基于CIVA仿真的塑料材料TOFD檢測(cè)技術(shù)研究

錢盛杰 應(yīng)家儀 高 星 沈成業(yè) 王 杜

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

塑料具有質(zhì)量輕、耐蝕性好、使用壽命長(zhǎng)且易于安裝的優(yōu)勢(shì)，塑料板材和管材已大量應(yīng)用于非金屬壓力容器和燃?xì)夤艿赖闹圃熘?，工程上常采用的材料有聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯塑料（ABS）及高密度聚乙烯（HDPE）等熱塑性塑料。 塑料在特種設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用正在不斷地普及，如：壓力容器、壓力管道、鋼制容器和管道的襯里。 由于塑料制品的生產(chǎn)工藝和技術(shù)水平還不夠完善，在生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生制造缺陷，影響其使用安全［1］。無(wú)損檢測(cè)等手段可以對(duì)塑料產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行有效地檢測(cè)，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理安全隱患。 因此，對(duì)塑料的無(wú)損檢測(cè)研究具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)對(duì)塑料設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)已有一定研究，但無(wú)損檢測(cè)手段還不夠成熟、完善，而且相對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)。 隨著在聚乙烯燃?xì)夤艿?、塑料容器等方面推出了一些可行的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，獲得了不少試驗(yàn)和應(yīng)用數(shù)據(jù)，制定了我國(guó)塑料設(shè)備的一系列標(biāo)準(zhǔn)，如JB/T 10662—2013《無(wú)損檢測(cè) 聚乙烯管道焊縫超聲檢測(cè)》、GB/T 33488—2017《化工用塑料焊接制承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法》等。 塑料設(shè)備的常見(jiàn)檢測(cè)方法有超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)及紅外熱成像檢測(cè)等。 其中，超聲檢測(cè)因具有檢測(cè)靈敏度高、效率高及安全無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，被許多學(xué)者深入研究。 沈振等利用超聲波無(wú)損檢測(cè)對(duì)無(wú)規(guī)共聚聚丙烯（PP-R）塑料管道進(jìn)行測(cè)厚，發(fā)現(xiàn)該方法具有精度更高、誤差更小等優(yōu)點(diǎn)，能滿足塑料管道壁厚的測(cè)量［2］。 王卉等研究了超聲聚焦檢測(cè)技術(shù)對(duì)PE管電熔接頭各類缺陷的檢測(cè)能力，采用相控陣超聲技術(shù)和B掃描實(shí)時(shí)成像超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)大量含缺陷接頭進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該方法具有較高的檢測(cè)靈敏度和精度［3］。目前，針對(duì)塑料的超聲檢測(cè)的主要手段有常規(guī)超聲檢測(cè)和相控陣檢測(cè)， 而利用TOFD技術(shù)進(jìn)行塑料設(shè)備的檢測(cè)還鮮有報(bào)道。

TOFD技術(shù)最早始于20世紀(jì)70年代， 由英國(guó)原子能管理局國(guó)家無(wú)損檢測(cè)研究中心的Silk M G率先提出［4］。TOFD檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)，它能滿足多種缺陷的識(shí)別、定位和定量要求。 TOFD檢測(cè)方法比常規(guī)的超聲脈沖反射法測(cè)量精度高，TOFD檢測(cè)缺陷端點(diǎn)的衍射信號(hào)可以清晰地呈現(xiàn)在TOFD檢測(cè)圖譜中。 因此，能夠精確測(cè)量缺陷的埋藏深度及其自身高度，工程實(shí)際檢測(cè)精度可達(dá)到1mm，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)人工缺陷的精度最高可達(dá)0.1mm［5］。為此，筆者將TOFD技術(shù)應(yīng)用于HDPE和PVC兩種塑料材料的檢測(cè)中，并進(jìn)行了CIVA仿真研究。

1 TOFD檢測(cè)基本原理

衍射時(shí)差法，簡(jiǎn)稱TOFD，是一種采用由被檢工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的端角和端點(diǎn)處得到的衍射信號(hào)來(lái)檢測(cè)缺陷的方法［6］。 該方法采用探頭的一發(fā)一收工作方式，檢測(cè)時(shí)發(fā)射探頭和接收探頭按一定的間距相向放置， 入射角的范圍一般為45～70°，兩個(gè)探頭為兩個(gè)頻率、 尺寸相同的縱波斜探頭。發(fā)射探頭產(chǎn)生的縱波斜入射到工件中，一部分波沿著工件表面?zhèn)鞑ゲ⒈涣硪粋€(gè)探頭所接收（稱為直通波）、一部分波是經(jīng)底面反射（底面反射波），若工件中存在缺陷，在上述兩個(gè)回波之間還會(huì)接收到缺陷上、下兩個(gè)端點(diǎn)的衍射波。 TOFD檢測(cè)與回波信號(hào)的幅值無(wú)關(guān)，而是根據(jù)衍射波的傳播時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)缺陷的定位和定量。 如圖1所示，兩個(gè)探頭的中心間距（PCS）為2S，缺陷上端點(diǎn)的埋藏深度為d1［7］，缺陷自身高度為h，縱波的波速為c，超聲傳播總時(shí)間為T， 探頭楔塊中的超聲傳播時(shí)間為t0。

圖1 計(jì)算缺陷深度的平面幾何圖形

由圖1中的幾何關(guān)系可知：

由式（1）可計(jì)算出缺陷上端點(diǎn)的埋藏深度d1，假設(shè)缺陷下端點(diǎn)的埋藏深度為d2， 同理可計(jì)算得到d2，則缺陷的自身高度h為：

若缺陷剛好處于兩個(gè)探頭的中心線上，則x=0，化簡(jiǎn)式（1）可得缺陷上端點(diǎn)的埋藏深度d1為：

2 CIVA仿真研究

2.1 塑料特性及探頭設(shè)置

在氯堿制造行業(yè)中， 常采用PVC管道代替金屬管道輸送強(qiáng)酸和強(qiáng)堿介質(zhì)。 HDPE管道具有極強(qiáng)的防腐和防銹性能，在石油化工、電力及采礦等行業(yè)中， 這種材料已取代部分鋼管。 近年來(lái)，HDPE管道應(yīng)用于核能相關(guān)的冷卻水系統(tǒng)， 為了保證核能設(shè)備的安全使用，該管道的無(wú)損檢測(cè)尤為重要。

塑料材料與金屬材料的聲學(xué)特性差異較大，HDPE和PVC的聲學(xué)參數(shù)列于表1， 其聲學(xué)特性會(huì)使檢測(cè)難度增大。 如果兩種塑料材料的聲學(xué)阻抗和聲速與常用于超聲楔塊中的材料相似，要使聲束在界面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼凵渚秃芾щy。 楔塊內(nèi)材料的聲速大小會(huì)影響TOFD圖譜的判讀， 若楔塊內(nèi)材料聲速大于工件聲速， 則在TOFD圖譜中無(wú)法形成直通波信號(hào)， 對(duì)缺陷的定位也會(huì)造成困難。 常見(jiàn)的兩種塑料楔塊材料——ABS和PS的聲速分別為2 050m/s和2 250m/s，顯然ABS的聲速小于HDPE和PVC的聲速，而PS的聲速介于HDPE和PVC之間。 因此，采用PS材料作為楔塊檢測(cè)HDPE時(shí)會(huì)產(chǎn)生直通波丟失現(xiàn)象。 此外，HDPE和PVC兩種材料與金屬相比，具有很高的聲衰減性，因此在這兩類材料的檢測(cè)中通常不能使用較高的超聲頻率。 為了克服這些困難， 筆者采取頻率為10MHz、 帶寬為70%的探頭安裝在ABS楔塊上完成檢測(cè)。

表1 HDPE和PVC兩種材料的聲學(xué)參數(shù)

2.2 試塊的制作

采用TOFD對(duì)HDPE和PVC材料制作的3塊對(duì)比試塊分別進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)其缺陷（表2）進(jìn)行仿真。 通過(guò)模擬4種缺陷的TOFD檢測(cè)圖譜，確定采用的TOFD探頭布置參數(shù)。 圖2為4種缺陷類型在CIVA對(duì)比試塊中的建模圖。

2.3 HDPE材料檢測(cè)仿真

10mm 厚HDPE 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為13.33mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加21dB。 如圖3所示，缺陷信號(hào)從左到右分別為表面開口裂紋、橫孔和底面開口裂紋。 表面開口裂紋直通波斷開；橫孔的缺陷信號(hào)和上、下尖端的信號(hào)均能看到； 底面開口裂紋底面波有明顯變化，能看到底面開口裂紋的上端衍射信號(hào)。

圖2 CIVA對(duì)比試塊建模

20mm 厚HDPE 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為38.00mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加30dB。 如圖4所示，缺陷信號(hào)從左到右分別為表面開口裂紋、14mm深橫孔、8mm深橫孔和底面開口裂紋。 表面開口裂紋直通波斷開；兩個(gè)橫孔的缺陷信號(hào)和上、下尖端的信號(hào)均能看到；底面開口裂紋底面波有明顯變化，能看到底面開口裂紋的上端衍射信號(hào)。

圖3 10mm厚HDPE材料仿真

40mm 厚HDPE 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為60.00mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加42dB。 如圖5所示，缺陷信號(hào)從左到右分別為表面開口裂紋、30mm深橫孔、10mm深橫孔和底面開口裂紋。 表面開口裂紋處的直通波有明顯變化， 但在此參數(shù)設(shè)置下無(wú)法測(cè)量深度；兩個(gè)深橫孔的缺陷信號(hào)均能看到；能發(fā)現(xiàn)底面開口裂紋。 另外，若要具體測(cè)量缺陷信息，則需要更換參數(shù)，該材料大厚度的工件應(yīng)做分區(qū)檢測(cè)。

2.4 PVC材料檢測(cè)仿真

10mm 厚PVC 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為13.33mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加30dB。 如圖6所示，缺陷信號(hào)從左到右分別為表面開口裂紋、 橫孔和底面開口裂紋。表面開口裂紋直通波斷開，但是看不到下尖端衍射信號(hào)；橫孔的缺陷信號(hào)和上、下尖端的信號(hào)均能看到，可以測(cè)量深度；底面開口裂紋能看到上端衍射信號(hào)和底面斷開部位，可以測(cè)量深度。

圖4 20mm厚HDPE材料仿真

圖5 40mm厚HDPE材料仿真

圖6 10mm厚PVC材料仿真

20mm 厚PVC 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為38.00mm，楔塊材料為ABS，角度為60°，增益為底波滿屏后再加30dB。 如圖7所示，缺陷信號(hào)從左到右分別為表面開口裂紋、8mm深橫孔、 底面開口裂紋和14mm深橫孔。 表面開口裂紋能清晰看到表面波的斷開，但無(wú)法看到下端衍射信號(hào)，無(wú)法測(cè)量深度；兩個(gè)橫孔的缺陷信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)并能測(cè)量深度，能看到上、下端衍射信號(hào)。 底面開口裂紋可以看到底面斷開和上端衍射信號(hào)，缺陷信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)并能測(cè)量深度。

圖7 20mm厚PVC材料仿真

40mm 厚PVC 板 選 用10MHz 探 頭，PCS 為38.00mm，楔塊材料為ABS，角度為55°，增益為底波滿屏后再加36dB。 如圖8所示，缺陷信號(hào)分別為表面開口裂紋、10mm深橫孔、 底面開口裂紋和30mm深橫孔。 所有缺陷均能發(fā)現(xiàn)，但在此參數(shù)設(shè)置下無(wú)法測(cè)量深度。 因此，檢測(cè)此厚度工件時(shí)，應(yīng)進(jìn)行分區(qū)檢測(cè)：小PCS檢測(cè)上半部分；大PCS檢測(cè)下半部分。

圖8 40mm厚PVC材料仿真

2.5 仿真總結(jié)

TOFD檢測(cè)技術(shù)能有效地檢測(cè)出一定范圍內(nèi)的上、 下表面缺陷和埋藏缺陷，HDPE和PVC材料的對(duì)比試塊缺陷檢出情況列于表3。 對(duì)于塑料材料來(lái)說(shuō)， 工件內(nèi)外表面缺陷可由TOFD技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，厚度大的工件需要分區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。 另外，本次仿真是在底波滿屏后再增加30～50dB不等的增益，但這與實(shí)際檢測(cè)的噪聲水平和儀器的增益范圍有關(guān)，如不能滿足，則可能導(dǎo)致部分缺陷無(wú)法檢出。

表3 對(duì)比試塊缺陷檢出情況

3 結(jié)論

3.1 TOFD 檢測(cè)技術(shù)能有效地檢測(cè)出HDPE 和PVC兩種塑料材料一定范圍內(nèi)的上、 下表面缺陷和埋藏缺陷，并能實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位和定量檢測(cè)。

3.2 TOFD檢測(cè)塑料材料時(shí)，應(yīng)選擇合理的楔塊，使楔塊聲速小于被檢塑料的聲速，以免發(fā)生直通波丟失的現(xiàn)象。

3.3 CIVA軟件中可以設(shè)置不同厚度、 不同類型缺陷的塑料TOFD檢測(cè)對(duì)比試塊， 并能模擬其超聲波、人工缺陷和工件結(jié)構(gòu)的作用，形成TOFD圖譜。