高密度聚乙烯管道熱熔接頭3D全聚焦成像試驗(yàn)分析

肖權(quán)旌，王 強(qiáng)，許衛(wèi)榮，谷小紅，廖曉玲，葉宇峰

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018；3.湖州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江湖州 313000；4.杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，杭州 310051；5.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310020)

0 引言

與傳統(tǒng)的金屬管道相比，高密度聚乙烯(HDPE)管道具有良好的耐腐蝕性、焊接性、力學(xué)性、較長(zhǎng)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)實(shí)用環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于天然氣和液化氣的運(yùn)輸[1-2]。隨著HDPE管道應(yīng)用范圍增加和其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π踩砸髧?yán)格，HDPE管道安全性愈發(fā)受到重視[3-5]。美國(guó)塑料管道數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(PPDC)統(tǒng)計(jì)的泄漏或失效事故數(shù)據(jù)顯示，HDPE管道接頭失效占13%[6]。因此,對(duì)HDPE管道焊接接頭實(shí)施有效檢測(cè)很有必要。

目前，對(duì)HDPE管道接頭無損檢測(cè)方法有微波檢測(cè)[7]、紅外檢測(cè)[8]、射線技術(shù)[9]和超聲檢測(cè)[10-18]等。對(duì)于HDPE管道的檢測(cè)，近年來國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用超聲相控陣方法展開了研究。ZHENG等[10]提出一種通過計(jì)算不同測(cè)試參數(shù)的加權(quán)效應(yīng)，并根據(jù)實(shí)際需求引入整體性能的概念，綜合考慮靈敏度、穿透力、信噪比、分辨率和精度優(yōu)化方法，解決厚壁HDPE管接頭檢測(cè)效果不佳問題。施建峰等[11]采用超聲相控陣方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)HDPE管道接頭進(jìn)行檢測(cè)，為HDPE管道規(guī)范施工和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了參考。方海清等[12]改進(jìn)超聲相控陣檢測(cè)的延時(shí)聚焦法則，在檢測(cè)大壁厚HDPE管道時(shí)加強(qiáng)了回波信號(hào)。全聚焦(TFM)超聲成像算法采用超聲相控陣換能器上的所有陣元對(duì)待檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)擬定焦點(diǎn)進(jìn)行聚焦；相比超聲相控陣方法，TFM可以讓各個(gè)陣元的聲束在待檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)虛擬點(diǎn)處聚焦，能夠大大提高成像時(shí)的信噪比[13]。謝世杰等[14]對(duì)HDPE試塊進(jìn)行超聲相控陣扇形掃描成像和TFM成像，成像結(jié)果表明，TFM成像在檢測(cè)深度和檢測(cè)精度上有很大提高，在實(shí)現(xiàn)HDPE試塊缺陷的定量描述上更具有優(yōu)勢(shì)。VILLAVER等[15]采用將時(shí)間反轉(zhuǎn)算子方法的分解與空間阿達(dá)瑪編碼傳輸相結(jié)合方法，解決HDPE管材的粘彈性衰減使缺陷檢測(cè)變得困難這問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)HDPE接頭TFM成像的處理，提高信噪比。ZHAO等[16]提出一種基于互易原理的多通道超聲系統(tǒng)三角矩陣聚焦算法，通過簡(jiǎn)化全矩陣聚焦方法，在保證成像質(zhì)量情況下提高數(shù)據(jù)采集和計(jì)算效率。RAO等[17]提出一種結(jié)合全聚焦方法的區(qū)域自適應(yīng)時(shí)空奇異值分解(STSVD)處理算法，對(duì)于HDPE管道焊接接頭高衰減材料中的缺陷，尤其是深層缺陷提供良好的檢測(cè)和表征。相比于TFM成像技術(shù)，3D TFM成像效果立體，能夠同時(shí)判讀一個(gè)工件中所有缺陷。MCKEE等[18]對(duì)具有雙曲面輪廓的鋁材質(zhì)工件以水耦合形式進(jìn)行3D TFM成像檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，3D TFM成像檢測(cè)對(duì)于復(fù)雜工件檢測(cè)有更好的效果。目前，針對(duì)HDPE管道熱熔接頭，基于3D TFM成像試驗(yàn)研究還比較少。

為此，本文采用3D TFM成像方法，對(duì)HDPE試塊上的?1 mm,?2 mm和?3 mm橫通孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)HDPE(400 mm×40 mm×80 mm)試塊上孔洞缺陷的三維成像，并將3D TFM成像缺陷和2D TFM成像進(jìn)行對(duì)比和分析；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸比為SDR17的HDPE管道熱熔接頭(?315 mm×18.7 mm)上的?2 mm,?3 mm和?4 mm人工孔缺陷進(jìn)行3D TFM成像，并將3D TFM成像效果和實(shí)際缺陷進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 3D TFM成像算法

取原點(diǎn)O作為n×n面陣陣元的中心點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系，取工件中點(diǎn)Q作為任意缺陷點(diǎn)，W點(diǎn)表示任意面陣陣元[19]，3D TFM模型如圖1所示。

圖1 3D TFM模型

將面陣探頭各陣元坐標(biāo)初始化，計(jì)算過程如下：

wxi={mod[(i-1)/n]-(n-1)/2}d

(1)

wyi={int[(i-1)/n]-(n-1)/2}d

(2)

wzi=h

(3)

式中,wxi，wyi，wzi分別為W點(diǎn)面陣任意陣元在X，Y，Z三個(gè)坐標(biāo)系上已初始化的坐標(biāo)點(diǎn)；d為陣元間距；h為陣元與工件在z軸方向之間的距離，因陣元與工件之間無延遲塊，因此h=0,即wzi=0；i=1,2,3,…,n2。

基于坐標(biāo)系對(duì)工件內(nèi)部檢測(cè)區(qū)域網(wǎng)格化為目標(biāo)成像區(qū)域，設(shè)目標(biāo)成像區(qū)域Q′點(diǎn)與工件內(nèi)Q點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。由陣元W發(fā)射的超聲波傳遞到工件內(nèi)的Q點(diǎn)所需時(shí)間為：

T1=[(wxi-qxi)2+(wyi-qyi)2

+(wzi-qzi)2]1/2/v

(4)

式中,qxi,qyi,qzi為工件內(nèi)任意點(diǎn)Q的三維坐標(biāo);v為工件聲速。

當(dāng)面陣陣元安裝延遲塊檢測(cè)工件時(shí)，延遲塊材料與工件材料不同會(huì)產(chǎn)生超聲波折射。本文因面陣陣元未安裝延遲塊，且面陣陣元接觸工件在工件上表面，所以由Q點(diǎn)反射的超聲波傳遞到陣元W所需時(shí)間T2與超聲波發(fā)射時(shí)間T1相同，即T2=T1。

假設(shè)Pij(t)表示全矩陣數(shù)據(jù)，則目標(biāo)成像區(qū)域Q′點(diǎn)對(duì)應(yīng)的3D TFM重構(gòu)結(jié)果為：

(5)

2 3D TFM檢測(cè)及分析

2.1 HDPE試塊

HDPE試塊材料為PE100，規(guī)格為400 mm×40 mm×80 mm，按照J(rèn)B/T 8428—2015《無損檢測(cè) 超聲試塊通用規(guī)范》要求制作。從右側(cè)開始，分別加工了?1 mm橫通孔12個(gè)、?2 mm橫通孔9個(gè)和?3 mm橫通孔5個(gè)。其中?1 mm和?2 mm的橫通孔缺陷深度分別為10,15,20,25,30,35,40,45,50 mm，?3 mm橫通孔缺陷深度為10,20,30,40,50 mm。圖2示出HDPE試塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 HDPE試塊結(jié)構(gòu)示意

2.2 HDPE熱熔接頭管道

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32434—2015《塑料管材和管件 燃?xì)夂徒o水輸配系統(tǒng)用聚乙烯(PE)管材及管件的熱熔對(duì)接程序》要求制作的熱熔接頭試樣，該管道外徑?315 mm、厚度18.7 mm。在管道圓周厚度內(nèi)分別加工了?2 mm人工孔缺陷4個(gè)，?3 mm人工孔缺陷5個(gè)，?4 mm人工孔缺陷1個(gè)。其中,?2 mm人工孔缺陷長(zhǎng)度分別為4，4,5,10 mm，深度分別為6，6,9,12 mm;?3 mm人工孔缺陷長(zhǎng)度分別為4，4,5,5,10 mm，深度分別為6,6,9,9,12 mm;?4 mm人工孔缺陷長(zhǎng)度5 mm、深度9 mm。圖3所示為HDPE管道熱熔接頭試樣。

圖3 HDPE管道熱熔接頭試樣

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用3D TFM成像算法對(duì)HDPE試塊中的橫通孔(?1 mm，?2 mm，?3 mm)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果如圖4所示。將2D TFM成像數(shù)據(jù)導(dǎo)出，在本文算法中分別進(jìn)行一次低通濾波和高通濾波，采用二階Butterworth IIR濾波器來設(shè)定濾波器系數(shù)，提高成像時(shí)信噪比，得到成像效果如圖5所示。對(duì)于HDPE試塊的橫通孔(?1 mm，?2 mm，?3 mm)缺陷，采用同頻率陣元數(shù)的換能器，利用10°～60°的超聲相控陣扇掃進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖4 HDPE試塊3D TFM成像結(jié)果

圖5 本文算法的HDPE試塊TFM成像結(jié)果

圖6 超聲相控陣扇掃成像結(jié)果

通過圖4～6的檢測(cè)結(jié)果可以看出，3D TFM對(duì)HDPE材料中橫通孔缺陷有更好的檢測(cè)和定位；對(duì)于?1 mm,?2 mm和?3 mm的橫通孔缺陷，可以成像出每個(gè)橫通孔缺陷的高度(Z)、長(zhǎng)度(Y)和寬度(X)。對(duì)于深度超過40 mm的缺陷，其2D TFM成像效果沒有近表面的成像效果好，隨著深度的增加，成像的質(zhì)量也隨之降低；本文算法在處理相同數(shù)據(jù)時(shí)，成像的結(jié)果要優(yōu)于2D TFM成像系統(tǒng)得到的成像結(jié)果。由圖6(a)可看出，當(dāng)增益設(shè)置為60 dB,超聲相控陣扇掃檢測(cè)出?3 mm橫通孔前4個(gè)缺陷，檢測(cè)深度在40 mm左右。相同的，由圖6(b)可以看出，增益設(shè)置為60 dB,超聲相控陣扇掃只能檢測(cè)出?2 mm橫通孔前7個(gè)缺陷，檢測(cè)深度在45 mm左右。由圖6(c)可以看出，增益設(shè)置為60 dB,超聲相控陣扇掃只能檢測(cè)出?1 mm橫通孔前6個(gè)缺陷，檢測(cè)深度在40 mm左右。成像結(jié)果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于TFM。

2D TFM成像和超聲相控陣扇掃得到HDPE試塊橫通孔缺陷深度結(jié)果見圖7。超聲相控陣扇掃未能檢測(cè)出HDPE試塊全部橫通孔缺陷，即便如此，對(duì)于超聲相控陣扇掃已檢測(cè)得到?1 mm,?2 mm和?3 mm深度誤差平均值分別為2.27,2.73,2.30 mm；超聲相控陣扇掃檢測(cè)與實(shí)際誤差深度超過2.2 mm，無法實(shí)現(xiàn)缺陷深度定位。

圖7 HDPE試塊橫通孔缺陷深度對(duì)比

3D TFM和2D TFM成像得到HDPE試塊橫通孔缺陷深度結(jié)果如圖8所示。在缺陷深度定位上，3D TFM成像檢測(cè)更接近實(shí)際深度，3D TFM成像檢測(cè)?1 mm,?2 mm和?3 mm深度的誤差平均值分別為1.36,1.20,0.94 mm。本文使用的算法檢測(cè)?1 mm,?2 mm和?3 mm深度的誤差平均值分別為1.44,1.23,1.06 mm。3D TFM檢測(cè)與實(shí)際誤差深度在1.4 mm以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷深度定位。

圖8 HDPE試塊橫通孔缺陷的2D和3D深度對(duì)比

通過圖8可知，對(duì)于相同的深度、不同直徑(?1 mm,?2 mm和?3 mm)的橫通孔缺陷，隨著橫通孔缺陷直徑增加，經(jīng)反射后得到的波能量強(qiáng)，信噪比高，其成像質(zhì)量也就增加。對(duì)于相同的直徑、不同深度(10～50 mm)的橫通孔缺陷，隨著深度的增加，因HDPE材料的粘彈性使得反射波不斷衰減原因，導(dǎo)致信噪比低，其成像質(zhì)量也隨之降低。

3D TFM成像得到HDPE試塊橫通孔缺陷數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 ?1 mm橫通孔缺陷數(shù)據(jù)

表2 ?2 mm橫通孔缺陷數(shù)據(jù)

表3 ?3 mm橫通孔缺陷數(shù)據(jù)

在缺陷大小定位上，3D TFM成像檢測(cè)?1 mm,?2 mm和?3 mm寬度、長(zhǎng)度和高度的誤差平均值分別為0.29,0.28,0.26 mm；12.50,11.90,12.08 mm；0.40,0.37,0.42 mm。上述結(jié)果表明,檢測(cè)得到的橫通孔缺陷的寬度與實(shí)際相差不大，誤差都在0.3 mm以內(nèi)；檢測(cè)得到橫通孔缺陷的長(zhǎng)度與實(shí)際誤差在12.5 mm以內(nèi)；檢測(cè)得到橫通孔缺陷的高度與實(shí)際誤差在0.5 mm以內(nèi)。

通過上述試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果可知：3D TFM在檢測(cè)HDPE試塊的橫通孔缺陷上，深度誤差在1.4 mm 以內(nèi)，缺陷的長(zhǎng)(Y)、寬(X)、高(Z)誤差分別在12.5,0.3,0.5 mm以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)該缺陷的定位。

針對(duì)HDPE管道熱熔接頭的人工孔缺陷，采用3D TFM成像對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖9所示。HDPE管道人工孔缺陷深度結(jié)果如圖10所示。3D TFM對(duì)HDPE管道熱熔接頭?2 mm,?3 mm和?4 mm的孔缺陷深度平均誤差分別為1.7,1.6,1.0 mm。

由圖9和圖10檢測(cè)結(jié)果可以看出，3D TFM對(duì)HDPE管道中孔缺陷的檢測(cè)有良好的效果，對(duì)于?2 mm，?3 mm和?4 mm的人工孔缺陷，可以成像出每個(gè)孔缺陷的高度(Z)、長(zhǎng)度(Y)和寬度(X)。

圖9 HDPE管道3D TFM成像結(jié)果

相比于HDPE試塊的橫通孔缺陷，3D TFM對(duì)HDPE管道中孔缺陷檢測(cè)得到缺陷深度誤差會(huì)有所增加，這是由于超聲換能器在接觸HDPE管道時(shí)，不能同HDPE試塊一樣，完全接觸耦合進(jìn)行成像檢測(cè)。其中HDPE管道中?2 mm,?3 mm人工孔缺陷深度設(shè)定在12 mm的缺陷3成像效果不佳，這是由于HDPE管道中?2 mm,?3 mm人工孔缺陷深度設(shè)定在9 mm的缺陷2與缺陷3在同一深度軸上，受缺陷2的影響，缺陷3反射后得到的超聲波能量較弱，很難檢測(cè)判斷其深度和大小。為此在原有試驗(yàn)基礎(chǔ)上，在超聲換能器處安裝了角度為36°的楔塊對(duì)HDPE管道熱熔接頭進(jìn)行成像檢測(cè)，結(jié)果如圖11所示。改進(jìn)后HDPE管道人工孔缺陷深度結(jié)果如圖12所示。

(a)?2 mm缺陷

圖11 改進(jìn)后3D TFM成像結(jié)果

(a)?2 mm缺陷

改進(jìn)后3D TFM成像檢測(cè)?2 mm,?3 mm和?4 mm的人工孔缺陷深度誤差平均值分別為1.5,1.4,1.0 mm，相對(duì)于上一個(gè)3D成像檢測(cè)得到的深度誤差平均值降低了0.2 mm。

3 結(jié)論

本文采用超聲相控陣方法、2D TFM成像算法和3D TFM成像算法,分別對(duì)HDPE試塊橫通孔缺陷和HDPE管道人工孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)分析，得出如下結(jié)論。

(1)對(duì)于HDPE試塊的橫通孔缺陷，3D TFM成像檢測(cè)更接近實(shí)際深度，3D TFM成像檢測(cè)?1 mm,?2 mm和?3 mm深度的誤差平均值分別為1.36,1.20,0.94 mm,與實(shí)際誤差深度在1.4 mm 以內(nèi)。3D TFM成像得到HDPE試塊橫通孔缺陷其檢測(cè)深度和檢測(cè)精度都強(qiáng)于超聲相控陣成像，這表明3D TFM成像檢測(cè)HDPE管道更有優(yōu)勢(shì)且有較好的應(yīng)用前景。

(2)3D TFM成像檢測(cè)得到的橫通孔缺陷寬度與實(shí)際誤差在0.3 mm以內(nèi)、橫通孔缺陷長(zhǎng)度與實(shí)際誤差在12.5 mm以內(nèi)、橫通孔缺陷高度與實(shí)際誤差在0.5 mm以內(nèi)。3D TFM在缺陷定位上，相比于2D TFM，能夠更加明了精確檢測(cè)出HDPE材料中橫通孔缺陷位置。

近年來，HDPE燃?xì)夤艿酪蛐孤┌l(fā)生爆炸事故頻頻發(fā)生，本文試驗(yàn)結(jié)果表明，3D TFM能夠更準(zhǔn)確地給出缺陷的實(shí)際大小和實(shí)際位置，為現(xiàn)場(chǎng)HDPE燃?xì)夤艿罊z測(cè)提供一定的技術(shù)參考。