鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管鋼塑粘合狀態(tài)的判別方法

鐘海見

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310020）

鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管鋼塑粘合狀態(tài)的判別方法

鐘海見

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310020）

鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管（簡(jiǎn)稱PSP）融鋼管的高強(qiáng)度和塑料管的柔性、耐腐蝕于一體，廣泛應(yīng)用于能源、化工、海洋、資源輸送等領(lǐng)域。PSP鋼塑之間的粘合狀態(tài)直接影響管道的安全使用。常規(guī)的無損檢測(cè)方法難以檢測(cè)PSP鋼塑之間的粘合狀態(tài)。筆者采用超聲相控陣技術(shù)及B掃描實(shí)時(shí)成像技術(shù)，對(duì)PSP鋼絲和塑料之間的粘接程度進(jìn)行超聲檢測(cè)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)研究得出：根據(jù)超聲圖像中鋼絲成像規(guī)律和鋼塑界面反射回波特征，可間接反映PSP鋼塑之間的粘合狀況。

鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管 鋼塑粘合狀況 超聲檢測(cè) 相控陣技術(shù) B掃描實(shí)時(shí)成像技術(shù)

鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管（簡(jiǎn)稱PSP）以高密度聚乙烯（以下簡(jiǎn)稱HDPE）為基體，以高強(qiáng)度鋼絲傾角錯(cuò)繞成型的網(wǎng)狀骨架為增強(qiáng)體，HDPE與高強(qiáng)度鋼絲之間采用熱熔膠粘結(jié)[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。PSP的增強(qiáng)體為傾角錯(cuò)繞成型的鋼絲網(wǎng)，鋼絲之間不需要焊接，從而提高了生產(chǎn)效率。網(wǎng)狀骨架鑲嵌在內(nèi)外層HDPE之間，使得兩種材料互相交織，因而具有良好的復(fù)合效果[2]。其獨(dú)特的鋼塑結(jié)構(gòu)融鋼管的高強(qiáng)度和塑料管的柔性、耐腐蝕于一體[3]，因此廣泛應(yīng)用于我國的油氣田、化工、農(nóng)業(yè)、煤炭冶金、火力發(fā)電、食品行業(yè)、市政建設(shè)和海水輸送等相關(guān)領(lǐng)域，如油氣輸送、泥漿礦產(chǎn)輸送以及海底輸水等。

熱熔膠層作為把HDPE層和增強(qiáng)鋼絲網(wǎng)連接成一體的“雙面膠”，在復(fù)合管的承載過程中起著關(guān)鍵性作用，熱熔膠的粘結(jié)狀態(tài)對(duì)最終復(fù)合管產(chǎn)品的質(zhì)量有直接影響。如果鋼絲和粘結(jié)劑之間沒有良好粘接，存在氣體空隙，鋼絲和粘結(jié)劑之間有可能在外力作用下發(fā)生相對(duì)滑移，由于兩者形變不協(xié)調(diào)使鋼絲和粘結(jié)劑之間的空隙進(jìn)一步擴(kuò)展，從而影響到鋼絲規(guī)律性分布和PSP管的安全性能。目前鋼絲和粘結(jié)劑之間的粘接性能缺乏有效的無損檢測(cè)方法，往往采用解剖實(shí)物試樣進(jìn)行目視檢測(cè)。筆者在PSP管超聲檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，可以采用超聲相控陣聚焦技術(shù)及B掃描實(shí)時(shí)成像技術(shù)，對(duì)PSP鋼絲和塑料之間的粘接程度進(jìn)行判斷。通過試驗(yàn)研究得出：根據(jù)超聲圖像中鋼絲成像規(guī)律和鋼塑界面反射回波特征，可間接反映PSP鋼塑之間的復(fù)合性能，從而判斷復(fù)合管道的質(zhì)量狀況。

圖1 PSP結(jié)構(gòu)圖

1 檢測(cè)方法

超聲檢測(cè)PSP管的幾何模型如圖2所示。探頭發(fā)射的超聲波穿過HDPE層，在HDPE/熱熔膠界面進(jìn)入熱熔膠層，再到達(dá)熱熔膠層中的鋼絲表面，在熱熔膠/鋼界面產(chǎn)生超聲波反射。由于PSP用熱熔膠是一種以熱塑性聚乙烯為主體的粘結(jié)劑，經(jīng)實(shí)測(cè)20℃時(shí)的聲阻抗值為2.26×106kg/m2·s，與HDPE20℃時(shí)的聲阻抗值2.29×106kg/m2·s相差不到1%[3]，超聲波垂直入射到兩種聲阻抗相差很小的介質(zhì)組成的界面時(shí)，幾乎全透射，因此針對(duì)PSP進(jìn)行超聲檢測(cè)，可以將HDPE層和熱熔膠層視作單一HDPE介質(zhì)。

由于HDPE材料的聲衰減系數(shù)較大，為減少超聲衰減對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生的影響，檢測(cè)聲程應(yīng)在未擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，因此其傳播的超聲波可看作平面波[5]。對(duì)密集排布的鋼絲，其回波聲壓可視為在聲場(chǎng)作用區(qū)內(nèi)各鋼絲回波的迭加，如圖3所示。如采用5MHz的檢測(cè)頻率，則超聲波在HDPE中的波長約為0.48mm，考慮到PSP管中的鋼絲直徑在0.8mm左右，接近超聲波波長的兩倍，而在長度方向上可視為無限長，因此可將其視為具有一定反射率的長橫孔[6]，平面波入射至長橫孔，其反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波，傳播至探頭，形成第一處鋼絲影像，其回波聲壓pr1為：

式中：

p0——入射超聲波在HDPE/鋼界面處聲壓，Pa；

x —— 鋼絲與探頭間的距離，mm；

d —— 鋼絲的直徑，mm；

Z1—— HDPE的聲阻抗，g/cm2·s；

Z2—— 鋼絲的聲阻抗，g/cm2·s。

圖3 鋼絲的聲壓回波

根據(jù)如圖3所示的超聲檢測(cè)模型和式（1）分析，如采用常規(guī)的直探頭沿鋼絲排布方向移動(dòng)時(shí)，其接收到的鋼絲陣列的超聲回波高度基本不變，因此其橫向分辨力很低，不能有效地判斷鋼絲在排列方向上的具體位置。

筆者采用聲能集中的超聲相控陣聚焦技術(shù)及B掃描實(shí)時(shí)成像技術(shù)，通過數(shù)量足夠的陣元排列，并選用合適的檢測(cè)參數(shù)，可以清晰地探測(cè)到PSP中鋼絲的超聲圖像，并根據(jù)鋼絲成像規(guī)律判斷鋼塑界面的粘合情況。為實(shí)現(xiàn)PSP中鋼絲復(fù)合情況的超聲相控陣檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)研制了專用的相控陣探頭，其檢測(cè)方法原理如圖4所示。本文設(shè)計(jì)并研制了聚乙烯材料檢測(cè)專用相控陣探頭，型號(hào)為7.5P128-0.5-10PE，共128個(gè)陣元，以相鄰16個(gè)陣元作為一組，如第1個(gè)陣元至第16個(gè)陣元作為一組，通過對(duì)1-16陣元預(yù)設(shè)不同的延時(shí)值實(shí)現(xiàn)其合成聲束在位置（1）聚焦，采用電子線掃查技術(shù)，可以依次實(shí)現(xiàn)2-17、3-18、…、113-128各陣元在位置（2）、（3）、…、（113）實(shí)現(xiàn)密排焦點(diǎn)聚焦，形成B掃查圖像。

圖4 檢測(cè)方法示意圖

2 理論分析

如果鋼絲與熱熔膠粘合良好，可將鋼絲看作是具有一定反射率的長橫孔[5]，在聲學(xué)上將熱熔膠與HDPE視為一體，超聲波在HDPE/鋼絲界面形成反射波pr1和透射波pt1，如圖 5所示，反射波pr1傳播至探頭，形成第一處鋼絲影像。透射波pt1到達(dá)鋼絲下界面又產(chǎn)生透射和反射，反射的超聲波傳播至探頭，形成第二處鋼絲影像，不考慮界面的聚焦與發(fā)散效應(yīng)，第二處鋼絲影像的回波聲壓pr2與第一處回波聲壓pr1比值為：

圖5 鋼塑界面粘合良好時(shí)超聲傳播規(guī)律

如果鋼塑界面粘合不良，界面間存在很薄的空隙，相當(dāng)于非均勻介質(zhì)中的氣體薄層，其聲強(qiáng)透射率為[5]：

式中：

d0—— 氣隙的厚度，mm；

Z0—— 空氣的聲阻抗，g/cm2·s；

λ0—— 超聲波在空氣中的波長，mm。

經(jīng)實(shí)則Z1為2.25×105g/cm2·s，Z2為4.18×106g/cm2·s，并查資料得Z0為40g/cm2·s[4]，頻率為5MHz的超聲波在空氣中的波長為0.068mm，其當(dāng)氣隙厚度為4×10-5mm時(shí)，根據(jù)式（3）計(jì)算其聲強(qiáng)透射率接近于0，通常情況下鋼塑界面粘合不良形成的空隙大于4×10-5mm，因此當(dāng)超聲波入射至粘合不良的鋼絲表面，超聲波全部反射，如圖6所示，其回波聲壓pr1為：

由于超聲波在HDPE/鋼絲界面沒有形成透射波，因此鋼絲只有一處影像。

圖6 鋼塑界面粘合不良時(shí)超聲傳播規(guī)律

3 檢測(cè)試驗(yàn)

筆者設(shè)計(jì)制作了檢測(cè)DN250PSP對(duì)比試樣，如圖7所示。試樣1采用正常的粘合工藝，并進(jìn)行鋼絲表面去污處理，使鋼塑界面間粘合良好。試樣2采用不合格的粘結(jié)劑，并使鋼絲表面帶有油污，粘合時(shí)縮短時(shí)間，降低溫度，使工藝使鋼塑界面間粘合不良含有氣隙，并通過解剖實(shí)物試樣局部進(jìn)行目視檢測(cè)驗(yàn)證。筆者采用研制的7.5L128-0.5-6-PE型號(hào)相控陣探頭對(duì)試樣1和試樣2進(jìn)行鋼塑界面粘合狀態(tài)的檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)試驗(yàn)照片如圖8所示。探頭的檢測(cè)頻率為7.5MHz，晶片寬度為0.4mm，晶片間隙為0.1mm，晶片長度為6mm，并采用專門制作的保護(hù)膜，使探頭與HDPE間達(dá)到100%聲透射，檢測(cè)時(shí)將耦合劑施加在試樣表面，將探頭沿試件軸向放置，根據(jù)PSP試樣規(guī)格和鋼絲位置分布，選擇16陣元的主動(dòng)孔徑，調(diào)節(jié)焦距使聚焦線在下層鋼絲位置附近，調(diào)節(jié)增益使獲得的圖像有足夠的分辨率和靈敏度可以鑒別待測(cè)試樣中每個(gè)鋼絲。鋼塑界面粘合良好試樣的超聲圖像如圖9（a）所示，在B掃描實(shí)時(shí)成像時(shí)，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)使得有足夠的分辨率和靈敏度可以鑒別檢測(cè)區(qū)內(nèi)上下位置不相互重疊的每個(gè)鋼絲，鋼絲并不只形成一處影像，而是自上而下一串強(qiáng)度逐漸減弱的影像，從鋼塑界面反射回波特征分析，除了第一處鋼塑界面反射的反射波外，在后面一定聲程外還有透射波形成的多次反射回波，按式（2）計(jì)算透射波形成的反射回波高度約為第一處鋼塑界面的反射波高度的20%。鋼塑界面間含有氣隙試樣的超聲圖像如圖9(b)所示，由于超聲波在HDPE/鋼絲界面沒有形成透射波從而鋼絲只有一處影像，從鋼塑界面反射回波特征分析，只有第一處鋼塑界面反射的反射波，沒有透射波形成的多次反射回波。因此通過試驗(yàn)研究得出：根據(jù)超聲圖像中鋼絲成像規(guī)律和鋼塑界面反射回波特征，可間接反映PSP鋼塑之間的粘合狀態(tài)，從而判斷復(fù)合管道的質(zhì)量狀況。

圖7 試樣實(shí)物

圖8 檢測(cè)試驗(yàn)照片

圖9 檢測(cè)試樣超聲成像圖

4 結(jié)論

1）采用超聲相控陣聚焦技術(shù)及B掃描實(shí)時(shí)成像技術(shù)，并選擇合適的超聲相控陣檢測(cè)參數(shù)，所得到的超聲圖像有足夠的分辨率和靈敏度可以鑒別PSP中的每個(gè)鋼絲。

2）如果鋼塑界面間粘合良好，在B掃描實(shí)時(shí)成像圖中，鋼絲并不只形成一處影像，而是自上而下一串強(qiáng)度逐漸減弱的影像。如果鋼塑界面間粘合不良，在B掃描實(shí)時(shí)成像圖中，鋼絲只有一處影像。

3）如果鋼塑界面間粘合良好，除第一處鋼塑界面反射的反射波外，在后面一定聲程外還有透射波形成的多次反射回波，透射波形成的反射回波高度約為第一處鋼塑界面的反射波高度的20%。如果鋼塑界面間粘合不良，只有第一處鋼塑界面反射的反射波，沒有透射波形成的多次反射回波。因此根據(jù)超聲圖像中鋼塑界面反射回波特征可判斷PSP鋼塑之間的粘合狀態(tài)。

[1] 鄭津洋，李翔，施建峰．鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2] Li Xiang. Study on viscoelastic behaviour of plastic pipe reinforced by cross-winding steel wire[J]. Journal of Pressure Equipment and System, 6(2008): 232-239；

[3] Zheng J Y, Gao Y J, Lin X F, et al. Investigation on short-term burst pressure of plastic pipes reinforced by cross helically wound steel wires[J]. Journal of Zhejiang University Science A, 2008, 9(5): 640-647.

[4] 施建峰．聚乙烯管道電熔接頭冷焊形成機(jī)理及其檢測(cè)和評(píng)定方法[D]．杭州：浙江大學(xué)，2011.

[5] 鄭暉，林樹青．超聲檢測(cè)［M]．北京：新華出版社，2008.

[6] 郭偉燦，鄭津洋，丁守寶，等．聚乙烯電熔接頭中金屬絲成像規(guī)律的理論分析與試驗(yàn)研究［J]．無損檢測(cè)，2009，31(11)：880-883.

An Assessment Method of Steel-plastic Adhesion Status in Plastic Pipe Reinforced by Cross Helically Wound Steel Wires

Zhong Haijian
(Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute Hangzhou 310020)

Plastic pipe reinforced by cross helically wound steel wires (PSP) has been widely used in energy field, chemical industry, ocean engineering, resources transportation and other fields, with the advantages of high strength from steel tubes, and good flexibility and corrosion resistance of plastic pipe. The steel-plastic adhesion status is important for pipeline safety, which could not be detected by conventional non-destructive testing methods. To reflect the status, ultrasonic phased array technique and B-scan real time imaging technique were conducted, and the adhesion level was detected by ultrasonic inspection testing in this paper. The image characters of steel wire and echo features from the steel-plastic interface in the testing were analyzed which showed that the steel-plastic adhesion status could be reflected indirectly by these characters.

Plastic pipe reinforced by cross helically wound steel wires Steel-plastic adhesion status Ultrasonic testing Phased array technique B-scan real time imaging technique

X933.4

B

1673-257X(2016)11-0041-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.010

鐘海見(1963～)，男，碩士，院長，副高級(jí)工程師，從事特種設(shè)備安全工作。

2016-05-06）