鋼絲纏繞增強塑料復合管鋼塑粘合狀態的判別方法

鐘海見

（浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310020）

鋼絲纏繞增強塑料復合管鋼塑粘合狀態的判別方法

鐘海見

（浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310020）

鋼絲纏繞增強塑料復合管（簡稱PSP）融鋼管的高強度和塑料管的柔性、耐腐蝕于一體，廣泛應用于能源、化工、海洋、資源輸送等領域。PSP鋼塑之間的粘合狀態直接影響管道的安全使用。常規的無損檢測方法難以檢測PSP鋼塑之間的粘合狀態。筆者采用超聲相控陣技術及B掃描實時成像技術，對PSP鋼絲和塑料之間的粘接程度進行超聲檢測試驗。通過試驗研究得出：根據超聲圖像中鋼絲成像規律和鋼塑界面反射回波特征，可間接反映PSP鋼塑之間的粘合狀況。

鋼絲纏繞增強塑料復合管 鋼塑粘合狀況 超聲檢測 相控陣技術 B掃描實時成像技術

鋼絲纏繞增強塑料復合管（簡稱PSP）以高密度聚乙烯（以下簡稱HDPE）為基體，以高強度鋼絲傾角錯繞成型的網狀骨架為增強體，HDPE與高強度鋼絲之間采用熱熔膠粘結[1]，其結構如圖1所示。PSP的增強體為傾角錯繞成型的鋼絲網，鋼絲之間不需要焊接，從而提高了生產效率。網狀骨架鑲嵌在內外層HDPE之間，使得兩種材料互相交織，因而具有良好的復合效果[2]。其獨特的鋼塑結構融鋼管的高強度和塑料管的柔性、耐腐蝕于一體[3]，因此廣泛應用于我國的油氣田、化工、農業、煤炭冶金、火力發電、食品行業、市政建設和海水輸送等相關領域，如油氣輸送、泥漿礦產輸送以及海底輸水等。

熱熔膠層作為把HDPE層和增強鋼絲網連接成一體的“雙面膠”，在復合管的承載過程中起著關鍵性作用，熱熔膠的粘結狀態對最終復合管產品的質量有直接影響。如果鋼絲和粘結劑之間沒有良好粘接，存在氣體空隙，鋼絲和粘結劑之間有可能在外力作用下發生相對滑移，由于兩者形變不協調使鋼絲和粘結劑之間的空隙進一步擴展，從而影響到鋼絲規律性分布和PSP管的安全性能。目前鋼絲和粘結劑之間的粘接性能缺乏有效的無損檢測方法，往往采用解剖實物試樣進行目視檢測。筆者在PSP管超聲檢測試驗時發現，可以采用超聲相控陣聚焦技術及B掃描實時成像技術，對PSP鋼絲和塑料之間的粘接程度進行判斷。通過試驗研究得出：根據超聲圖像中鋼絲成像規律和鋼塑界面反射回波特征，可間接反映PSP鋼塑之間的復合性能，從而判斷復合管道的質量狀況。

圖1 PSP結構圖

1 檢測方法

超聲檢測PSP管的幾何模型如圖2所示。探頭發射的超聲波穿過HDPE層，在HDPE/熱熔膠界面進入熱熔膠層，再到達熱熔膠層中的鋼絲表面，在熱熔膠/鋼界面產生超聲波反射。由于PSP用熱熔膠是一種以熱塑性聚乙烯為主體的粘結劑，經實測20℃時的聲阻抗值為2.26×106kg/m2·s，與HDPE20℃時的聲阻抗值2.29×106kg/m2·s相差不到1%[3]，超聲波垂直入射到兩種聲阻抗相差很小的介質組成的界面時，幾乎全透射，因此針對PSP進行超聲檢測，可以將HDPE層和熱熔膠層視作單一HDPE介質。

由于HDPE材料的聲衰減系數較大，為減少超聲衰減對檢測產生的影響，檢測聲程應在未擴散區內，因此其傳播的超聲波可看作平面波[5]。對密集排布的鋼絲，其回波聲壓可視為在聲場作用區內各鋼絲回波的迭加，如圖3所示。如采用5MHz的檢測頻率，則超聲波在HDPE中的波長約為0.48mm，考慮到PSP管中的鋼絲直徑在0.8mm左右，接近超聲波波長的兩倍，而在長度方向上可視為無限長，因此可將其視為具有一定反射率的長橫孔[6]，平面波入射至長橫孔，其反射波可視為從焦軸發出的柱面波，傳播至探頭，形成第一處鋼絲影像，其回波聲壓pr1為：

式中：

p0——入射超聲波在HDPE/鋼界面處聲壓，Pa；

x —— 鋼絲與探頭間的距離，mm；

d —— 鋼絲的直徑，mm；

Z1—— HDPE的聲阻抗，g/cm2·s；

Z2—— 鋼絲的聲阻抗，g/cm2·s。

圖3 鋼絲的聲壓回波

根據如圖3所示的超聲檢測模型和式（1）分析，如采用常規的直探頭沿鋼絲排布方向移動時，其接收到的鋼絲陣列的超聲回波高度基本不變，因此其橫向分辨力很低，不能有效地判斷鋼絲在排列方向上的具體位置。

筆者采用聲能集中的超聲相控陣聚焦技術及B掃描實時成像技術，通過數量足夠的陣元排列，并選用合適的檢測參數，可以清晰地探測到PSP中鋼絲的超聲圖像，并根據鋼絲成像規律判斷鋼塑界面的粘合情況。為實現PSP中鋼絲復合情況的超聲相控陣檢測，本文設計研制了專用的相控陣探頭，其檢測方法原理如圖4所示。本文設計并研制了聚乙烯材料檢測專用相控陣探頭，型號為7.5P128-0.5-10PE，共128個陣元，以相鄰16個陣元作為一組，如第1個陣元至第16個陣元作為一組，通過對1-16陣元預設不同的延時值實現其合成聲束在位置（1）聚焦，采用電子線掃查技術，可以依次實現2-17、3-18、…、113-128各陣元在位置（2）、（3）、…、（113）實現密排焦點聚焦，形成B掃查圖像。

圖4 檢測方法示意圖

2 理論分析

如果鋼絲與熱熔膠粘合良好，可將鋼絲看作是具有一定反射率的長橫孔[5]，在聲學上將熱熔膠與HDPE視為一體，超聲波在HDPE/鋼絲界面形成反射波pr1和透射波pt1，如圖 5所示，反射波pr1傳播至探頭，形成第一處鋼絲影像。透射波pt1到達鋼絲下界面又產生透射和反射，反射的超聲波傳播至探頭，形成第二處鋼絲影像，不考慮界面的聚焦與發散效應，第二處鋼絲影像的回波聲壓pr2與第一處回波聲壓pr1比值為：

圖5 鋼塑界面粘合良好時超聲傳播規律

如果鋼塑界面粘合不良，界面間存在很薄的空隙，相當于非均勻介質中的氣體薄層，其聲強透射率為[5]：

式中：

d0—— 氣隙的厚度，mm；

Z0—— 空氣的聲阻抗，g/cm2·s；

λ0—— 超聲波在空氣中的波長，mm。

經實則Z1為2.25×105g/cm2·s，Z2為4.18×106g/cm2·s，并查資料得Z0為40g/cm2·s[4]，頻率為5MHz的超聲波在空氣中的波長為0.068mm，其當氣隙厚度為4×10-5mm時，根據式（3）計算其聲強透射率接近于0，通常情況下鋼塑界面粘合不良形成的空隙大于4×10-5mm，因此當超聲波入射至粘合不良的鋼絲表面，超聲波全部反射，如圖6所示，其回波聲壓pr1為：

由于超聲波在HDPE/鋼絲界面沒有形成透射波，因此鋼絲只有一處影像。

圖6 鋼塑界面粘合不良時超聲傳播規律

3 檢測試驗

筆者設計制作了檢測DN250PSP對比試樣，如圖7所示。試樣1采用正常的粘合工藝，并進行鋼絲表面去污處理，使鋼塑界面間粘合良好。試樣2采用不合格的粘結劑，并使鋼絲表面帶有油污，粘合時縮短時間，降低溫度，使工藝使鋼塑界面間粘合不良含有氣隙，并通過解剖實物試樣局部進行目視檢測驗證。筆者采用研制的7.5L128-0.5-6-PE型號相控陣探頭對試樣1和試樣2進行鋼塑界面粘合狀態的檢測試驗，檢測試驗照片如圖8所示。探頭的檢測頻率為7.5MHz，晶片寬度為0.4mm，晶片間隙為0.1mm，晶片長度為6mm，并采用專門制作的保護膜，使探頭與HDPE間達到100%聲透射，檢測時將耦合劑施加在試樣表面，將探頭沿試件軸向放置，根據PSP試樣規格和鋼絲位置分布，選擇16陣元的主動孔徑，調節焦距使聚焦線在下層鋼絲位置附近，調節增益使獲得的圖像有足夠的分辨率和靈敏度可以鑒別待測試樣中每個鋼絲。鋼塑界面粘合良好試樣的超聲圖像如圖9（a）所示，在B掃描實時成像時，通過調節工藝參數使得有足夠的分辨率和靈敏度可以鑒別檢測區內上下位置不相互重疊的每個鋼絲，鋼絲并不只形成一處影像，而是自上而下一串強度逐漸減弱的影像，從鋼塑界面反射回波特征分析，除了第一處鋼塑界面反射的反射波外，在后面一定聲程外還有透射波形成的多次反射回波，按式（2）計算透射波形成的反射回波高度約為第一處鋼塑界面的反射波高度的20%。鋼塑界面間含有氣隙試樣的超聲圖像如圖9(b)所示，由于超聲波在HDPE/鋼絲界面沒有形成透射波從而鋼絲只有一處影像，從鋼塑界面反射回波特征分析，只有第一處鋼塑界面反射的反射波，沒有透射波形成的多次反射回波。因此通過試驗研究得出：根據超聲圖像中鋼絲成像規律和鋼塑界面反射回波特征，可間接反映PSP鋼塑之間的粘合狀態，從而判斷復合管道的質量狀況。

圖7 試樣實物

圖8 檢測試驗照片

圖9 檢測試樣超聲成像圖

4 結論

1）采用超聲相控陣聚焦技術及B掃描實時成像技術，并選擇合適的超聲相控陣檢測參數，所得到的超聲圖像有足夠的分辨率和靈敏度可以鑒別PSP中的每個鋼絲。

2）如果鋼塑界面間粘合良好，在B掃描實時成像圖中，鋼絲并不只形成一處影像，而是自上而下一串強度逐漸減弱的影像。如果鋼塑界面間粘合不良，在B掃描實時成像圖中，鋼絲只有一處影像。

3）如果鋼塑界面間粘合良好，除第一處鋼塑界面反射的反射波外，在后面一定聲程外還有透射波形成的多次反射回波，透射波形成的反射回波高度約為第一處鋼塑界面的反射波高度的20%。如果鋼塑界面間粘合不良，只有第一處鋼塑界面反射的反射波，沒有透射波形成的多次反射回波。因此根據超聲圖像中鋼塑界面反射回波特征可判斷PSP鋼塑之間的粘合狀態。

[1] 鄭津洋，李翔，施建峰．鋼絲纏繞增強塑料復合管[M]．北京：化學工業出版社，2012.

[2] Li Xiang. Study on viscoelastic behaviour of plastic pipe reinforced by cross-winding steel wire[J]. Journal of Pressure Equipment and System, 6(2008): 232-239；

[3] Zheng J Y, Gao Y J, Lin X F, et al. Investigation on short-term burst pressure of plastic pipes reinforced by cross helically wound steel wires[J]. Journal of Zhejiang University Science A, 2008, 9(5): 640-647.

[4] 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.

[5] 鄭暉，林樹青．超聲檢測［M]．北京：新華出版社，2008.

[6] 郭偉燦，鄭津洋，丁守寶，等．聚乙烯電熔接頭中金屬絲成像規律的理論分析與試驗研究［J]．無損檢測，2009，31(11)：880-883.

An Assessment Method of Steel-plastic Adhesion Status in Plastic Pipe Reinforced by Cross Helically Wound Steel Wires

Zhong Haijian
(Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute Hangzhou 310020)

Plastic pipe reinforced by cross helically wound steel wires (PSP) has been widely used in energy field, chemical industry, ocean engineering, resources transportation and other fields, with the advantages of high strength from steel tubes, and good flexibility and corrosion resistance of plastic pipe. The steel-plastic adhesion status is important for pipeline safety, which could not be detected by conventional non-destructive testing methods. To reflect the status, ultrasonic phased array technique and B-scan real time imaging technique were conducted, and the adhesion level was detected by ultrasonic inspection testing in this paper. The image characters of steel wire and echo features from the steel-plastic interface in the testing were analyzed which showed that the steel-plastic adhesion status could be reflected indirectly by these characters.

Plastic pipe reinforced by cross helically wound steel wires Steel-plastic adhesion status Ultrasonic testing Phased array technique B-scan real time imaging technique

X933.4

B

1673-257X(2016)11-0041-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.010

鐘海見(1963～)，男，碩士，院長，副高級工程師，從事特種設備安全工作。

2016-05-06）