高密度聚乙烯熱熔焊縫的PAUT和TOFD檢測

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高密度聚乙烯(HDPE)管的原材料為聚乙烯，其是一種高分子量的有機(jī)合成材料。聚乙烯管是國際上應(yīng)用最為成熟的塑料壓力管道原材料。HDPE管在市政工程供水系統(tǒng)、室外埋地給水系統(tǒng)、水處理工程管道系統(tǒng)、舊管材在役修復(fù)及其他領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，HDPE管也逐漸成為燃?xì)廨斔凸艿冷佋O(shè)的主要用料。并且，因其具有耐腐蝕性的特點(diǎn)，HDPE管在海水淡化，核電站冷卻水循環(huán)等方面，開始部分替代金屬管道。

HDPE管在管道鋪設(shè)過程中，管材采用焊接的方式連接。焊接主要有電熔或熱熔兩種方法。電熔的方式在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有提及，這里不再詳述。熱熔方式(見圖1)是將兩根PE管材同時(shí)放在熱熔器夾具上，管材端面與電加熱板充分貼合，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后抽掉加熱板，再對(duì)熔融狀態(tài)的管材施加壓力使其完成焊接(見圖2)。

圖1 熱熔焊接示意

圖2 熱熔焊縫成形示意

熱熔焊接受通電時(shí)間，電流大小，焊接溫度等條件的影響，焊接時(shí)容易產(chǎn)生未熔合、夾渣、氣孔等類型的缺欠。聚乙烯材料的聲學(xué)特點(diǎn)是聲速小，衰減系數(shù)大。聚乙烯管道超聲縱波聲速在2 100～2 670 m·s-1間變化，衰減系數(shù)隨檢測頻率不同而存在較大差別[1]。

熱熔焊縫采用超聲方法進(jìn)行檢測[2-3]，由于各種因素影響，使用常規(guī)超聲檢測方法較困難。筆者利用相控陣超聲(PAUT)方法，衍射時(shí)差(TOFD)方法檢測HDPE管熱熔焊縫，為HDPE管熱熔焊縫的檢測提供了新的手段。

1 PAUT和TOFD檢測原理及檢測工藝

1.1 PAUT檢測原理

相控陣超聲檢測技術(shù)使用多陣元換能器激發(fā)和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(接收)脈沖的延遲時(shí)間，改變聲波到達(dá)物體內(nèi)某點(diǎn)的相位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)超聲波波束的掃描、偏轉(zhuǎn)、聚焦，利用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法能實(shí)現(xiàn)多種方式成像。

相控陣超聲能同時(shí)顯示多組A掃描、S掃描、B掃描和C掃描的組合視圖[4]。在檢測過程中可觀察C掃描成像，生成的可視化數(shù)據(jù)方便觀察和分析。通過多組視圖來判斷信號(hào)的特征，為進(jìn)一步分析缺欠性質(zhì)提供支持。

1.2 PAUT檢測工藝

試驗(yàn)采用2.25 MHz頻率探頭，測得焊接試件的超聲聲速為2 360 m·s-1,超聲波衰減系數(shù)為1.2 dB·mm-1。

根據(jù)實(shí)際檢測管材的壁厚設(shè)定聚焦法則。激發(fā)晶片數(shù)量和角度有必要在檢測前進(jìn)行相控陣聲場模擬，以確定聚焦法則的具體參數(shù)。壁厚為25 mm的管材檢測工藝為：采用奧林巴斯OmniScan MX2設(shè)備，配置頻率為2.25 MHz的64晶片探頭和傾斜角為35°的水耦合楔塊；一次同時(shí)激發(fā)20晶片，起始晶片為第45晶片，聚焦法則設(shè)置為縱波扇形掃查；探頭步進(jìn)偏移為2 mm，形成45°～89°扇掃描角度;使聲束入射點(diǎn)在步進(jìn)方向盡可能靠近焊縫，以減小表面盲區(qū)。圖3為壁厚25 mm管材的相控陣檢測聚焦法則的聲場模擬。

圖3 壁厚25 mm HDPE管材的相控陣檢測聚焦法則的聲場模擬

1.3 TOFD檢測原理

采用一發(fā)一收兩個(gè)相同的寬頻帶窄脈沖探頭進(jìn)行檢測，探頭相對(duì)于焊縫中心線對(duì)稱布置。發(fā)射探頭產(chǎn)生非聚焦縱波波束以一定角度范圍入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面?zhèn)鞑ケ惶筋^接收，部分波束經(jīng)底面反射后被探頭接收。接收探頭通過接收缺欠尖端的衍射信號(hào)及其時(shí)差來確定缺欠的位置和自身高度。

TOFD技術(shù)能夠形成A掃描和B掃描，B掃描能夠觀察到焊縫的截面圖;能夠采集并存儲(chǔ)檢測數(shù)據(jù)，對(duì)缺欠進(jìn)行分析和測量。

1.4 TOFD檢測工藝

采用奧林巴斯OmniScan MX2設(shè)備進(jìn)行檢測，配置頻率為2.25 MHz，晶片直徑為6 mm的探頭和32°傾斜角的水楔塊。根據(jù)HDPE管材的壁厚(25 mm)，聚焦深度設(shè)置為16.7 mm。 HDPE管材的TOFD檢測探頭聚焦法則的聲場模擬如圖4所示。

圖4 HDPE管材的TOFD檢測探頭聚焦法則的聲場模擬

2 PAUT和TOFD檢測過程

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際檢測情況，設(shè)計(jì)并制作缺欠試塊。分別對(duì)(直徑×壁厚)110 mm×10.5 mm，114 mm×17 mm，168 mm×25 mm 3種規(guī)格的管件進(jìn)行檢測。PAUT方法和TOFD方法采用編碼器記錄位置。檢測時(shí)，以水作為耦合介質(zhì)，超聲聲束以一定角度入射，通過楔塊偏轉(zhuǎn)進(jìn)入工件；根據(jù)聲場模擬制定的工藝，調(diào)試設(shè)備，使用鏈?zhǔn)綊卟槠鞴潭ㄌ筋^，調(diào)整探頭步進(jìn)偏移值；進(jìn)行檢測并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 PAUT和TOFD檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 1號(hào)管件

1號(hào)管件的規(guī)格(直徑×壁厚)為110 mm×10.5 mm,焊縫內(nèi)部制作了12個(gè)人工缺欠,其PAUT和TOFD檢測結(jié)果如圖5，6所示。

圖5 1號(hào)管件PAUT檢測結(jié)果

圖6 1號(hào)管件TOFD檢測結(jié)果

3.2 2號(hào)管件

2號(hào)管件的規(guī)格(直徑×壁厚)為114 mm×17 mm,焊縫內(nèi)部制作了7個(gè)人工缺欠，其TOFD和PAUT檢測結(jié)果如圖7，8所示。

圖7 2號(hào)管件TOFD檢測結(jié)果

圖8 2號(hào)管件PAUT檢測結(jié)果

3.3 3號(hào)管件

3號(hào)管件的規(guī)格(直徑×壁厚)為168 mm×25 mm,焊縫內(nèi)部制作了9個(gè)人工缺欠,其TOFD和PAUT檢測結(jié)果如圖9，10所示。

3.4 小結(jié)

以上3個(gè)試塊的28個(gè)缺欠，無論是PAUT技術(shù)還是TOFD技術(shù)均能檢出，總體來看PAUT檢出的缺欠長度略長。

圖9 3號(hào)管件TOFD檢測結(jié)果

圖10 3號(hào)管件PAUT檢測結(jié)果

4 結(jié)語

TOFD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)A/B顯示， PAUT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)A/B/C/S等多種視圖顯示，兩種方法均顯示直觀，測量準(zhǔn)確，利于缺陷的定量和定性。HDPE材料聲速低，衰減大，對(duì)于HDPE熱熔焊縫，采用PAUT技術(shù)和TOFD技術(shù)進(jìn)行了檢測試驗(yàn)，為熱熔焊縫的檢測提供了一種嘗試，而其檢測工藝還有待進(jìn)一步開發(fā)和完善。