王曉梁 李 陳 孫志濤

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院 （江蘇南通 226001）

由于聚乙烯管具有耐腐蝕、不易泄漏、高韌性、優(yōu)良的撓性、良好的抗刮痕能力、良好的快速裂紋抵抗能力、壽命長等特點(diǎn)，2000 年以后，我國新建的中低壓城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿来笠?guī)模使用聚乙烯管。針對(duì)熱熔接頭缺陷，目前較為成熟的無損檢測(cè)手段主要有相控陣檢測(cè)技術(shù)和X 射線檢測(cè)技術(shù)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波來判斷內(nèi)部損傷程度的一種新型動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)方法，可以在構(gòu)件或材料的內(nèi)部缺陷或潛在缺陷處于運(yùn)動(dòng)變化的過程中進(jìn)行檢測(cè)。聲發(fā)射檢測(cè)已應(yīng)用于航空航天、石油、化工、鐵路、汽車、建筑和電力等領(lǐng)域，是一種重要的無損檢測(cè)技術(shù)，與常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)相比有兩個(gè)基本特點(diǎn)：一是對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感，在缺陷萌生和擴(kuò)展過程中能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)；二是聲發(fā)射波來自缺陷本身而非外部，可以得到有關(guān)缺陷的豐富信息，檢測(cè)靈敏度與分辨率高。使用過程中聚乙烯熱熔接頭出現(xiàn)的破裂和泄漏等損傷，均伴隨著“聲”的產(chǎn)生。嘗試運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)聚乙烯管道進(jìn)行模擬檢測(cè)，為后期開展燃?xì)饩垡蚁┕艿缆暟l(fā)射檢測(cè)提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

目前，各方對(duì)聚乙烯管道熱熔接頭的缺陷形式分類暫未形成一致的意見[1]，選擇具有代表性的冷焊、氣孔、夾雜、過焊作為缺陷源，并制作一根無缺陷的聚乙烯管道用于比對(duì)檢測(cè)結(jié)果[2]。對(duì)這5 根聚乙烯管道在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行氮?dú)獯驂?，從而檢測(cè)管道在內(nèi)壓載荷下的缺陷活動(dòng)狀況，并根據(jù)此過程中聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱與活性程度對(duì)管道的本質(zhì)安全狀況進(jìn)行分析。管道長度為5 m，分別由2 根2.5 m 長的管道熱熔熔接而成，基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)工件基本參數(shù)

分別在管道兩端和中部焊接位置布置3 個(gè)聲發(fā)射傳感器。聲發(fā)射設(shè)備采用美國PAC 公司的SAMOS 型48 通道聲發(fā)射儀，傳感器型號(hào)為R3I，試壓管道傳感器布置見圖1。本次聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)包括換能器、前置放大器、主放大器、處理器和記錄顯示裝置。檢測(cè)系統(tǒng)的性能應(yīng)符合NB/T 47013.9—2012《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第9 部分：聲發(fā)身檢測(cè)》中附錄的要求。換能器的諧振頻率范圍為20～100 kHz，確保有足夠的接收靈敏度。選用的聲發(fā)射儀器有實(shí)時(shí)顯示和記錄功能，有覆蓋檢驗(yàn)區(qū)域的足夠通道數(shù),可記錄超過系統(tǒng)檢測(cè)閾值的撞擊數(shù)、幅度、計(jì)數(shù)或能量參數(shù)。采用時(shí)差定位方法時(shí)應(yīng)能記錄信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。

圖1 聲發(fā)射傳感器布置

試驗(yàn)過程中選擇氮?dú)庾鳛槌溲b介質(zhì)進(jìn)行打壓， 加載過程如圖2 所示。

圖2 聲發(fā)射加載過程

2 聲發(fā)射信號(hào)衰減測(cè)試

用模擬源校準(zhǔn)檢測(cè)靈敏度。模擬源應(yīng)能重復(fù)發(fā)出彈性波。采用?0.5 mm，硬度為HB 的鉛筆芯折斷信號(hào)作為模擬源。鉛芯伸出長度約為2.5 mm，與管道表面夾角約為30°。其響應(yīng)幅度值取3 次以上響應(yīng)平均值。在管道的頂端布置一聲發(fā)射傳感器，每隔100 mm 進(jìn)行斷鉛，從而測(cè)試聲發(fā)射信號(hào)在管道上的傳播特性，距離（時(shí)間）-幅值關(guān)系見表2 和圖3。

圖3 聲發(fā)射衰減測(cè)試時(shí)間-幅值信號(hào)

表2 聲發(fā)射衰減測(cè)試距離-幅值關(guān)系

從聲發(fā)射信號(hào)的傳播距離與幅值測(cè)試數(shù)據(jù)可看出，管道架空狀態(tài)下，聲發(fā)射信號(hào)傳播距離達(dá)到1.9 m 左右時(shí)，其信號(hào)幅值達(dá)到38 dB。在承壓設(shè)備聲發(fā)射檢測(cè)過程中，一般情況下門檻選取40 dB。因此在實(shí)際檢測(cè)過程中，理論上兩個(gè)聲發(fā)射傳感器之間的距離不大于3.6 m。為提高檢測(cè)效率、防止有效聲發(fā)射信號(hào)的丟失，傳感器間距選取3 m 左右較為合適。對(duì)于重點(diǎn)檢測(cè)部位，如彎頭、三通或懷疑有缺陷的部位，需要單獨(dú)增設(shè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

3 5 根管道聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果

3.1 完好管道加載過程聲發(fā)射檢測(cè)

加載檢測(cè)前，應(yīng)進(jìn)行背景噪聲的測(cè)量，建議檢測(cè)背景噪聲的時(shí)間不少于15 min。背景噪聲大于所設(shè)定的閾值時(shí)，應(yīng)設(shè)法消除背景噪聲的干擾或中止檢測(cè)。在管道上依次布置3 個(gè)傳感器，背景噪聲測(cè)量完成后，進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。0～6 s 為升壓階段，6～16 s 為保壓階段，16～19 s 為降壓階段，從3 號(hào)傳感器處進(jìn)氣升壓，分別采集管道在升壓、保壓、泄壓階段的聲發(fā)射信號(hào)，如圖4 所示。

圖4 完好管道聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)

（1）由于管道較短，充氣過程對(duì)于聲發(fā)射檢測(cè)的影響巨大，充氣時(shí)的氣流干擾聲信號(hào)非常強(qiáng)，很難判斷其中是否夾雜有缺陷的擴(kuò)展信號(hào)，因此在實(shí)際檢測(cè)過程中，被檢測(cè)位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離進(jìn)出氣口。

（2）在實(shí)際保壓過程中，可以明顯看出1 號(hào)和2號(hào)傳感器未采集到任何聲發(fā)射信號(hào)，可見在此過程中管道始終處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，未產(chǎn)生明顯的缺陷擴(kuò)展現(xiàn)象。

3.2 冷焊缺陷狀態(tài)下管道聲發(fā)射檢測(cè)

從3 號(hào)傳感器處進(jìn)行進(jìn)氣升壓，2 號(hào)傳感器位置處的焊縫布置有假焊缺陷。0～5 s 為升壓階段，5～16 s 為保壓階段，16～28 s 為降壓階段，結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯觯汗艿赖某錃膺^程給3 號(hào)傳感器的聲發(fā)射采集帶來了巨大的影響，且在保壓過程中仍然出現(xiàn)了氣體泄漏，因此給1 號(hào)和2 號(hào)傳感器的保壓信號(hào)采集帶來了一定影響，從而采集到了一些聲發(fā)射噪聲信號(hào)。1 號(hào)傳感器由于遠(yuǎn)離進(jìn)氣口，其聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量較2 號(hào)傳感器少。

圖5 冷焊熱熔接頭管道聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)

對(duì)進(jìn)氣閥門進(jìn)行維修后重新打壓測(cè)試，結(jié)果如圖6 所示。可以看出，升壓和降壓過程中出現(xiàn)了明顯的聲發(fā)射信號(hào)，保壓過程中基本上未出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)?？梢?，在此次加載的壓力下，管道中預(yù)制的假焊缺陷未出現(xiàn)擴(kuò)展，缺陷始終穩(wěn)定，呈現(xiàn)死缺陷現(xiàn)象。

圖6 冷焊熱熔接頭管道聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)

3.3 夾雜缺陷狀態(tài)下管道聲發(fā)射檢測(cè)

對(duì)于夾雜缺陷管道，0～7 s 為升壓階段，7～17 s為保壓階段，17～21 s 為降壓階段，其中2 號(hào)傳感器位置處的焊縫布置有夾雜缺陷，結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯?，升壓和降壓過程中出現(xiàn)了明顯的聲發(fā)射信號(hào)，保壓過程中基本上未出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)?？梢?，在此次加載的壓力下，管道中預(yù)制的夾雜缺陷未出現(xiàn)擴(kuò)展，缺陷始終穩(wěn)定，呈現(xiàn)死缺陷現(xiàn)象。

圖7 含夾雜熱熔接頭管道聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)

3.4 氣孔缺陷狀態(tài)下管道聲發(fā)射檢測(cè)

對(duì)于含氣孔缺陷管道，0～4 s 為升壓階段，5～20 s 為保壓階段，20～28 s 為降壓階段，測(cè)試信號(hào)如圖8所示。其中1 號(hào)和3 號(hào)傳感器位置處的焊縫布置有氣泡缺陷?？梢钥闯?，升壓和降壓過程中出現(xiàn)了明顯的聲發(fā)射信號(hào)，保壓過程中基本上未出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)?？梢?，在此次加載的壓力下，管道中預(yù)制的氣孔缺陷未出現(xiàn)擴(kuò)展，缺陷始終穩(wěn)定，呈現(xiàn)死缺陷現(xiàn)象。

圖8 含氣孔熱熔接頭管道聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)

3.5 過焊缺陷狀態(tài)下管道聲發(fā)射檢測(cè)

對(duì)于含過焊缺陷管道，0～3 s 為升壓階段，4～20 s 為保壓階段，20～28 s 為降壓階段。其中1 號(hào)和2號(hào)傳感器位置處的焊縫布置有過焊缺陷，檢測(cè)信號(hào)如圖9 所示。升壓和降壓過程中出現(xiàn)了明顯的聲發(fā)射信號(hào)，而保壓過程中基本上未出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)。可見，在此次加載的壓力下，管道中預(yù)制的過焊缺陷未出現(xiàn)擴(kuò)展，缺陷始終穩(wěn)定，呈現(xiàn)死缺陷現(xiàn)象。

圖9 過焊熱熔接頭管道聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)

4 結(jié)語

（1）此次管道聲發(fā)射檢測(cè)的最大加載壓力為0.40 MPa，在這一壓力下管道預(yù)制的缺陷均未出現(xiàn)明顯的擴(kuò)展，說明在0.40 MPa 的壓力下，管道滿足繼續(xù)使用的條件。

（2）聚乙烯材質(zhì)呈現(xiàn)的缺陷擴(kuò)展聲發(fā)射特征與金屬材質(zhì)完全不同。為了更好地識(shí)別和判定缺陷的安全狀況等級(jí)，建議對(duì)聚乙烯材料進(jìn)行基礎(chǔ)的材料破壞及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上收集其聲發(fā)射特征參數(shù)，為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

（3）由于聚乙烯材質(zhì)的塑性比鋼制管道大得多，其缺陷擴(kuò)展是否呈現(xiàn)突發(fā)性的特征，以及其發(fā)生的頻率特性都會(huì)影響聲發(fā)射信號(hào)的識(shí)別，因此建議先采用寬頻帶聲發(fā)射傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行更廣范圍的采集，在準(zhǔn)確判斷缺陷的頻率分布之后，再使用窄頻傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

聚乙烯管道的聲發(fā)射檢測(cè)還處于研究階段，實(shí)際使用前還需要進(jìn)行大量的研究工作，如信號(hào)特征、判別規(guī)則、傳感器設(shè)計(jì)、檢測(cè)工藝制定等。