聚乙烯管道元件的超聲檢測

勵柳波許波 黃輝

（寧波市特種設備檢驗研究院)

聚乙烯管道元件的超聲檢測

勵柳波*許波 黃輝

（寧波市特種設備檢驗研究院)

采用多種探頭組合對聚乙烯管件聲學特性進行研究。通過對比試驗得出檢測大厚度聚乙烯管件的最優(yōu)檢測參數(shù)，并提出改進探頭的思路。大量的檢測試驗和現(xiàn)場車削破壞性試驗對比顯示，無論是缺陷檢出率還是定位和定量精度都比較高。

聚乙烯 管件 聲學響應 超聲波檢測 試塊 反射波 探頭

0 引言

聚乙烯，簡稱PE，是單體乙烯經(jīng)聚合制得的一種熱塑性樹脂。非金屬高分子混合物在聚合時，因壓力、溫度等聚合反應條件的不同，可得到不同密度的樹脂，因而聚乙烯又有高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯之分。用PE材料做成的管道元件，具有優(yōu)良的耐低溫性能(最低使用溫度可達-70～-100℃)，化學穩(wěn)定性好，能耐大多數(shù)酸堿的侵蝕(不耐氧化性質的酸)，常溫下不溶于一般溶劑，吸水性小，電絕緣性能優(yōu)良。PE管的使用領域廣泛，其中給水管和燃氣管是其兩個最大的應用市場[1]。

本文的檢測對象為大厚度的管法蘭（如圖1所示）。該管件由分子線性、分子鏈很長、分子量高達幾十萬的高密度聚乙烯材料制成。其制造工藝為：先220℃高溫熔化，再經(jīng)水冷注塑而成，其制造標準符合GB 15558.2—2005《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng)第2部分：管件》。

聚乙烯管件存在的主要缺點是其成型后冷卻過程中會在不連續(xù)處形成氣孔或縮孔。

1 聚乙烯管件的聲學特性

1.1 試塊制作

相比于常規(guī)的金屬材料超聲檢測，PE管件的超聲檢測技術還遠未成熟。主要問題是其波速隨著PE材質的差異變化較大，信號衰減大，給檢測帶來了很大的困難。因此進行檢測之前，首先需要根據(jù)檢測對象的特征制作出適合于PE管件探傷的對比試塊。根據(jù)超聲檢測的一般要求，針對檢測工件的實際情況，本文制作了?100×35圓餅試塊、?100×35×5半圓底孔試塊、?100×35×10半圓底孔試塊三塊“標準試塊”和系列厚度-孔徑“對比試塊”。試塊采用與被檢對象相同材料、相同批次的坯件制作，內(nèi)部不得有大于?2 mm或大于?2 mm平底孔當量的缺陷存在，試塊表面粗糙度與被檢對象一致。

圖1 聚乙烯管件

1.2 聲速測量

與常用金屬材料相比，在聚乙烯材料中聲速較小，且變化范圍較大。PE管材料本身的特性不同以及不同的檢測條件均會對聲速產(chǎn)生較大影響，因此進行PE管件超聲檢測前需要準確測試被檢PE管材料中的聲速。聲速測量采用?100×35圓餅試塊來進行，測量結果見表1，本文檢測對象的平均聲速為2 247.6 m/s。

表1 ?100×35大平底試塊所測的聲速

1.3 衰減系數(shù)測量

聚乙烯材料的超聲波衰減系數(shù)μ值大。不同探頭測得的衰減系數(shù)存在差異，檢測前需對檢測對象進行實際衰減系數(shù)測定。表2為用?100×35大平底試塊所測得的衰減系數(shù)，其平均衰減系數(shù)μ為0.435 dB/mm。

表2 ?100×35大平底試塊所測得的衰減系數(shù)

2 檢測參數(shù)優(yōu)化

2.1 檢測系統(tǒng)與技術要求

由于聚乙烯材料具有上述聲學特性，這就決定了聚乙烯材料超聲檢測的特殊性，即對檢測系統(tǒng)提出了較高的要求（包括對儀器、探頭及其組合系統(tǒng)性能）：高能量、低衰減。儀器采用A型數(shù)字脈沖反射式超聲波探傷儀，其工作頻率范圍為0.5～5 MHz，輸出電平應大于1000 V，儀器至少在熒光屏滿刻度的80%范圍內(nèi)呈線性顯示。探傷儀應具有100 dB以上的連續(xù)可調(diào)衰減器，步進級每檔不大于1 dB，其精度為任意相鄰12 dB誤差在±1 dB以內(nèi)，最大累計誤差不超過1 dB。水平線性誤差不大于1%，垂直線性誤差不大于5%。其余指標應符合JB/T 10061的規(guī)定[2]。

2.2 檢測方法

由于聚乙烯的超聲波衰減系數(shù)過大，在大厚度工件的檢測中，只能有效利用一次底波，所以超聲檢測的一般原則為在管件的端面或側面采用縱波直射法進行檢測。

2.3 聲學響應

選用不同組直徑-頻率探頭在?100×35圓餅試塊上分別測試探頭直徑和探頭頻率對超聲聲學響應的影響。測試結果如表3所示：對于同一探頭直徑，頻率越低聲學響應越好；對于同一頻率，探頭直徑越大聲學響應越好。聲學響應大，則發(fā)現(xiàn)缺陷的能力強，即檢測靈敏度高。因此僅從檢測靈敏度角度考慮，應該采用大直徑、低頻率探頭。

表3 同系統(tǒng)下?100大平底不同探頭的聲學響應

2.4 分辨率

采用不同的探頭組對?100×35×5半圓底孔試塊上?5半圓底孔和?100×35×10半圓底孔試塊上?10半圓底孔進行試驗，結果如圖2～圖5所示。

由以上四組波形圖可知：

圖2 ?20探頭組在?100×35×5半圓底孔試塊上?5半圓底孔反射波

圖3 ?20探頭組在?100×35×10半圓底孔試塊上?10半圓底孔反射波

圖4 ?30探頭組在?100×35×5半圓底孔試塊上?5半圓底孔反射波

圖5 ?30探頭組在?100×35×10半圓底孔試塊上?10半圓底孔反射波

（1）同頻率下，探頭直徑越大，分辨率越好，但同時噪聲較大，波峰上毛刺較多，主要原因是探頭直徑越大，能量越高。

（2）較大探頭直徑下（為保證提供足夠的檢測能量），探頭頻率越高，分辨率越好，但是頻率越高，超聲響應越差，靈敏度越低，小缺陷檢出率低。

（3）對于同尺寸缺陷的檢測，綜合考慮檢測靈敏度和分辨率，選擇最優(yōu)的探頭為大直徑、較低頻率探頭。

2.5 探頭改進

整個檢測系統(tǒng)中探頭的選擇最為關鍵，因此對于探頭的改進也是本文研究的一個重點。針對聚乙烯材料的特性，在探頭的設計上提出了兩個思路。

（1）不加背襯。在粗晶材料的超聲檢測中，為了減少聲能在材料中的衰減、提高缺陷的縱向分辨率和信噪比、防止假信號出現(xiàn)，需要制作寬帶窄脈沖、高靈敏的超聲探頭。這種探頭的制作常用且有效的方法是采用與壓電晶片匹配的背襯塊。但是因為加了背襯塊，使得探頭激發(fā)的能量大大降低，而在大厚度聚乙烯的檢測中，檢測能量是影響檢測的主要因素。

（2）增加超聲變幅桿。超聲波變幅桿(超聲波變幅器)，顧名思義就是配合超聲波換能器改變超聲波振動幅度的功能組件。其主要作用是改變換能器的振幅(一般是增大），提高振速比，提高效率，提高機械品質因數(shù)，加強耐熱性，擴大適應溫度范圍，延長換能器的使用壽命[3]。超聲波換能器通過安裝變幅桿(超聲波變幅器)調(diào)整了換能器與超聲波工具頭之間的負載匹配，減小了諧振阻抗，使其在諧振頻率下工作，提高了電聲轉換效率，有效降低了超聲波換能器的發(fā)熱量，大大增加了超聲發(fā)射能量，而這正是大厚度聚乙烯材料檢測所必須的。此外，還可使聲束集中，提高檢測分辨率。

3 檢測及結果評價

聚乙烯在常溫下不溶于一般溶劑，吸水性小，但由于其為線性分子，可緩慢溶于某些有機溶劑，所以一般在注塑成型、冷卻后進行水浸超聲檢測。

3.1 靈敏度與缺陷當量計算

由于聚乙烯對超聲波的衰減系數(shù)大的特性，因而與一般衰減系數(shù)小的金屬材料的檢測有所不同，聚乙烯超聲檢測采用的確定檢測靈敏度的方法是對比試塊與檢測工件厚度相適應法，即檢測某一厚度的工件就必須加工相應厚度的對比試塊。確定基準靈敏度時，需根據(jù)合同雙方約定的需要檢測的最小缺陷當量尺寸來制作相應對比試塊的人工平底孔，將對比試塊的人工平底孔一次波高調(diào)至滿屏的50%，則基準靈敏度就調(diào)好了。

因為衰減原因而影響缺陷當量計算的問題，也可以通過該方法來解決。對于已知深度的缺陷當量計算，原則上采用與該深度同厚度的試塊并采用式（1）來計算缺陷當量。若無同厚度試塊，則采用式（2）計算缺陷當量，此時必須考慮衰減。

式中 Δ12——檢測工件缺陷、對比試塊缺陷的分貝差；

Pf1、Pf2——檢測工件缺陷、對比試塊缺陷的回波聲壓；

D1、D2——檢測工件缺陷、對比試塊缺陷的當量直徑；

x1、x2——檢測工件缺陷、對比試塊缺陷的深度；

α——材料衰減系數(shù)（單程）。

3.2 實際檢測結果

根據(jù)提供試件的廠方要求，PE管件中不允許存在?10當量的氣孔缺陷。筆者選用?30 1.0 MHz直探頭，通過大量檢測試驗和現(xiàn)場車削破壞性試驗，發(fā)現(xiàn)無論是缺陷檢出率還是定位和定量精度都比較高，完全能滿足廠方要求，許多直徑在3～6 mm的缺陷都能檢出。

4 結論與展望

本文首先根據(jù)大厚度聚乙烯管件中主要缺陷的性質設計制作了對比試塊，重點研究了大厚度聚乙烯管件的聲學特性、最優(yōu)檢測參數(shù)的選擇和探頭的改進。最后通過改進的檢測系統(tǒng)對聚乙烯管件進行超聲檢測，取得了較好效果。

[1]張玉川.聚乙烯管材管件的發(fā)展綜述[J].特種結構, 2001,18(3):24-28.

[2]JB/T 4730—2005承壓設備無損檢測[S].北京：新華出版社，2005.

[3]林仲茂.超聲變幅桿的原理和設計[M].北京：科學出版社，1987.

Ultrasonic Testing of the Polyethylene Pipe Fitting

Li Liubo Xu Bo Huang Hui

Studied the acoustic characteristics of the polyethylene pipe fitting by the combination of varieties of probes.The optimal detection parameters for large thickness polyethylene pipe fitting were obtained through contrast test,and suggestions for the probe improvement were proposed.It was found that whether the detection rate of defects or the precision of positioning and quantification is relatively high by comparison between a lot of testing and lots of lathering destructive tests.

Polyethylene;Pipe fitting;Acoustic response;Ultrasonic testing;Briquette;Reflected wave;Probe

TQ 050.4+22

2014-06-09)

*勵柳波，男，1981年生，工程師。寧波市，315028。