聚乙烯管焊接接頭相控陣超聲檢測的優(yōu)化設計

吳 軍，吳勝平，鄭 凱，范 正，許 倩，王海濤

(1.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210036；2.南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016)

0 `引言

聚乙烯又名PE，是結(jié)晶度比較高的熱塑性樹脂。不管是PE波紋管材，還是各種PE中空成型制品，使用的都是高密度聚乙烯。PE管屬于一種熱塑性聚烯烴管，其材料本質(zhì)上是結(jié)晶度較高的樹脂[1]，而且一般其必須從中選擇耐壓能力強，同時又要保證分子量大且機械性能優(yōu)異的那種。這是由于普通的樹脂材料相對不能承受嚴重的拉伸，并且剛性也不佳，在試件制作時尺寸不易控制。另一方面它連接困難，不適宜作為給水壓力管的材料。而如果是采用高密度聚乙烯材料制成的管道試件，則它們的機械強度和耐腐蝕等方面能力都可以得到顯著的提升和改善，這樣管道試件在輸送、日常使用和管網(wǎng)布設等場景下不再會因為外界的不穩(wěn)定因素而受到影響，當然在制備聚乙烯管件管材時，如果補充一定的抗氧化劑、穩(wěn)定劑或其它材料會更加有助于其性能的提高[2]。

聚乙烯熱熔管道在進行連接時，在連接處兩端施加壓力，并保持這一壓力，讓熔合平面充分冷卻凝固，以此使該連接處牢固。在上述流程開始之前，還應當對連接管道試件的端口完成銑削打磨，不僅使焊接面更加平整、而且還能夠抹除連接處表面的氧化層，在熔接中讓同分子的熔融到位。以上所述的焊接工藝步驟順序依次為調(diào)整、加熱、切換、對接加壓和冷卻凝固。其中，熔接狀態(tài)下處于粘流態(tài)的材料具有流動性，同時也會發(fā)生擴散，如果此時流動性過強則阻礙了擴散與纏結(jié)，所以對溫度等參數(shù)必須要加以限制，讓焊接材料在合適的流動狀態(tài)下實現(xiàn)真正意義上的焊接。綜上，聚乙烯熱熔工藝在對接過程中調(diào)節(jié)合適的溫度、焊接時長以及施加壓力這三點都是至關(guān)重要的[3]。必須對熔接的材料性能、應力大小和周圍環(huán)境影響等條件均加以調(diào)整或限制，才能確保熱熔焊接的穩(wěn)定可靠。一般來說，只有遵循特定規(guī)律并且針對各材料特性進行測定，對熔接質(zhì)量進行評估，確定能滿足預期標準，規(guī)范各品種規(guī)格管道試樣的加工流程，才能按既定方法和步驟對待焊聚乙烯管道完成生產(chǎn)與安裝工作。

焊接的準備流程應該安裝一般準則執(zhí)行：檢查熱熔機電源是否接好，銑刀是否能切削，加熱板加熱是否正常，機架油缸是否運行。熱熔接是溫度和力的結(jié)合，導致兩個配合的表面流向一起，產(chǎn)生一個接頭[4]。當接頭冷卻到低于材料的熔化溫度時，就會發(fā)生融合，有一個溫度范圍，任何特定的材料都可以令人滿意的接合。

近些年來，聚乙烯管焊接接頭的無損檢測技術(shù)主要有：目視檢測焊縫輪廓、微波掃描法、紅外線成像技術(shù)、X射線檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)和相控陣檢測技術(shù)等[5-10]。目前國內(nèi)研究者在超聲聚乙烯焊接接頭檢測開展了大量研究工作，解俊煒[11]等利用超聲相控陣技術(shù)，使用水楔塊，通過改變探頭的頻率對定制的聚乙烯試塊中不同深度、直徑的橫通孔缺陷進行檢測和分析，并進行了檢出率定量分析。研究結(jié)果表明：采用較低頻率的探頭，不僅能檢測到較深較大的缺陷，而且有更高的檢出率。張曉寶以研究相控陣檢測探頭的聲場特性為基礎(chǔ)，仿真研究模擬接頭缺陷對探頭各個參數(shù)的檢測影響，從仿真結(jié)果中優(yōu)化設計了探頭參數(shù)組合。通過設計若干校準試塊對儀器的相關(guān)參數(shù)進行校準設置，對制備的試樣進行超聲相控陣檢測，最后對試樣進行質(zhì)量評定。研究結(jié)果表明：超聲相控陣檢測技術(shù)能夠?qū)垡蚁┕芙宇^焊縫中的缺陷進行有效檢測[12]。王少軍等對針對聚乙烯材料聲學特性和接頭形狀對超聲波檢測有較大影響，提出了采用超聲相控陣動態(tài)聚焦和S掃查成像技術(shù)來檢測聚乙烯管道熱熔接頭進行方法。通過該方法對無缺陷試件和含有典型缺陷試件進行檢測對比，得出該方法可以有效檢測出熱熔接頭中的各種典型缺陷，并在實際工程檢測中得到驗證[13]。竺哲明等設計了一套針對熱熔接頭檢測的超聲波相控陣檢測裝置，該裝置以相控陣聚焦和超聲實時成像技術(shù)為基礎(chǔ)，采用液浸耦合技術(shù)解決了超聲波檢測聚乙烯材料的各種局限難點問題。通過使用該裝置對典型缺陷的聚乙烯接頭缺陷試樣檢測和實物解剖對比，驗證了該裝置可以可靠的發(fā)現(xiàn)聚乙烯熱熔對接接頭中的氣孔、熔合面夾雜等各類典型缺陷[14]。

本文的主要研究對象為聚乙烯管道焊接接頭，若對其采用常規(guī)超聲進行檢測則存在檢測準確度低、無法實現(xiàn)全面覆蓋的情況，由于聚乙烯材料本身衰減較大，又是對復雜的電熔和熱熔焊接接頭處進行檢測，特殊的材料及復雜的結(jié)構(gòu)會導致超聲波在其中的傳播狀況更為復雜。故而在開展超聲相控陣聚乙烯管焊接接頭實際檢測之前，有必要利用專業(yè)的超聲分析軟件對試樣進行3D建模，并根據(jù)超聲聲束傳播及缺陷響結(jié)果選擇合適的楔塊參數(shù)、探頭參數(shù)，研究陣元數(shù)目下的聲場特性，優(yōu)化探頭參數(shù)設計，確定HDPE管道超聲相控陣檢測方案[15-16]。

本研究使用由CEA研發(fā)的一款專業(yè)的無損檢測仿真軟件CIVA建立聚乙烯焊接接頭的相控陣超聲檢測仿真模型。整個仿真過程的設置包含了工件、探頭與楔塊，陣元掃查等多個部分，如圖1所示。窗口的上部和下部菜單欄中提供了各種文件和參數(shù)選項，用戶可以依據(jù)個人需求來定義工件(包括尺寸形狀和基本力學參數(shù)等)、探頭(包括探頭外形和聲學特性)、檢測參數(shù)(包括探頭的相對位置以及介質(zhì)屬性)、計算方式類型等[17-19]。聲場仿真模塊中的工件既可以是同一純凈材料制作，也可以是由多種材料混合形成。其可以符合各向同性，也可以不滿足。材料的各種基礎(chǔ)屬性，比如衰減系數(shù)等，都可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整。在計算過程中，該模塊可以使用接觸式、液浸式的單晶探頭或者相控陣探頭。探頭發(fā)射聲波處可以是平面，也可以帶有一定的弧度。在聲場模塊的操作界面中，應當先對工件等進行設置，然后根據(jù)檢測過程中的探頭實際尺寸、相對位置以及周邊情況依次調(diào)整，最后還應當對聚焦法則進行調(diào)整[20-22]。

圖1 CIVA仿真流程圖

1 幾何模型及仿真參數(shù)設置

PE管按照材質(zhì)一般有中密度和高密度之分，而如果按照壁厚與直徑比例，又能分為兩種常見的系列。各自用于傳輸人工煤氣、天然氣、液化石油氣等。根據(jù)國標中的最新規(guī)定，給水管材質(zhì)的等級對應其能承受的壓強，同時去除以前的拉伸強度性能，另外補充了斷裂伸長率，意味著更加注重韌性。為了保證模擬仿真結(jié)果的可靠性，在CIVA中按照實際檢測中的聚乙烯管要求建立等比例模型，構(gòu)建DN315聚乙烯管道的熱熔接頭相控陣超聲仿真模型，并進行聲場計算，如圖2所示。在仿真探頭設置中，根據(jù)實驗室已采購的探頭型號，設置檢測探頭的各項參數(shù)，保障聲場仿真結(jié)果可得到實驗驗證。準確設置工件和探頭參數(shù)，以提高仿真分析的準確性；合理設置計算模式和區(qū)域，以提高聲場計算的效率。

圖2 基于CIVA仿真軟件的聚乙烯管道接頭檢測模型

1)工件：

建立公稱外徑為160 mm，管道壁厚為15 mm的聚乙烯管道。試件材料一般是各向同性的聚乙烯材料，其縱波聲速約為2 300 m/s?？紤]到聚乙烯材料的晶粒因素，還應當補充對應的衰減參數(shù)。探頭應當與工件緊密耦合。

2)探頭：

相控陣探頭按其陣列排布不同分類繁多，各異的排布類型會使得它們的聲場也各具優(yōu)勢，對其進行合理選擇以能夠滿足不同的檢測需求。本文課題中主要選用一維線陣探頭進行模擬與仿真，該線陣探頭的參數(shù)包括：探頭的中心頻率，探頭中心頻率常用的從2.25 MHz到10 MHz不等。其它參數(shù)還有陣元長度、寬度、間距、間隙以及陣元數(shù)量等，其中陣元數(shù)量常用的又有16陣元，32陣元和64陣元。

3)楔塊：

楔塊作為角度聲束偏轉(zhuǎn)的主要配置，一般有縱波角度楔塊和橫波角度楔塊，按楔塊材料不同一般有機玻璃、水楔塊、各類樹脂材料等，同時不同材料的楔塊聲阻抗也表現(xiàn)不同。改變楔塊的角度，可以實現(xiàn)聲束方向的調(diào)整。界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗相差較小，則聲壓往復透射率就越高，反之就越低。因此，不同聲阻抗的楔塊對入射聲壓的影響不同，選擇合適的楔塊能夠保證聲壓的最大入射，以提高檢測靈敏度。

4)衰減與噪聲：

介質(zhì)的散射衰減與頻率f、晶粒直徑d有關(guān)，當d<λ時，散射衰減系數(shù)f與d成正比。此外，因為聚乙烯材料更為特殊，如果選用探頭的頻率較高，其衰減系數(shù)會增加，且檢測時出現(xiàn)的雜波也會影響很大，那么信噪比發(fā)生下降，且此時穿透效果會較差。按照下式在仿真中設置衰減系數(shù)：

(1)

式(1)中，B1，B2為第1次、2次底波高度與滿屏高度百分比；δ為反射損失，每次反射損失約為0.5～1.0 dB。

2 PE管聚焦聲場特性影響因素分析

為研究不同影響因素對PE管聚焦聲場的影響，分別設置了頻率、陣元數(shù)量、陣元間距和楔塊材料等不同參數(shù)的實驗，對比驗證之后得到最佳參數(shù)。

2.1 頻率

為研究陣元頻率對聚乙烯檢測的影響，設置線陣陣元的長度為10 mm，陣元間距0.6 mm，陣元數(shù)量32，陣元中心頻率分別為1 MHz、5 MHz、10 MHz三種，獲得不同頻率下的檢測聲場如圖3所示。以圖3聲場焦點為中心所形成的一個聚焦區(qū)域，也稱之為焦柱。由于焦柱的尺寸直接反映了檢測聲場的優(yōu)劣，因此通過比較焦柱長度和寬度來確定不同頻率探頭在聚乙烯材料中的聲場特性。確定焦柱的長度與寬度可采用有效聚焦區(qū)下降﹣6 dB 法來確定，焦區(qū)長度定義為最高幅值下降80%的范圍。焦柱寬度定義為最高幅值下降50%的范圍。不同頻率在不同聚焦深度下的焦柱長度和寬度如圖4所示。當探頭的中心頻率設置1 MHz 時，焦柱長度較大但寬度較寬說明該頻率下聲場具有較大的范圍但橫向分辨率不高；當探頭頻率為 5 MHz 時，焦柱長度適中，寬度較窄說明該頻率下聚焦范圍適中，具有較好的檢測靈敏度和橫向分辨率，適用于快速掃查；當探頭的中心頻率設置為 10 MHz 時焦柱長度過小，寬度極窄說明該頻率下檢測靈敏度不高，但具有很好的橫向分辨率。綜合發(fā)現(xiàn)，焦區(qū)尺寸的增大速率(斜率)隨頻率的增大而減小，即增大頻率可抑制由焦距增大引起的焦區(qū)尺寸增大，但增大頻率同時也會造成更大的衰減。因此選擇5 MHz的作為檢測探頭的中心頻率。

圖3 不同頻率下的焊接接頭內(nèi)聚焦聲場分布

圖4 頻率對聚焦區(qū)長度及寬度的影響

2.2 陣元數(shù)量

為研究陣元數(shù)量對聚乙烯檢測的影響，設置陣元頻率為5 MHz，陣元數(shù)量分別為 8 、 16 與 32 的探頭進行研究分析，對比不同陣元數(shù)所生成的聲場分布和聲場焦區(qū)尺寸如圖 5和圖6所示。其中，圖5為不同陣元數(shù)的聲場分布，聲場分布圖中某一點的顏色代表該點處的聲壓值，其顏色越明亮表明該位置處的能量越集中，則其中的聲壓值也越大，從而可得到最佳的成像效果，針對所采取的陣元數(shù)的不同，其缺陷的成像質(zhì)量其與聲場分布中能量的匯聚程度保持一致。當陣元數(shù)量為8陣元時，圖5顯示能量較高的檢測聲束僅存在于近表面，圖6顯示焦柱長度和寬度均較大，說明8陣元的檢測范圍較大但檢測聲束能量極低同時橫向分辨率不佳；當陣元數(shù)量為16陣元時，圖5顯示主聲束能夠在近表面以及較遠的區(qū)域形成檢測聲場，圖6顯示焦柱長度和寬度均比8陣元小，說明16陣元檢測范圍沒有8陣元大，但橫向分辨率以及聚焦能力優(yōu)于8陣元；當陣元數(shù)量為32陣元時，圖5顯示主聲束能夠在遠表面形成良好的檢測聲場，圖6顯示32陣元下的焦柱長度和寬度均較小，說明檢測范圍較小，但檢測能量較集中。一般線陣探頭的陣元數(shù)有32陣元和64陣元2種規(guī)格。仿真結(jié)果顯示32陣元具有合適的檢測靈敏度和分辨率，適合作為檢測中的有效激發(fā)陣元數(shù)。

圖5 不同陣元數(shù)下的焊接接頭內(nèi)聚焦聲場分布

圖6 陣元數(shù)對聚焦區(qū)長度及寬度的影響

2.3 陣元間距

陣元間距也是探頭的重要參數(shù)之一，間距的大小會影響超聲波的主瓣與旁瓣，從而影響超聲相控陣檢測聲場分布，左右缺陷檢測的效果。相控陣聲場分布若滿足主瓣尖銳、旁瓣較低以及無柵瓣這3個要求即可稱為理想的聲場聚焦。為研究陣元間距對聚乙烯檢測的影響，設置陣元頻率為5 MHz，陣元數(shù)量為32陣元，對比0.2 mm、0.6 mm、1.0 mm陣元間距下的聲場分布和聲場焦區(qū)尺寸如圖7和圖8所示。 當陣元間距為0.2 mm時，圖7顯示該間距下具有較大范圍的檢測聲場，圖8顯示焦柱長度和寬度均較大，說明0.2 mm陣元間距下的有效聚焦范圍較大但橫向分辨率不佳，聚焦能力不強；當陣元間距為0.6 mm時，圖7顯示主聲束能夠在近表面以及稍遠區(qū)域形成有效的檢測聲束，圖8顯示焦柱長度和寬度均比0.2 mm小，說明0.6 mm間距的檢測范圍沒有0.2 mm間距大，但橫向分辨率以及聚焦能力優(yōu)于0.2 mm；當陣元間距為1.0 mm時，圖7顯示聲場區(qū)域減小且變窄，圖8顯示32陣元下的焦柱長度和寬度均減小，說明1.0 mm間距下的檢測范圍較小，但具有優(yōu)良的橫向分辨率。一般在進行檢測時，首先需要考慮的是檢測靈敏度，因為首先確定的是材料有無損傷其次是損傷多大即橫向分辨率。因此選擇具有最佳檢測靈敏度的0.2 mm間距作為檢測探頭間距。

圖7 不同陣元間距下的焊接接頭內(nèi)聚焦聲場分布

圖8 陣元間距對聚焦區(qū)長度及寬度的影響

2.4 楔塊材料

在檢測聚乙烯管道焊接接頭時，為了將檢測聲束偏轉(zhuǎn)到工件感興趣的結(jié)構(gòu)一般會配置有角度的楔塊進行檢測。楔塊的聲阻抗以及偏轉(zhuǎn)角度直接決定入射聲束的能量以及有效的檢測區(qū)域范圍。仿真對3種常用的楔塊材料進行了研究，他們分別是有機玻璃其聲速為2 730 m/s，環(huán)氧樹脂其聲速為 2 540 m/s和聚苯乙烯其聲速為2 337 m/s。圖9為有機玻璃楔塊耦合下的模擬聲場及缺陷響應結(jié)果。分別獲得3種楔塊檢測的缺陷響應A波幅值如圖10所示。圖10顯示，材料聲速較低的聚苯乙烯楔塊獲得的A波最大幅值為1.328 dB，材料聲速中等的環(huán)氧樹脂楔塊獲得的A波最大幅值為1.298 dB，材料聲速較高的有機玻璃楔塊獲得的A波最大幅值為1.246 dB。通過響應結(jié)果計算得到有機玻璃楔塊材料的衰減為1.1 dB/mm，環(huán)氧樹脂楔塊材料的衰減為0.91 dB/ mm，聚苯乙烯楔塊材料的衰減為0.83 dB/mm。因此實際檢測時應該盡可能選擇聲速較低的材料作為楔塊材料。

圖9 楔塊耦合下的模擬聲場及缺陷響應

圖10 不同楔塊材料下的缺陷響應幅值

3 材料聲衰減特性研究

由于PE該材料為粘彈性材料，超聲波在內(nèi)部傳播過程中衰減嚴重，相較于縱波，橫波波長短，穿透能力更差，其能量無法穿透熱熔接頭全厚度范圍。同時，信號頻譜向低頻方向移動導致波形發(fā)生畸變。當檢測深度較大時，聚焦的焦柱直徑大，直接影響檢測信噪比。未對其聲學特性進行深入研究，在牌號為PE100的試件上加工成不同厚度的階梯試塊。其階梯高度依次為：10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm。加工后的試塊如圖11所示。利用5種不同規(guī)格直探頭進行檢測，采集不同深度下的底面回波信號，記錄不同底面回波信號幅值達到滿屏80%時的系統(tǒng)增益。測試中使用了5種不同頻率的探頭，依次為1、1.5、2、3、4 MHz。

圖11 階梯試件結(jié)構(gòu)圖

對聚乙烯材料而言，引起超聲波衰減的主要因素是晶粒散射衰減，次要因素是介質(zhì)吸收衰減。超聲檢測聚乙烯材料時，介質(zhì)衰減系數(shù)α等于散射衰減系數(shù)αs和吸收衰減系數(shù)αa之和，如下式所示：

α=αa+αs

(2)

(3)

式(2)、(3)中，f為聲波頻率，單位(Hz)；d為介質(zhì)的晶粒直徑，單位(m)；λ為波長，單位(m)；F為各向異性系數(shù)；c1，c2為常數(shù)。

仿真測試及階梯試塊測試中在不同深度下底面回波達到滿屏80%時所需的增益結(jié)果如圖12所示。圖中顯示，對于同一頻率的探頭，隨著檢測厚度的增加，要將底波調(diào)節(jié)至滿屏80%的增益值不斷增加，這驗證了之前說明的該衰減是隨著檢測距離的增加而不斷增加的。對于同一厚度不同頻率的探頭，檢測厚度在15 mm以內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以看到1 MHz、1.5 MHz、2 MHz這3種探頭的衰減規(guī)律并不完全符合超聲波衰減的概念規(guī)律。這是由于當前的檢測厚度位于探頭的近場區(qū)，在近場區(qū)里面存在著聲壓的極大極小值，這會嚴重影響對探頭衰減數(shù)據(jù)的獲取，因此在該檢測厚度范圍中出現(xiàn)了高頻率探頭的80%底波增益值有時會略低于低頻率探頭的情況。此外，當試件深度一定時，隨著檢測頻率的增大，聲波衰減也隨之增大。 經(jīng)過分析，當管壁厚度小于20 mm時可以選擇中頻探頭。當管壁厚度大于20 mm時可以選擇低頻探頭。

圖12 不同深度回波幅值達到80%時所需的增益

4 耦合材料的接頭檢測專用楔形組件設計及試驗

檢測PE管接頭的關(guān)鍵在于材料的選擇與聲束方向和擴散角的控制，一般是將探頭安裝在楔快上，楔塊的主要作用是將超聲聲束偏轉(zhuǎn)到接頭內(nèi)指定的檢測區(qū)域。針對曲率檢測面以及衰減材料，多次設計并優(yōu)化角度楔形耦合裝置，以保證使用最佳的入射聲束進行試驗。由于聚乙烯中橫波速度很小，衰減也很大，在常規(guī)角度入射時斜楔/聚乙烯界面上轉(zhuǎn)換的橫波聲能很小，可以忽略不計，因此設計采用縱波檢測。

由斯涅爾定律可知，為了在聲束傳播相對較慢的PE管中產(chǎn)生更高的角度，有必要使用一種聲速更慢的楔形材料。 目前常用的聚四氟乙烯的聲速較低為1 422 m/s，但是材料衰減嚴重，達到了1.27 dB/mm。水的聲速為1 480 m/s，同樣可以獲得較高的偏轉(zhuǎn)角度。最終選擇以水作為耦合材料。考慮到水的流動性較強，設計了一個固體凝膠填充的拱形的楔塊組件，組件進行了包括四版優(yōu)化設計，如圖13所示。

圖13 四版專用于PE管焊接接頭超聲檢測楔塊組件設計

一般的楔塊由于較長的前沿設計會使聲能在楔塊內(nèi)嚴重衰減，為使前沿值盡可能的小，楔塊主體結(jié)構(gòu)設計為拱橋形如上圖所示。楔塊由楔塊主體、上蓋板和下蓋板組合而成，將水包裹在腔體內(nèi)。斜楔上設有注水孔、排氣孔和掃查器夾持孔，拱橋大小與管子卷邊尺寸相關(guān)，內(nèi)腔以水作為聲傳播介質(zhì)。楔塊實現(xiàn)聲能的傳遞。楔塊底部有凸臺，下蓋板與凸臺之間嵌有高彈性薄膜，保證楔塊與管子表面曲率達到完美的匹配效果。上蓋板設有排氣孔和注水孔，使用時通過往楔塊內(nèi)充水來確保楔塊內(nèi)沒有空氣，并施加一定壓力壓縮薄膜以起到密封作用。

1)第一版楔形組件存在問題研究：

由于楔塊水膜與工件卷邊有間隙，在耦合過程中，當水充滿間隙時，聲波穿過薄膜在水中傳播，反射回來被探頭接收，在上表面形成干擾信號，從而影響上表面缺陷的檢出，如圖14所示。

圖14 一版楔塊組件存在多處非相關(guān)信號干擾

2)第二版楔形組件存在問題研究：

為解決第二版的非相關(guān)信號的干擾問題，除了在設計上考慮保水，去除氣泡影響。還決定在楔塊水包前增加加薄金屬塊固定。如圖15顯示，增加支架后水波產(chǎn)生的干擾信號對對檢測區(qū)域的影響比第一版的干擾小，對比試塊上的兩種類型的缺陷前端信號對關(guān)注區(qū)域的影響有明顯的上移，成像質(zhì)量有所改善。但并不是理想狀態(tài)，上表面仍然存在6 mm左右盲區(qū)。

圖15 二版楔塊組件存在近表面盲區(qū)較大問題

3)第三版楔形組件存在問題：

由于第二版楔塊組件存在較大的近表面盲區(qū)，一般焊接接頭的一些關(guān)鍵性缺陷主要在卷邊及管道上部形成，因此，較大的近表面盲區(qū)極不利于檢測甚至會出現(xiàn)漏檢誤檢情況?；诘诙嫘ㄐ谓M件基礎(chǔ)上優(yōu)化設計出了第三版組件。第三版組件主要在拱橋兩面增加保水膠條，保證楔塊與卷邊間隙內(nèi)充滿一定高度的水層，完美解決上表面檢測盲區(qū)問題。但由于這種結(jié)構(gòu)的楔塊，除了要考慮內(nèi)腔保水的問題還需要考慮拱橋內(nèi)進水出水的問題，再加上現(xiàn)場的管子卷邊尺寸的難以控制，設計難度大，機械加工難以保證，即使加工完成不易實現(xiàn)現(xiàn)場在役檢測。

4)第四版楔形組件優(yōu)化：

第三版楔塊耦合組件經(jīng)過加裝保水條，保持了檢測水壓的相對穩(wěn)定，使近表面盲區(qū)從二版的6 mm縮小為1 mm，第三版組件在實驗室研究環(huán)境下完全滿足檢測要求，但是實際工業(yè)檢測由于移動范圍大，檢測過程中由于管道表面狀況未保證足夠的靈敏度不同探頭施壓不同，這樣會造成水囊中的水壓多次移動擠壓后壓力不穩(wěn)定，不好控制。第四版在第三版的基礎(chǔ)上將腔體內(nèi)的水膜耦合改為固體凝膠填充耦合。由于聚苯乙烯凝膠材料也是低聲速材料，通過聲速測定和靈敏度對比試驗，改材料完全可以替代水作為聲束偏轉(zhuǎn)介質(zhì)，測試結(jié)果如圖16所示，優(yōu)化后的檢測效果如圖17所示。

圖16 不同耦合劑的靈敏度測試比較

圖17 設計優(yōu)化后的凝膠拱形楔塊組件檢測效果

5 結(jié)束語

根據(jù)聚乙烯管外形結(jié)構(gòu)及材料屬性建立PE管的幾何模型，結(jié)合聲場模擬結(jié)果以及不同聚焦深度下的焦柱尺寸對比結(jié)果，分析陣元頻率、陣元數(shù)量、陣元間距對PE管檢測的影響規(guī)律。同時，基于聲場模擬、缺陷響應、以及信號幅值變化分析了楔塊材料對檢測結(jié)果的影響，給出了楔塊材料的選擇方法和理論依據(jù)。得到的主要結(jié)論有以下四點：1)焦區(qū)尺寸的增大速率(斜率)隨陣元數(shù)的增大而減小，即增加陣元數(shù)量可抑制由焦距增大引起的焦區(qū)尺寸增大；2)焦區(qū)尺寸的增大速率(斜率)隨頻率的增大而減小，即增大頻率可抑制由焦距增大引起的焦區(qū)尺寸增大；3)焦區(qū)尺寸的增大速率(斜率)隨陣元間距的增大而減小，即增大陣元間距可抑制由焦距增大引起的焦區(qū)尺寸增大。綜上，增大陣元數(shù)、頻率、陣元間距有利于減小聚焦尺寸，提高檢測分辨率；4)楔塊材料聲速越小，楔內(nèi)檢測聲束的衰減越小，使用縱波入射時的入射角度越大，越有利于進行上部焊接接頭的覆蓋檢測。