高密度聚乙烯管熱熔接頭的全聚焦成像實(shí)驗(yàn)分析

謝世杰，許衛(wèi)榮，王 強(qiáng)，廖曉玲，柳 青，谷小紅

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) a.質(zhì)量與安全工程學(xué)院;b.機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018； 2.湖州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江 湖州 313000；3. 杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江 杭州 310018)

0 引言

高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)由于其耐腐蝕、易成型、絕緣性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的輸送領(lǐng)域得到了廣泛的使用[1]。截至2015年底,中國(guó)城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)里程已經(jīng)達(dá)到4.3×105km[2]，其中大部分都是以HDPE材料作為輸送管材。由于其在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，受到焊接工藝和環(huán)境的影響，焊接接頭處易產(chǎn)生缺陷，如孔洞、夾雜等[3-4]，若不能對(duì)這些缺陷進(jìn)行及時(shí)排查，可能會(huì)給整個(gè)燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)帶來(lái)極大的安全隱患。

目前，對(duì)HDPE缺陷的檢測(cè)方法有目視檢測(cè)、射線檢測(cè)[5]和超聲檢測(cè)[6-18]等。傳統(tǒng)超聲檢測(cè)采用縱波傾斜入射方式，對(duì)內(nèi)部缺陷有一定的檢測(cè)靈敏度，但是由于超聲波在HDPE材料中傳播時(shí)的衰減和頻散導(dǎo)致的波形畸變，使常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)缺陷的定量檢測(cè)還存在一定困難，結(jié)果不夠直觀[6-7]。針對(duì)HDPE這種材料的特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用超聲相控陣方法，開展了一系列的研究。文獻(xiàn)[8]利用超聲相控陣方法對(duì)HDPE的熱熔接頭缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，證明該方法有良好的表征缺陷的能力，并能通過(guò)二維圖像來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。文獻(xiàn)[9]對(duì)HDPE燃?xì)夤艿澜宇^進(jìn)行了超聲相控陣檢測(cè)，介紹了聚乙烯燃?xì)夤艿澜宇^的超聲相控陣檢測(cè)方法與實(shí)施過(guò)程，可為規(guī)范施工和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供參考。文獻(xiàn)[10]采用超聲相控陣技術(shù)，對(duì)含有孔洞缺陷的HDPE試塊進(jìn)行了檢測(cè)和分析。文獻(xiàn)[11]采用K均值聚類算法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)相結(jié)合的圖像處理方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)HDPE接頭超聲相控陣檢測(cè)圖像的處理，提高了缺陷圖像的特征識(shí)別。由于HDPE材料的聲波傳播特性，超聲相控陣技術(shù)只在聲束聚焦點(diǎn)附近成像效果較好，遠(yuǎn)離聚焦點(diǎn)的成像信噪比較低[12]。

全聚焦(total focusing method, TFM)超聲成像算法相比于超聲相控陣方法，成像的信噪比有了很大的提高[13]。文獻(xiàn)[14]對(duì)鋼板焊縫進(jìn)行了常規(guī)相控陣和全聚焦相控陣檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：全聚焦方法比超聲相控陣法有更好的檢測(cè)效果，對(duì)未熔合、裂紋等缺陷的檢測(cè)更具優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[15]采用一種多視角的全聚焦成像方法，并在小直徑奧氏體不銹鋼管上進(jìn)行了驗(yàn)證，該方法能有效檢測(cè)小口徑管焊縫缺陷，提高信噪比。文獻(xiàn)[16]使用線性陣列的方向性函數(shù)改善全聚焦方法重建的圖像，減少了偽像，使得檢測(cè)漏檢率得到有效降低。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于角度光束虛擬源的全聚焦成像方法，通過(guò)增加特定方向性的傳輸能量來(lái)提高靈敏度，并對(duì)鎳基合金鍛件中不同深度的槽型平面缺陷進(jìn)行成像，證明了該方法的可行性。

目前，針對(duì)HDPE材料，基于超聲相控陣的TFM成像實(shí)驗(yàn)研究還比較少，為此，本文運(yùn)用全聚焦超聲成像方法，對(duì)HDPE試塊上的φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)，在MATLAB軟件中編寫全聚焦超聲成像算法，實(shí)現(xiàn)HDPE試塊上孔洞缺陷的二維成像，并將全聚焦超聲成像效果與超聲扇形掃描成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 全聚焦成像算法原理

1.1 全矩陣數(shù)據(jù)

實(shí)現(xiàn)全聚焦成像算法的第一步，是對(duì)全矩陣捕獲(full matrix capture, FMC)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。假設(shè)某一超聲換能器有N個(gè)陣元，那么全矩陣數(shù)據(jù)采集的過(guò)程，如圖1所示。首先對(duì)超聲換能器的第1個(gè)陣元進(jìn)行激勵(lì)，使其發(fā)出超聲波，然后由N個(gè)陣元晶片對(duì)反射回來(lái)的超聲回波進(jìn)行接收，這樣就能得到N個(gè)數(shù)據(jù)。假設(shè)得到的回波數(shù)據(jù)定義為S1j，其中j=1，2，…，N，那么這一組數(shù)據(jù)可以表示為S11～S1N，這樣重復(fù)N次，得到N×N個(gè)數(shù)據(jù)，即全矩陣數(shù)據(jù)，如圖2所示。Sij為第i個(gè)陣元發(fā)射，第j個(gè)陣元接收的超聲回波數(shù)據(jù)，包含了每個(gè)采樣點(diǎn)信號(hào)的幅值信息[18]。

圖1 全矩陣數(shù)據(jù)采集過(guò)程

1.2 全聚焦成像算法

全聚焦成像算法對(duì)采集到的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)、疊加，聚焦到被測(cè)區(qū)域內(nèi)的任意位置。全聚焦成像算法示意圖如圖3所示，假設(shè)一被測(cè)物體為某一矩形試塊，耦合方式采用直接接觸，相控陣探頭有N個(gè)陣元，以探頭下表面中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系Oxy，通過(guò)全矩陣采集到N×N個(gè)全矩陣數(shù)據(jù)Sij(i=1,2,…,N；j=1,2,…,N)，假設(shè)P(x,y)為被測(cè)物體上的任意一點(diǎn)，那么利用延時(shí)法對(duì)全矩陣數(shù)據(jù)中各發(fā)射-接收陣列得到回波信號(hào)的幅值進(jìn)行疊加，即可得到該點(diǎn)P(x,y)的信號(hào)幅值I(x,y)。重復(fù)上述過(guò)程，對(duì)被檢區(qū)域按照像素點(diǎn)劃分進(jìn)行幅值的疊加計(jì)算，根據(jù)疊加后幅值的大小即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)區(qū)域內(nèi)圖像的表征。

圖3 全聚焦成像算法示意圖

對(duì)于某一虛擬聚焦點(diǎn)P(x,y)，某一陣元i發(fā)射超聲波信號(hào)到P點(diǎn)，再?gòu)腜點(diǎn)反射到另一陣元j，傳播距離dxy可以由式(1)表示為[18]：

(1)

其中：xi為發(fā)射陣元中心的橫坐標(biāo)；xj為接收陣元中心的橫坐標(biāo)。

那么傳播時(shí)間tij(x,y)可以由式(2)表示為：

(2)

其中：c為超聲波在被測(cè)物體中的傳播聲速，m/s。

對(duì)于特定的聚焦點(diǎn)P(x,y)，其幅值I(x,y)可以由式(3)表示為：

(3)

其中：Sij(tij(x,y))為第i個(gè)陣元激勵(lì)、第j個(gè)陣元接收的超聲回波信號(hào)，是對(duì)虛擬聚焦點(diǎn)P(x,y)的幅值表征。

針對(duì)超聲波在HDPE材料中傳播時(shí)的衰減和頻散導(dǎo)致的波形畸變，超聲相控陣方法檢測(cè)該類材料成像質(zhì)量、成像分辨率不足等問(wèn)題，在MATLAB軟件中編寫了全聚焦超聲成像算法，實(shí)現(xiàn)了HDPE材料的TFM成像檢測(cè)。在算法中，對(duì)原始數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行了一次9.7 MHz的低通濾波和一次0.5 MHz的高通濾波，采用二階Butterworth IIR濾波器實(shí)現(xiàn)濾波器系數(shù)的設(shè)定，提高了成像的效果。

2 全聚焦超聲檢測(cè)及分析

2.1 HDPE試塊

由于HDPE管道熱熔接頭區(qū)域材質(zhì)與母材接近，故采用含預(yù)制缺陷的HDPE試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。選用PE100作為試塊的原材料，該試塊規(guī)格為400 mm×40 mm×80 mm，依據(jù)JB/T 8428—2015《無(wú)損檢測(cè) 超聲試塊通用規(guī)范》[19]制作。在試塊右側(cè)，分別加工了φ1 mm和φ2 mm橫通孔缺陷9個(gè)，φ3 mm橫通孔缺陷5個(gè)，其中，φ1 mm和φ2 mm橫通孔缺陷深度分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm，φ3 mm橫通孔缺陷深度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm。圖4為HDPE試塊設(shè)計(jì)圖。

圖4 HDPE試塊設(shè)計(jì)圖

2.2 全聚焦超聲成像系統(tǒng)與設(shè)備

本文擬采用的相控陣全聚焦快速超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)材料的超聲相控陣全聚焦成像檢測(cè)，并能夠?qū)θ劢钩上駮r(shí)所使用的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

圖5 全聚焦成像系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)使用的相控陣探頭頻率為5 MHz，探頭陣元為64，陣元間距為0.6 mm，陣元大小為0.6 mm×10 mm。檢測(cè)參數(shù)設(shè)置為縱波檢測(cè)，縱波聲速為2 300 m/s[20]，零點(diǎn)校準(zhǔn)為0.1 μs，采樣頻率為62.5 MHz，增益為50 dB，耦合劑為機(jī)油，檢測(cè)時(shí)超聲換能器位置分別位于φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷區(qū)域的正上方。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

利用該全聚焦超聲成像系統(tǒng)對(duì)HDPE試塊中的φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)， 其檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。將系統(tǒng)成像所使用的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，經(jīng)本文所述的在MATLAB軟件中編寫的全聚焦成像算法處理后，得到的檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

(a) φ1 mm橫通孔

(a) φ1 mm橫通孔

通過(guò)圖6和圖7的檢測(cè)結(jié)果可知：TFM對(duì)HDPE材料中橫通孔缺陷有良好的檢測(cè)效果。對(duì)于φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm的橫通孔缺陷，可以分辨出每個(gè)橫通孔的缺陷位置。但是對(duì)于深度較深的缺陷，沒(méi)有近表面缺陷的成像效果好，深度越深，成像的效果質(zhì)量也就越差。在5 MHz的超聲探頭頻率下，TFM在HDPE材料上的檢測(cè)深度能夠達(dá)到50 mm。

全聚焦成像系統(tǒng)檢測(cè)得到HDPE試塊橫通孔缺陷的深度，和本文算法得到HDPE試塊橫通孔缺陷的深度結(jié)果如圖8所示。在定位缺陷的深度上，本文使用的全聚焦算法更接近實(shí)際深度，缺陷深度的誤差平均值更小，φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm的誤差平均值分別為0.82 mm、0.91 mm和1.9 mm，與實(shí)際缺陷深度的誤差在2 mm以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷的深度定位。

(a) φ1 mm缺陷深度對(duì)比圖

(b) φ2 mm缺陷深度對(duì)比圖

(c) φ3 mm缺陷深度對(duì)比圖

對(duì)于同一深度不同直徑(φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm)的橫通孔缺陷，橫通孔缺陷的直徑越大，成像效果越好，這是由于缺陷尺寸越大，經(jīng)反射后接收的超聲波能量較強(qiáng)，信噪比較高。對(duì)于同一直徑不同深度(10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm)的橫通孔缺陷，隨著缺陷深度的增加，反射的超聲波能量在不斷衰減，信噪比較低。

根據(jù)全聚焦成像檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)計(jì)算得到φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷相鄰缺陷的橫坐標(biāo)相差平均值為2.750 mm、2.725 mm和5.450 mm，與實(shí)際HDPE試塊φ1 mm、φ2 mm和φ3 mm橫通孔缺陷水平間隔的設(shè)計(jì)值2.5 mm、2.5 mm和5.0 mm分別相差0.250 mm、0.225 mm和0.450 mm。上述結(jié)果表明：檢測(cè)得到的相鄰橫通孔缺陷的水平橫坐標(biāo)位置與實(shí)際相差不大，誤差都在0.5 mm之內(nèi)。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果可知：TFM在檢測(cè)HDPE材料的橫通孔缺陷上，縱向誤差在2 mm以內(nèi)，橫向水平誤差在0.5 mm以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)該類缺陷的定位，但是在縱向分辨率上還需進(jìn)一步的提高。另外，從圖8中可知，缺陷超過(guò)30 mm左右的深度時(shí)，TFM難以得到缺陷的實(shí)際大小，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

針對(duì)HDPE材料中不同直徑的橫通孔缺陷，采用相同頻率、相同陣元數(shù)目的超聲換能器，在相同的位置，采用30°到70°的超聲相控陣扇形掃描對(duì)φ1 mm和φ2 mm橫通孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。由圖9a可知：在設(shè)置增益為50 dB，聚焦深度為25 mm的條件下，超聲相控陣扇形掃描方法只能測(cè)出φ1 mm橫通孔缺陷前4個(gè)缺陷，檢測(cè)深度只有25 mm左右，成像效果要差于TFM，從圖9b中也可以得到相同的結(jié)論。

(a) φ1 mm缺陷扇形掃描成像圖

表1列出了兩種成像方法檢測(cè)出的HDPE缺陷的最大幅值，缺陷的最大幅值可以用來(lái)表征能量的均勻性[18]。由于在5 MHz探頭頻率下，扇形掃描成像方法不能檢測(cè)出缺陷5～缺陷9，故只考慮了前4個(gè)缺陷。從表1中可以看出：全聚焦成像方法缺陷最大幅值的標(biāo)準(zhǔn)差相比扇形掃描成像方法缺陷最大幅值的標(biāo)準(zhǔn)差，有很大的減少。對(duì)于φ1 mm缺陷最大幅值的標(biāo)準(zhǔn)差從16.8 dB減少到7.5 dB，對(duì)于φ2 mm缺陷最大幅值的標(biāo)準(zhǔn)差從21.0 dB減少到了6.2 dB，有將近2～3倍的提升。

表1 φ1 mm和φ2 mm缺陷的最大幅值

3 結(jié)論

(1)對(duì)于HDPE試塊內(nèi)部的橫通孔缺陷，本文采用的全聚焦超聲成像算法能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷實(shí)際位置的定位，檢測(cè)深度達(dá)50 mm，縱向誤差在2 mm以內(nèi)，橫向水平誤差在0.5 mm以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)該類缺陷的定位，但是在縱向分辨率上還需進(jìn)一步提高。

(2)TFM相比超聲相控陣扇形掃描成像方法，在檢測(cè)深度和檢測(cè)精確度上都有很大的提高，對(duì)于同一深度位置的缺陷，TFM能夠更準(zhǔn)確地給出缺陷的實(shí)際大小和實(shí)際位置，這在實(shí)現(xiàn)HDPE試塊缺陷的定量描述上更加具有優(yōu)勢(shì)。

(3)相比于扇形超聲掃描成像方法，TFM給出的φ1 mm缺陷的最大幅值標(biāo)準(zhǔn)差從16.8 dB降低到了7.5 dB，φ2 mm缺陷的最大幅值標(biāo)準(zhǔn)差從21.0 dB降低到了6.2 dB，有將近2～3倍的提升，這表明TFM在HDPE試塊缺陷的相控陣超聲檢測(cè)上有較好的應(yīng)用前景。