基于太赫茲波的聚乙烯管道電熔接頭缺陷檢測分析

汪 宏 廖曉玲 劉延雷

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基于太赫茲波的聚乙烯管道電熔接頭缺陷檢測分析

汪 宏 廖曉玲 劉延雷

（杭州市特種設(shè)備檢測研究院 杭州 310051）

摘 要：以太赫茲（THz）反射成像技術(shù)和THz時域光譜透射技術(shù)對公稱外徑D=10mm聚乙烯電熔接頭（包含夾雜、分層等缺陷）進行檢測，獲得接頭在不同掃描縱深（Z1=3mm，Z2=5mm，Z3=7mm）的層析圖像和時域波形。結(jié)果表明：圖像可清晰顯示樣品的夾雜（金屬絲）和埋藏缺陷，且不同縱深的層析圖像都揭示了管道內(nèi)壁因流體沖刷產(chǎn)生的機械損傷位置；對THz時域波形進行分析計算獲得樣品的分層厚度；以樣品分層厚度反推THz波的強度，為THz時域光譜裝置校準提供了參考。

關(guān)鍵詞：太赫茲波 聚乙烯管道 成像檢測 無損檢測 電熔接頭 時域光譜

現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展促使非金屬材料越來越多的被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。以聚乙烯管道為例，由于管道連接處在焊接過程中分子結(jié)構(gòu)和性能可能發(fā)生變化［1］，管道接頭成為系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有聚乙烯及其復(fù)合管道檢測技術(shù)、設(shè)備和方法等無法滿足日益增長的檢測需求［2-4］，因此相關(guān)光學(xué)檢測方法在復(fù)合材料缺陷無損檢測方面受到關(guān)注。

太赫茲（Terahertz，簡稱為THz）光譜技術(shù)是近年來發(fā)展較為迅速的無損檢測技術(shù)，其對大多數(shù)非極性物質(zhì)都呈透明性質(zhì)，且具有穿透能力強、光子能量低、可得到高分辨率的清晰圖像、可進行時間分辨的光譜測量等優(yōu)勢［5］。基于太赫茲光譜的優(yōu)點，該技術(shù)在物質(zhì)鑒別［6］、安全檢測［7］、質(zhì)量控制［8］、復(fù)合材料無損檢測［9，10］等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［5，11］，Stoik等利用THz光譜透射成像技術(shù)對不同厚度的碳纖維及其夾雜缺陷開展了研究［12］；Wietzke等嘗試對THz光譜技術(shù)應(yīng)用于聚乙烯焊接質(zhì)量檢測、塑料件分層缺陷等開展了相關(guān)的實驗研究［13-17］。

1 實驗裝置和樣品制備

1.1樣品規(guī)格

如圖1所示，實驗用聚乙烯電熔接頭公稱外徑D=140mm，管壁厚d=7mm，接頭處厚度Zmax=21mm，取長×寬（mm）=110×24的樣品。如圖1（a）所示，樣品左端數(shù)字2標示處存在L1=10mm，d1=2.4mm的分層缺陷，且A、B面之間有焊接加熱用金屬絲；如圖1（b）中數(shù)字1所示，樣品A面存在L2=10mm，d2=1mm的切口；如圖1（c）所示，聚乙烯管道內(nèi)壁含沖刷形成的機械損傷。

圖1　樣品光學(xué)圖示

1.2實驗原理及裝置

●1.2.1反射式太赫茲成像

如圖2所示，實驗用儀器為SynviewScan300 THz調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，簡稱FMCW）成像系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1　成像系統(tǒng)參數(shù)

如圖2所示為FMCW成像系統(tǒng)的成像原理，F(xiàn)MCW成像基于比較發(fā)射波長和反射波長的差異來測量距離，波長差異越大，則距離越大，且TX和RX頻率差異與距離成比例，信號強度和折射率成比例。

圖2　調(diào)頻連續(xù)成像儀工作原理

FMCW成像系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器都是基于GaAs砷化鎵肖特基二極管倍頻器，采用全電子技術(shù)。其工作原理為：耿氏二極管發(fā)射中心頻率0.3THz的連續(xù)太赫茲波，經(jīng)調(diào)頻后被透鏡聚焦到樣件的不同深度，穿過樣品后的反射信號再次穿過被檢物體并與發(fā)射信號混頻在一起，作為接收器的肖特基二極管接收并探測該混頻信號。獲得的信號中含有檢測物體的相對距離信息，掃描探頭進行一次二維掃描，可同時采集樣件不同深度的二維太赫茲圖像（獲得的二維圖像為太赫茲波等光程面），有效實現(xiàn)太赫茲無損檢測。

“他的話說的又文雅又有道理，說道：‘腐?。∨?！我靠著它一年有一千五百磅的出息呢?！保畋兀?006，p.61）

如圖3所示，調(diào)頻連續(xù)波成像儀通過三角波調(diào)制技術(shù)，使發(fā)射頻率在0.23～0.32THz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，式（1）為三角波調(diào)頻原理式中：

圖3　調(diào)頻連續(xù)波三角波調(diào)制

●1.2.2THz-TDS檢測裝置

實驗用THz-TDS系統(tǒng)由美國Coherent公司制造的鈦藍寶石飛秒激光器和美國Zomega公司研制的THz系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)核心部件是鈦寶石飛秒脈沖激光器，中心波長為800nm，脈寬小于100×10-15s，重復(fù)頻率為80MHz，輸出功率960mw。實驗裝置光路如圖4所示，系統(tǒng)說明見參考文獻［18］。

圖4　THz-TDS裝置光路圖

2 結(jié)果與分析

2.1反射式THz波檢測結(jié)果分析

圖5為THz波反射裝置中層析成像的結(jié)果，圖5（a）～圖5（c）分別為縱深Z=3mm，5mm，7mm的樣品層析掃描圖。掃描時，縱深Z由樣品A面向B面推近，圖5（a）縱深Z1=3mm，即成像面距A面3mm；同理，圖5（b）成像面距A面5mm，圖5（c）距A面7mm。圖5（a）～圖5（c）顯示了接頭中的金屬絲及B面（管道內(nèi)壁）的沖刷缺陷，不同深度的層析圖像對缺陷有不同程度的表達。如圖5（c），可對接頭中金屬絲的方位及連續(xù)情況做出判斷，并管道內(nèi)壁沖刷缺陷的位置、輪廓等都有明確顯示。已知樣品接頭處Zmax=21mm，綜上，反射式THz波通過非接觸式可檢測聚乙烯電熔接頭中深度達20mm的缺陷。

圖5（d）為樣品側(cè)輪廓全貌，其中A、B面焊接處金屬絲清晰可見，且從圖中數(shù)字2標注處可觀測到樣品分層概況。在THz波段內(nèi)，聚乙烯材料近乎透明，而金屬絲作為導(dǎo)電材料則將THz波原路反射，兩種材料所具有的THz波特性差異導(dǎo)致了樣品分層的顯著體現(xiàn)，為分層厚度的確定提供佐證。圖中數(shù)字1所示為樣品A面的機械損傷，該缺陷若僅從圖1（b）中觀察，存在寬1mm，長10mm的縫，但從反射圖像中可知該樣品接頭處缺陷深度達10mm，且內(nèi)部缺陷寬度達2mm，掃描圖像與樣品實物相符。

圖5　樣品層析圖像

2.2THz-TDS檢測

圖6　樣品分層處THz時域波形

樣品中未焊接完全部分的分界面即為“樣品-空氣-樣品”，空氣層的存在導(dǎo)致樣品未焊接完全部分的透射率低于完全焊接部分。另外，根據(jù)樣品分層厚度的不同，還對裝置的頻率性能提出了更高的要求，分層厚度越小，所需要的THz波發(fā)射強度就越大。聚乙烯電熔接頭處的分層界面導(dǎo)致THz波在分界面上反射，并最終在采集到的時域波形中體現(xiàn)為脈沖回波，采集數(shù)據(jù)如圖6所示。

從圖6可知，樣品的THz波（左側(cè)Point1）穿透樣品后幅值有明顯的衰減，衰減幅度近60%，時間上也有延遲。經(jīng)分析，該衰減和延遲是由樣品對THz波的吸收及樣品厚度引起的。據(jù)此，樣品的厚度可由式（2）得到

式中：

?t1=t2-t1，?t2=t3-t2，（?t2可理解為樣品回波時間，由THz波的法布里-玻羅反射產(chǎn)生）

d——樣品中分層厚度；

c——THz波在空氣中的速度；

n——THz波在空氣中的折射率。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，計算d=2.4mm，與樣品實際分層厚度一致。

據(jù)上述THz波，當(dāng)分層厚度d=pλ/4,p=1,3,5...，反射強度提升，透射強度減弱；當(dāng)d=pλ/2,p=1,2,3...,透射強度增強［15］。本文以聚乙烯電熔接頭為例，代入樣品分層厚度d=2.4mm，計算THz波光強為0.6THz，與裝置參數(shù)一致，為THz時域光譜檢測裝置校準提供一定依據(jù)。

3 結(jié)論

1）基于THz波對聚乙烯材料的特性及聚乙烯電熔接頭的結(jié)構(gòu)特點，驗證了THz波反射、透射技術(shù)對于聚乙烯電熔接頭缺陷檢驗的可行性。

2）對聚乙烯電熔接頭中分層、夾雜及埋藏缺陷進行檢測，介紹了幾種缺陷的檢測效果，THz波反射式層析圖像不僅清晰表達樣品中夾雜等缺陷，且對于管道內(nèi)壁缺陷成像具有良好效果。

3）THz波對聚乙烯材料具有較強的穿透力（＞20mm），掃描速度非?？欤蓾M足聚乙烯電熔接頭一般缺陷的檢測要求，且其不需與被測件接觸，較傳統(tǒng)需要耦合劑的檢測方法更具優(yōu)勢。

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［浙江省質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)科研計劃項目：20150236］

［國家質(zhì)檢總局科技計劃項目：2014QK158］

［浙江省科技廳科技創(chuàng)新團隊項目：2010R50001-21］

Nondestructive Evaluation of Electrofusion Joint of Polyethylene Pipeline Using Terahertz Wave

Wang Hong Liao Xiaoling Liu Yanlei
（Hangzhou Special Equipment Inspection and Research Institute Hangzhou 310051）

AbstractThe THz refection imaging and TDS （Time Domain Spectroscopy） transmission modes are used to detect the electrofusion joint defects of polyethylene pipe (DN=10mm, including inclusion and delamination). THz time domain waveforms and tomography images with different scanning depth （Z1=3mm, Z2=5mm, Z3=7mm) are obtained. The result indicates that the two-dimensional images from the THz refecting system clearly reveals the inclusions， hidden defects and mechanical damages of pipeline inwall caused by fuid scouring process. Besides the thickness of the air lamination in the sample is inspected by the time domain waveforms; the thickness also contribute to calculate the strength of the THz wave emitted from the THz-TDS system providing reference to calibrate the THz-TDS system.

KeywordsTHz wave Polyethylene pipe Imaging detect Nondestructive inspection Electrofusion joint Time domain spectroscopy

中圖分類號：X924.2

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）04-0033-05

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.04.005

作者簡介：汪宏（1966～），男，本科，副院長，工程師，從事特種設(shè)備監(jiān)管工作。

收稿日期：（2015-07-23）