PE管焊縫缺陷超聲檢測效果的模糊評價

王仕芳，李　俊，李　濤，陳　超，高　寧

（四川理工學院機械工程學院，四川　自貢 643000）

PE管焊縫缺陷超聲檢測效果的模糊評價

王仕芳，李俊，李濤，陳超，高寧

（四川理工學院機械工程學院，四川自貢 643000）

針對聚乙烯管道運行過程中因存在缺陷而導致的安全風險，采用超聲波技術檢測聚乙烯管熱熔焊接（特別是現場焊接）焊縫處的各種缺陷，并對缺陷的檢測效果展開模糊評價。通過選用和制作不同類型的超聲探頭和PE管焊縫缺陷試塊，分別采用5種定制探頭檢測及分析4種常見的PE管焊縫缺陷：氣孔、夾雜、裂紋、脫層。在不同探頭對各種類型缺陷的檢出率和定量效果的基礎上，利用模糊評價方法評估其檢測效果，并驗證其正確性。結果表明：不同類型探頭對PE管缺陷檢出率和定量效果差異明顯，可通過選用適合的超聲波探頭檢測PE管焊縫缺陷。

聚乙烯；無損檢測；超聲波檢測；模糊評價

0　引言

近年來，塑料管因其良好的耐腐蝕性、成型加工特性和抗污染性等特點，應用發展極其迅速，逐漸替代了鋼管在各方面的應用［1-2］。聚乙烯（polyethylene，PE）管作為一種綠色環保型塑料管材，綜合性能優越，預期使用壽命長（可達50年）［3］，在城鎮燃氣輸送、農業灌溉、工業流體運輸等領域得到了廣泛應用。根據最近的一項經濟研究［4-6］，僅歐洲聯盟2012年生產塑料就達4590萬噸，其中PE占29.5%。

熱熔焊接經濟可靠，連接簡單快速，已廣泛應用于各種規格的PE管道連接。然而，施工現場熱熔焊接接頭的性能易受各種環境條件和焊接工藝的影響，接頭處不可避免地容易產生各種缺陷，如氣孔、夾雜、未焊透等，從而降低焊接質量，誘發管道失效，嚴重時甚至可能引發重大安全事故［7］。因此，PE管材熱熔焊接焊縫的無損檢測至關重要。隨著金屬無損檢測技術的發展，復合材料的超聲檢測已成為近年來國內外的研究熱點［8-9］，相關研究已獲得一些進展，如超聲波衍射時差法（TOFD）、超聲相控陣列技術檢測塑料熔接管道缺陷［10-12］。

然而，基于TOFD和超聲相控陣列技術的檢測方法相對繁瑣、設備較貴，需要額外的附件配合使用，工程應用受到一定程度的限制。為此，本研究針對PE管材的特點，基于普通數字超聲檢測儀，對PE管熱熔焊接接頭處不同種類缺陷的檢測效果及其評價方法進行研究，以期實現PE等塑料管超聲波檢測的工程化應用。

1　檢測原理及實驗方案

1.1超聲檢測原理

超聲檢測利用脈沖回波反射原理進行缺陷檢測，即探頭發射脈沖經過耦合劑到達被測物體表面產生始波，進入物體后遇到缺陷產生缺陷回波，由物體表面反射的脈沖信號時間t1及缺陷反射的脈沖信號時間t2，得出（t2-t1）為超聲波由物體表面到達缺陷并返回至物體表面所經歷的時間。根據超聲波在被檢物體中的傳播速度，計算缺陷與物體表面的相對位置［13］為

式中：ν——超聲波在物體中傳播速度；

s——物體表面到缺陷的距離。

1.2實驗方案

由于PE材料性質與鋼有很大不同，故超聲波檢測缺陷時需考慮以下關鍵問題：探頭參數，管道接頭幾何特性及熱影響區域，材料聲速，掃描范圍。

1）探頭參數確定。PE材料衰減大且聲速小，頻率越高衰減就越大，同時為了超聲檢測時有足夠的穿透性和靈敏度，使用頻率又不能太低，故采用2MHz 或2.5MHz的檢測頻率。而高衰減限制了收發探頭之間距離，但可以調整楔形塊的角度使之適合缺陷信號顯示，因此選用63.4°或68.2°的折射角（即K值取2或2.5）。由于管道檢測面為曲面，傳統的平面型超聲斜探頭與被檢測面的接觸均為線接觸，造成超聲波散射嚴重，靈敏度大大降低。為提高檢測效果，特制作弧形底面的探頭與管道曲率相配合。根據日本、美國相關標準，曲率半徑為R1的試塊，其探頭曲率半徑可選擇為因此，本研究中所用5種探頭分別為①2P9×9K2.5平底、②2P9×9K2.5弧形底面、③2P13×13K2.5平底、④2P13×13K2.5弧形底面、⑤2.5P13×13K2平底，其中兩個特制弧形探頭底面直徑為160mm。

2）試塊制作。實驗選取SDR11系列，公稱直徑φ160 mm的聚乙烯管進行熱熔焊接，分別產生氣孔、夾雜、裂紋、脫層4種缺陷，并制成寬60mm、長200mm包含接頭的條狀試塊。由于塑料管熱熔焊接過程中要產生翻邊（即卷邊），為了避免翻邊的影響，在將管道焊縫接頭加工成條狀試樣后，去除內外翻邊，以減小內外翻邊對超聲檢測產生干擾。

3）材料聲速。為了確定超聲波在PE管中的聲速，采用聲發射方式進行測定，并在標準試塊上進行聲速校正。

4）掃描范圍。如圖1所示，PE管壁厚10mm，垂直方向接近上表面距離h是檢測盲區，b為探頭前沿。由式（2）知水平掃描范圍為S-b=10K-b，垂直掃描范圍為10-h=10-b/K。

具體實驗方案如圖2所示，本研究采用縱波脈沖反射法，參照標準 JB/T 4730.3——2005《承壓設備無損檢測 超聲波檢測》進行試驗，根據PE材料的特性，制作專用的斜探頭和PE試塊；使用聲發射法測出實驗PE管聲速，并在檢測前對聲速、零偏、前沿、K值進行校正；使用人工預制橫孔缺陷的對比試塊制作距離-波幅（DAC）曲線，然后在帶缺陷的試件上進行檢測并記錄數據。

圖1 超聲掃描范圍

圖2 實驗流程圖

圖3　 聲速檢測原理

2　實驗及分析

2.1聲速實驗

本研究采用聲發射中的時差線定位技術［15］測聲速，其定位原理如圖3所示，位置1為聲發射信號源，位置2和位置3各有一探頭，信號從位置1到達位置2的時間為t1，到達位置3的時間為t2，信號先后到達兩個探頭之間的時差Δt=（t2-t1），以D表示兩探頭間的距離，ν表示聲波在試樣中的傳播速度，則聲速為

截取一段長300mm的PE管，采用雙通道聲發射測試系統PCI-2和兩個DP15I探頭，在位置1發出聲信號，將探頭分別置于位置2、位置3接頭聲信號并記錄接收信號的時間t1、t2，其中D=150mm。結果顯示，6次測量聲速分別是2092.05，1913.27，2127.66，1 981.51，2 475.25，2 362.20 m/s，取平均值得到平均聲速2158.66m/s，與文獻［1］給出的縱波聲速2150m/s接近。

2.2缺陷檢測實驗

采用HS620超聲波探傷儀和5種類型探頭參照標準JB/T 4730.3——2005分別校正聲速、零偏、前沿、K值，在人工預制橫孔缺陷的對比試塊上制作距離-波幅曲線（DAC曲線）后，對焊縫處含有氣孔、夾雜、裂紋、脫層的PE管試塊分別進行探傷。如圖4所示，其中q是缺陷距焊縫中心線的距離，S3是缺陷波幅最大反射點至試板左端的距離，q和S3確定缺陷的位置。S1是缺陷左端至試板左端的距離，S2是缺陷右端至試板左端的距離，S2-S1即為缺陷寬度L。探傷結果見表1。

圖4　 探傷示意圖

表1　超聲探傷結果1）

3　模糊評價

模糊評價法的實質是以模糊數學為理論基礎，利用模糊變換原理和最大隸屬度原則，對受到多種因素制約的事物或對象作出總體評價［16］。本研究在PE管缺陷超聲波檢測數據（如表1）的基礎上，利用模糊綜合評價方法對各探頭檢測不同缺陷的檢出效果和定量精度進行評估，為PE管缺陷檢測時探頭的選擇提供參考。為此，根據模糊綜合評價方法，需首先建立因素集、評價集、隸屬函數和權重集，以便在此基礎上對探頭檢測缺陷效果進行綜合評價。具體步驟如下：

1）建立對象集和因素集。以不同類型探頭X= ｛X1，X2，X3，X4，X5｝=｛①，②，③，④，⑤｝為對象集；缺陷U=｛u1，u2，u3，u4｝=｛氣孔，夾雜，裂紋，脫層｝的檢測效果（檢出率和定量）為因素集。

2）建立權重集和評價集。由于在PE管熱熔焊接及工作過程中，氣孔和裂紋缺陷的出現機率要高于夾雜和脫層，故以A=｛A1，A2，A3，A4｝=｛0.3，0.2，0.3，0.2｝為權重集；缺陷檢測效果V=｛V1，V2，V3｝=｛好，中等，差｝為評價指標。

3）建立評價矩陣和綜合模糊評價。通過專家對各因子的評語集打分以確定隸屬度，結果見表2。然后，根據模糊綜合評價模型B=A·R，計算各種缺陷的綜合檢測效果評價矩陣；在評價向量的基礎上，即可對探頭的檢出率和定量效果進行綜合模糊評價。

a.缺陷檢出率評價

向量中數據0.53、0.33、0.14分別對應評價指標的好、中等、差，可以此評價探頭的檢測效果。同理，探頭②評價向量B12=A·R12=（0.66 0.28 0.06）；探頭③評價向量B13=A·R13=（0.53 0.39 0.08）；探頭④評價向量B14=A·R14=（0.55 0.37 0.08）；探頭⑤評價向量B15=A·R15=（0.72 0.23 0.05）。

b.缺陷定量評價

c.綜合模糊評價

綜合分析缺陷檢出率和定量評價可知：探頭⑤缺陷檢出率最高，探頭①定量最好，而探頭②綜合效果較好。

4）實驗驗證

a.實驗數據對比分析

探頭⑤（2.5P13×13K2平底）晶片尺寸較大且頻率高，故其檢測范圍較大，同時根據實驗檢測到缺陷最大波幅值為46.1dB，與模糊評價結果一致；探頭①（2P9×9K2.5平底）晶片尺寸小且頻率較低，故其衰減較低，同時根據定量統計：氣孔、夾雜、裂紋、脫層寬度分別為3，3.5，3，9mm，與缺陷實際寬度3，3，3，12mm相比其綜合定量效果最佳，與評價結果一致；而探頭②（2P9×9K2.5弧形底面）頻率較低且底面弧形與管道面接觸，增加了缺陷的檢出概率，實驗得到的4種缺陷最大波幅值分別為39.1，31.8，2.3，39.1dB，定量寬度分別為3.5，4，2，8mm，其檢出率和定量效果雖不是最好，但綜合檢測效果好，與模糊評價結果相符。

表2　各種缺陷的隸屬度

b.驗證性實驗

分別制作焊縫包含徑向孔（直徑5mm）、夾雜紙屑（寬度10mm）、橫向裂紋（寬度12mm）的PE管試樣，使用上述5種探頭進行超聲波檢測以驗證模糊評價效果的正確性。結果如表3所示，探頭⑤的檢出效果明顯優于其他探頭，探頭①的定量效果優于其他探頭，而探頭②的綜合檢測效果較好。

表3　PE管焊縫缺陷驗證檢測

4　結束語

針對PE管無損檢測的特點，采用5種特制探頭分別對PE管焊縫的氣孔、夾雜、裂紋、脫層缺陷進行檢測，對檢測效果進行模糊綜合評價，研究表明：5種特制探頭均能在一定程度上檢測出缺陷，但PE管缺陷檢測效果受探頭特性影響較大，探頭⑤（2.5P13×13K2平底）對PE管焊縫缺陷檢出效果最好，探頭①（2P9×9K2.5平底）定量效果最好，但綜合效果較好的是探頭②（2P9×9K2.5弧形底面）。評價結果與實際情況相符，上述結論可應用于PE管缺陷檢測過程。

［1］DAVID M，IRENE G P，COLIN R B.Plastic fantastican NDE inspection solution for HDPE butt welds［C］∥18th World Conference on Nondestructive Testing，2012：985-992.

［2］伍樹坤.燃氣用聚乙烯管熱熔焊對接接頭的X射線檢測和超聲波檢測應用研究［D］.廣州：華南理工大學，2014.

［3］STEPHEN B，WALSH T，DEAN S W.Long-term hydrostaticstrengthanddesignofthermoplasticpiping compounds［J］.Journal of ASTM International，2011，8（9）：57-72.

［4］PlasticsEurope Association ofPlastics Manufacturers，Plastics-the Facts 2013：An analysis of European latest plasticsproduction，demandandwastedata［EB/OL］. Brussels：PlasticsEurope，2013［2015-12-22］.http：//www. plasticseurope.org/Document/plastics-the-facts-2013.

［5］AHMAD S，MOHAMMED H，SHAH J，et al.The influence of ziegler-natta and metallocene catalysts on polyolefin structure properties and processing ability［J］. Materials，2014，7（7）：5069-5108.

［6］ALZERRECAM，PARIS M，BOYRON O，et al.Mechanical properties and molecular structures of virgin and recycled HDPE polymers used in gravity sewer systems［J］.Polymer Testing，2015（46）：1-8.

［7］LAURENTIU M，DANIEL T，TEODOR C，et al.NDT ofbutt fusion welded pehd pipes［C］∥University of O-radeaAnnalsoftheOradeaUniversityFascicleof Management&Technological Engineering Romania，2005：663-670.

［8］何方成.復合材料孔隙率的超聲檢測方法探討［J］.材料工程，2009（S1）：57-60.

［9］何方成，王錚，等.復合材料制件拐角部位超聲檢測技術［J］.材料工程，2011（7）：80-84.

［10］張琳.超聲波檢測PE管道熱熔焊接缺陷的實驗研究［J］.工程塑料應用，2015，43（2）：90-94.

［11］王杜，黃輝，等.塑料熱熔焊接接頭的超聲波檢測［J］.無損檢測，2014，36（12）：23-27.

［12］EURICO A，LUISA C，FREDRIK H，et al.Advanced NDT Techniques for Plastic Pipeline Inspection［Z］.2013.

［13］施建峰.聚乙烯管道電熔接頭冷焊形成機理及其檢測和評定方法［D］.杭州：浙江大學，2011.

［14］關衛和，王兆偉，等.工業承壓管道環焊縫超聲波檢測技術研究［J］.壓力容器，1999（5）：60-66.

［15］沈功田，耿榮生，等.聲發射源定位技術［J］.無損檢測，2002，24（3）：114-117.

［16］梁瑞，楊璽慶.模糊綜合評價法對海洋立管的風險評價［J］.蘭州理工大學學報，2015，41（3）：70-72.

（編輯：徐柳）

Fuzzy evaluation of ultrasonic testing effect of PE pipe weld defect

WANG Shifang，LI Jun，LI Tao，CHEN Chao，GAO Ning
（Department of Mechanical Engineering，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

For the security risks caused by defects during polyethylene pipe operation，ultrasonic technology was used to inspect various defects in heat melting welds of polyethylene pipes （especially field welding），and fuzzy evaluation was carried out for the effect of defect inspection. By selecting and manufacturing different types of ultrasonic probes and PE pipe weld defect test blocks，five kinds of customized probes were used to inspect and analyze four kinds of common weld defects of PE pipes：pore，inclusion，crack and delamination.Based on the relevance ratio and quantitative effect of various types of defects with different probes，the fuzzy evaluation method was used to evaluate the inspection results and verify its validity via tests.The results show that：by using different types of probes，the difference of relevance ratio and quantitative effect on PE pipe defects are very obvious，thus PE pipe weld defects can be inspected by using proper ultrasonic probes.

polyethylene；nondestructive testing；ultrasonic testing；fuzzy evaluation

A

1674-5124（2016）08-0039-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.008

2015-12-26；

2016-03-04

四川理工學院人才引進項目（2009xjkRL003）

王仕芳（1989-），男，湖南永州市人，碩士研究生，專業方向為塑料管無損檢測。

李俊（1971-），男，四川南充市人，教授，主要從事計算機測控技術及塑料無損檢測工作。