏈間存在可供分子運(yùn)動(dòng)的“自由體積”［3］，長(zhǎng)期使用過程中小分子介質(zhì)對(duì)塑料具有溶脹作用；塑料與金屬材料間存在顯著的膨脹系數(shù)差異［4］，這些因素均使得襯里層可能出現(xiàn)分層、氣泡以及襯里與鋼界面的脫粘甚至開裂等缺陷。在使用過程中，缺陷的不斷發(fā)展使得襯里層逐漸失效，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)腐蝕介質(zhì)滲漏，影響壓力容器的使用安全。

目前，有關(guān)塑料襯里壓力容器的制造檢驗(yàn)方法主要包括電火花、耐低溫、耐高溫、耐真空、熱脹冷縮及壓力試驗(yàn)等方法。TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中關(guān)于塑料襯里壓力容器的定期檢驗(yàn)也以宏觀檢驗(yàn)為主，而對(duì)塑料襯里內(nèi)部缺陷缺乏有效的無損檢測(cè)手段。

超聲波具有穿透能力強(qiáng)、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，在高分子材料的缺陷、老化［5］及多層結(jié)構(gòu)界面檢測(cè)［6］等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。筆者在仿真模擬的基礎(chǔ)上，以聚乙烯（PE）襯里為研究對(duì)象，研究了一種聚乙烯襯里及其與鋼界面間的常見缺陷的超聲波檢測(cè)方法。

1 CIVA仿真模擬研究

CIVA仿真軟件是一種專業(yè)的無損檢測(cè)仿真軟件，廣泛用于金屬、非金屬和復(fù)合材料的無損檢測(cè)［7］。筆者采用CIVA仿真模擬軟件超聲模塊、φ6mm的單晶帶延遲塊直探頭，以襯里層常用的材料聚乙烯為研究對(duì)象（圖1），分別對(duì)襯里層不同程度的脫粘、不同深度的分層及氣泡等缺陷進(jìn)行了模擬研究。

圖1 塑料襯里示意圖

PE的CIVA模擬參數(shù)如下：

聲速 2 250m/s

密度 0.95g/cm3

聲阻抗 0.2×106g/（cm2·s）

1.1 探頭頻率的影響

選用5.0、7.5、10.0MHz的探頭，分別對(duì)PE襯里深度為4mm（靠近復(fù)合界面）的脫粘缺陷進(jìn)行檢測(cè)研究。3種頻率探頭檢測(cè)PE中4mm深分層缺陷的回波波形如圖2所示，可以看出，探頭頻率越高，缺陷回波越容易與復(fù)合界面回波區(qū)分。因此，選用10.0MHz探頭做進(jìn)一步研究。

圖2 3種頻率探頭檢測(cè)PE中4mm深分層缺陷的回波波形

1.2 分層缺陷模擬

定義了1～4mm深、直徑分別為2、5mm的圓形分層缺陷。從PE襯里的超聲回波波形（圖3、4）可以看出，不同深度的分層缺陷均在相應(yīng)位置出現(xiàn)了明顯的缺陷回波；隨著分層缺陷深度的增加，缺陷回波波幅變化不大?？梢?，10.0MHz、φ6mm的單晶帶延遲塊直探頭對(duì)于分層缺陷具有較好的檢出效果，且信噪比較高。

圖3 φ2mm不同深度圓形分層缺陷的回波波形

1.3 界面脫粘缺陷模擬

對(duì)于界面脫粘缺陷，定義了φ20mm的圓形脫粘區(qū)域。由PE襯里的CIVA模擬結(jié)果（圖5）可以看出，當(dāng)探頭移動(dòng)到界面脫粘區(qū)域時(shí)，界面回波波幅有所提高。

圖5 PE襯里界面結(jié)合良好和有缺陷的回波波形

1.4 氣泡缺陷

由圖6可以看出，對(duì)于襯里層內(nèi)部φ3mm的氣泡缺陷，10.0MHz、φ6mm的單晶帶延遲塊直探頭對(duì)氣泡缺陷具有較好的檢出效果。

圖6 φ3mm氣泡缺陷的CIVA模擬超聲回波波形

圖4 φ5mm不同深度圓形分層缺陷的回波波形

2 人工缺陷的超聲檢測(cè)研究

針對(duì)帶有人工缺陷的試塊，選擇了與CIVA仿真模擬研究相近的10.0MHzφ5mm、延遲塊厚度13mm的單晶直探頭進(jìn)行超聲檢測(cè)研究。兩種人工缺陷的試塊示意圖如圖7、8所示。

圖7 不同深度φ2mm、φ5mm平底孔缺陷試塊示意圖

2.1 分層缺陷檢測(cè)

針對(duì)圖7所示的試塊進(jìn)行分層缺陷檢測(cè)。用不同深度的φ2mm平底孔試塊制作DAC（距離-波幅）曲線。由于1#缺陷距表面1mm，在加工時(shí)導(dǎo)致缺陷變形向表面凸起，影響檢測(cè)面的探頭耦合，因此未能檢出。檢測(cè)從2#缺陷開始：首先找到2mm深的φ2mm平底孔回波，調(diào)節(jié)增益使其波高達(dá)到80%FSH并保持增益不變，記錄缺陷信號(hào)；然后移動(dòng)探頭依次找到3、4mm深的φ2mm平底孔回波，連接不同深度缺陷信號(hào)的波峰生成DAC曲線；最后檢測(cè)缺陷時(shí)，提高6dB作為掃查靈敏度。另外，為了更好分辨缺陷回波信號(hào)，將儀器聲程范圍調(diào)至8～10mm。對(duì)φ5mm試塊中不同深度的分層缺陷進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 不同深度的φ5mm分層缺陷檢測(cè)結(jié)果

由表1可以看出，除1mm深的缺陷外，對(duì)于其他3種深度的φ5mm平底孔缺陷均能夠檢出，且具有很好的檢出能力。

圖9為3種深度的φ5mm分層缺陷檢測(cè)信號(hào)，可以看出，分層缺陷越淺，其回波幅度（從左數(shù)第2個(gè)波峰為缺陷信號(hào)）越高，不同深度的分層缺陷信噪比都比較高，對(duì)于信噪比最差的4mm深缺陷，其信噪比也要大于12dB。實(shí)驗(yàn)所用探頭為帶延遲塊的直探頭，延遲塊有效地避免了近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)帶來的信號(hào)幅值波動(dòng)問題。

圖9 3種深度的φ5mm分層缺陷檢測(cè)信號(hào)

2.2 界面缺陷檢測(cè)

針對(duì)圖8所示的試塊進(jìn)行界面缺陷檢測(cè)。在試塊界面結(jié)合完好處找到界面回波（圖10a），調(diào)節(jié)界面回波信號(hào)至80%FSH，并以此作為基準(zhǔn)靈敏度，然后在掃查缺陷時(shí)提高6dB作為掃查靈敏度。用調(diào)節(jié)好靈敏度的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試塊上未結(jié)合處進(jìn)行檢測(cè)。從圖10b可以看出，界面回波信噪比較高，大于12dB，但未結(jié)合處的缺陷信號(hào)幅度僅比結(jié)合完好處的信號(hào)高約6dB，因此在檢測(cè)時(shí)要保證耦合效果，防止未結(jié)合缺陷的漏檢。

圖8 未結(jié)合缺陷試塊示意圖

圖10 界面缺陷檢測(cè)信號(hào)

3 結(jié)論

3.1 采用CIVA仿真超聲模塊對(duì)PE襯里層的復(fù)合材料進(jìn)行研究，結(jié)果表明10.0MHz的單晶帶延遲塊直探頭可以有效檢測(cè)襯里層的分層、襯里與鋼界面的脫粘等缺陷：對(duì)于分層缺陷，不同深度的分層均在相應(yīng)位置出現(xiàn)了缺陷回波，且回波波幅隨著缺陷深度增加變化不大；對(duì)于界面脫粘缺陷，其回波波幅高于界面結(jié)合良好區(qū)域的回波波幅。

3.2 使用帶延遲塊的超聲探頭將近場(chǎng)區(qū)控制在延遲塊內(nèi)，對(duì)于PE-鋼復(fù)合材料在襯里層內(nèi)的分層缺陷和界面結(jié)合處有很好的檢測(cè)能力，缺陷深度測(cè)量準(zhǔn)確。該結(jié)果與CIVA仿真模擬結(jié)果吻合。