PE 管材熱老化程度的超聲非線性表征

張世瑋，侯懷書，李宇翔，陳朝雷，2，余曉東

[1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海物理氣相沉積(PVD)超硬涂層及裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201418；2.上海理工大學(xué)，能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093； 3.榆林市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，陜西榆林 719000]

聚乙烯是一種熱塑性高分子材料，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易加工成型，已成為生產(chǎn)、生活等領(lǐng)域的重要材料，由于聚乙烯管材具有力學(xué)性能優(yōu)異、輕質(zhì)、耐磨等優(yōu)良特性，在輸水管和燃?xì)夤艿戎T多場(chǎng)合已逐步取代鋼管[1–2]。然而，聚乙烯管材在使用過程中由于溫度、光照、氧氣、水分等外界環(huán)境的影響會(huì)發(fā)生不同程度的老化，導(dǎo)致管道力學(xué)性能逐漸變差，嚴(yán)重影響聚乙烯管道的使用壽命。

目前，試樣分析法和無損檢測(cè)法是評(píng)估材料損傷的兩種主要方式。試樣分析法是指從被檢測(cè)構(gòu)件上截取部分材料，進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等分析，從而評(píng)估材料的損傷狀態(tài)。無損檢測(cè)法是指利用超聲、射線等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料缺陷、損傷狀態(tài)的檢測(cè)評(píng)估。然而，傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法只能檢測(cè)材料中的宏觀缺陷，如裂紋、夾雜、氣孔等，對(duì)于材料早期損傷階段形成的組織結(jié)構(gòu)變化并不敏感[3]。研究表明，非線性超聲能夠克服傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法的不足，有效表征材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，可用于材料早期性能退化的檢測(cè)[4]。目前，國(guó)內(nèi)普遍缺乏有效的聚乙烯管道老化無損評(píng)估技術(shù)。因此，基于超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)聚乙烯管道老化程度的研究就顯得極為迫切。

筆者以PE80 管材為研究對(duì)象，通過不同熱老化狀態(tài)聚乙烯管材的沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)，分析熱老化后聚乙烯材料的力學(xué)性能；基于超聲波與聚乙烯材料相互作用產(chǎn)生的非線性響應(yīng)，建立超聲非線性系數(shù)與材料沖擊強(qiáng)度的變化關(guān)系。形成非線性超聲表征聚乙烯管道老化程度的方法，將為聚乙烯管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

1 非線性超聲檢測(cè)技術(shù)

1.1 非線性超聲檢測(cè)原理

非線性超聲檢測(cè)利用聲波與材料相互作用產(chǎn)生的非線性響應(yīng)進(jìn)行材料性能的表征。研究表明，聚乙烯熱老化后的組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生很大變化，且對(duì)超聲非線性響應(yīng)有顯著影響[5]。

材料的非線性聲學(xué)響應(yīng)程度一般采用有限幅度法進(jìn)行評(píng)估，采用某一頻率的超聲波與材料相互作用，接收到的信號(hào)在頻域中會(huì)出現(xiàn)高次諧波，利用基波幅值與高次諧波幅值的相對(duì)變化量即可反映超聲非線性響應(yīng)的程度[6]。

1.2 非線性波動(dòng)方程的解

有機(jī)材料發(fā)生熱老化損傷時(shí)，其微觀組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化，聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)不再滿足線彈性關(guān)系。M.A.Breazeale 等[7]建立了固體介質(zhì)中的一維縱波方程，用來描述固體中非線性超聲波的形成，一般情況下，若考慮三階精度，固體介質(zhì)非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可描述如下[8]：

式中：σ——材料的應(yīng)力；

E——材料的拉伸彈性模量；

ε——應(yīng)變；

β——非線性系數(shù)。

由公式(1)可知，質(zhì)點(diǎn)在X 方向上的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：ρ——密度；

x——傳播距離；

u——沿X 方向上的位移；

t——傳播時(shí)間。

假設(shè)聲波沿X 軸進(jìn)入固體介質(zhì)，結(jié)合公式(1)，可得到縱波的波動(dòng)方程為：

進(jìn)入固體介質(zhì)的超聲波為u=A1sinωt （其中，A1為基波幅值，ω 是角速度)，結(jié)合式(2)、式(3)，采用近似迭代法可以得到固體介質(zhì)中超聲波的表達(dá)式：

式中：k——波數(shù)，根據(jù)公式(4)可以看出，二次諧波幅值A(chǔ)2為：

對(duì)式(5)進(jìn)行變換可以得到超聲二階非線性參量。

根據(jù)式(6)可實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲二階非線性系數(shù)的計(jì)算。二階非線性系數(shù)β 表示超聲波穿過材料時(shí)接收信號(hào)基波幅值與二次諧波幅值的相對(duì)變化量，反映了波形畸變程度，可作為描述材料超聲非線性的量化指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)變化有效檢測(cè)[9]。通常情況下，用相對(duì)二階非線性系數(shù)β′代替二階非線性系數(shù)β 表征材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，如式(7)所示。

2 原材料與儀器設(shè)備

2.1 原材料

PE80 級(jí)別聚乙烯管材：密度為0.95 g／cm3，上海海驕機(jī)電工程有限公司。

2.2 儀器及設(shè)備

高低溫試驗(yàn)箱：GDW–100 型，中科美其科技有限公司；

擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)：XJBCX 型，上海湘杰儀器儀表科技有限公司；

超聲換能器:頻率1.5 MHz，奧林巴斯(中國(guó))有限公司；

超聲信號(hào)發(fā)射接收儀：5072PR 型，奧林巴斯(中國(guó))有限公司；

高速A／D 采集卡：PCI-5114 型，美國(guó)國(guó)家儀器有限公司。

3 聚乙烯管材力學(xué)性能

3.1 管材老化試樣的制備

試驗(yàn)材料為外徑110 mm、壁厚10.7 mm 的PE80 級(jí)別聚乙烯管材。根據(jù)GB／T 7141–2008，制作聚乙烯熱老化試樣。試樣1 不做熱處理(作為未老化試樣)，進(jìn)行熱老化處理的試樣均在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行，設(shè)定加熱溫度為80℃，制備加熱時(shí)長(zhǎng)分別為60，120，180，240，300 h，記為試樣2～試樣6。

3.2 沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)

材料的沖擊強(qiáng)度表示在規(guī)定試樣下的抗沖擊能力，是衡量材料力學(xué)性能的重要參數(shù)。聚乙烯作為高分子材料，其老化的各個(gè)階段會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度的不同，因此對(duì)聚乙烯管材在老化過程中的沖擊強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析。根據(jù)GB／T1043.1–2008，在管材上截取制作多個(gè)缺口沖擊試樣(長(zhǎng)×寬×高=80 mm×4 mm×10 mm)，缺口處的深度為2 mm。

缺口沖擊強(qiáng)度通常定義為規(guī)定試樣受沖擊載荷而折斷時(shí)單位面積所吸收的能量。根據(jù)公式(8)即可計(jì)算出不同熱老化試樣的缺口沖擊強(qiáng)度[10]，結(jié)果見表1。

式中：γ——計(jì)算得到的沖擊強(qiáng)度；

A——消耗的能量；

b——試樣的寬度尺寸；

d——缺口剩余厚度。

由表1 可知，與未老化的聚乙烯管材相比，經(jīng)高低溫試驗(yàn)箱老化后聚乙烯管材的力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，缺口沖擊強(qiáng)度明顯減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是聚乙烯經(jīng)加熱老化后，發(fā)生降解反應(yīng)使其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，因此聚乙烯的缺口沖擊強(qiáng)度隨熱老化時(shí)間的增加逐漸下降。

圖1 聚乙烯管材檢測(cè)裝置圖

表1 不同熱老化試樣的缺口沖擊強(qiáng)度

4 檢測(cè)裝置及信號(hào)采集

4.1 超聲檢測(cè)裝置的搭建

為獲取聚乙烯管材的超聲脈沖信號(hào)，搭建圖1所示超聲檢測(cè)裝置。所需的硬件資源包括PC 機(jī)，超聲換能器(中心頻率為1.5 MHz)，超聲信號(hào)發(fā)射接收儀，高速A／D 采集卡等[2]。

4.2 超聲脈沖信號(hào)采集

利用圖1 所示的超聲檢測(cè)裝置，設(shè)置A／D 高速采集卡的采樣頻率為50 MHz，并適當(dāng)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)射接收儀的檢測(cè)參數(shù)。在相同的檢測(cè)參數(shù)下得到不同熱老化試樣的超聲脈沖信號(hào)，如圖2 所示。

圖2 不同熱老化試樣的超聲脈沖信號(hào)

5 聚乙烯老化程度的超聲非線性表征

聚乙烯的熱老化過程包含了一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，老化導(dǎo)致的材料組織結(jié)構(gòu)變化與缺口沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。此外，利用非線性超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)聚乙烯管材熱老化的研究，就是要獲得材料老化后組織結(jié)構(gòu)變化引起的非線性聲學(xué)響應(yīng)[11]。由此可建立超聲非線性特征參數(shù)與材料力學(xué)性能之間的變化關(guān)系。

5.1 加熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)基波和二次諧波幅值的影響

使用Matlab 對(duì)圖2 所示不同熱老化時(shí)間的超聲脈沖信號(hào)(一次回波)作快速傅里葉變換，得到信號(hào)幅值隨頻率的變化曲線，提取信號(hào)的基波幅值和二次諧波幅值，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2 所示。

由表2 可以看出，聚乙烯管材的老化對(duì)信號(hào)頻譜的基波幅值和二次諧波幅值均有影響，隨著熱老化時(shí)間增加，基波和二次諧波幅值逐漸增大。

表2 不同熱老化試樣基波和二次諧波幅值

5.2 老化時(shí)間對(duì)超聲非線性系數(shù)的影響

通常情況下，采用超聲二階非線性系數(shù)β 作為描述超聲非線性響應(yīng)的量化指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。由于聚乙烯試樣在加熱老化前后的厚度基本沒有變化，所以可對(duì)式(6)定義的超聲非線性系數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，不考慮聲波傳播距離x 對(duì)非線性響應(yīng)的影響，采用相對(duì)二階非線性系數(shù)β′代替二階非線性系數(shù)β 對(duì)聚乙烯管材的老化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，圖3 即為相對(duì)二階非線性系數(shù)隨管材熱老化時(shí)間的變化關(guān)系。

圖3 超聲非線性系數(shù)隨熱老化時(shí)間的變化關(guān)系

由圖3 可知，聚乙烯管材的超聲非線性響應(yīng)與其老化時(shí)間密切相關(guān)：隨著老熱化時(shí)間的增加，相對(duì)非線性系數(shù)逐漸增大。因此，非線性系數(shù)可用于表征聚乙烯管材的老化程度。產(chǎn)生該變化的原因可以解釋為：隨著聚乙烯管材熱老化時(shí)間的增加，產(chǎn)生的熱降解反應(yīng)使聚乙烯的結(jié)晶度變高，導(dǎo)致二次諧波幅值顯著增加，相對(duì)非線性系數(shù)逐漸增大。

5.3 超聲非線性系數(shù)與缺口沖擊強(qiáng)度的關(guān)系

固體力學(xué)的研究表明：材料的力學(xué)性能與其微觀組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。超聲學(xué)研究也表明：超聲波在固體材料中傳播時(shí)，聲波與材料組織結(jié)構(gòu)存在顯著的相互作用和影響[12–13]。通過材料微觀組織結(jié)構(gòu)可以將超聲波特性與材料的力學(xué)性能聯(lián)系起來，為材料性能退化的非線性超聲檢測(cè)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。根據(jù)以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可建立超聲非線性系數(shù)與材料性能退化參數(shù)之間的定量關(guān)系。

聚乙烯管材缺口沖擊強(qiáng)度的測(cè)量需在管材上截取缺口沖擊試樣，是一種破壞性試驗(yàn)，影響管材的正常使用。由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，管材的缺口沖擊強(qiáng)度與超聲非線性系數(shù)存在內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，建立管材缺口沖擊強(qiáng)度與超聲非線性系數(shù)的變化關(guān)系，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 缺口沖擊強(qiáng)度隨超聲非線性系數(shù)的變化關(guān)系

由圖4 可以看出，管材的缺口沖擊強(qiáng)度隨超聲非線性系數(shù)的增加逐漸減小。并結(jié)合圖3 結(jié)論可知，隨著聚乙烯熱老化時(shí)間的增加，相對(duì)非線性系數(shù)增大，管材的力學(xué)性能下降。

由于缺口沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)管材的破壞性，同時(shí)鑒于聚乙烯管材的缺口沖擊強(qiáng)度與超聲非線性系數(shù)之間存在圖4 所示的變化關(guān)系。以未老化管材的相對(duì)超聲非線性系數(shù)(0.69×10–3V–1)和缺口沖擊強(qiáng)度(15.42 kJ／m2)作為基準(zhǔn)，對(duì)未知老化程度的聚乙烯管材作超聲檢測(cè)并計(jì)算超聲非線性系數(shù)，由相對(duì)非線性系數(shù)表征聚乙烯材料的缺口沖擊強(qiáng)度，即可評(píng)估聚乙烯管材的老化程度。

6 結(jié)論

對(duì)不同熱老化時(shí)間的聚乙烯管材進(jìn)行了沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)，并基于超聲檢測(cè)技術(shù)分析了超聲信號(hào)的非線性特征，經(jīng)分析熱老化時(shí)間、缺口沖擊強(qiáng)度和非線性特征三者間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)超聲波與聚乙烯相互作用產(chǎn)生的非線性響應(yīng)與其組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。隨著聚乙烯熱老化時(shí)間的增加，超聲非線性系數(shù)逐漸增大，表明非線性超聲對(duì)聚乙烯熱老化后的組織結(jié)構(gòu)變化具有較好的敏感性。

(2)當(dāng)相對(duì)二階非線性系數(shù)大于0.69×10–3V–1時(shí)，管材的缺口沖擊強(qiáng)度小于15.42 kJ／m2，可認(rèn)為該管材已發(fā)生熱老化現(xiàn)象；聚乙烯管材的缺口沖擊強(qiáng)度隨超聲非線性系數(shù)的增加逐漸減小，建立的變化關(guān)系能夠用于聚乙烯管材熱老化程度的無損評(píng)估。