高密度聚乙烯熱熔焊縫的PAUT和TOFD檢測

(1.廊坊中躍檢驗檢測有限公司，廊坊 065001；2.廊坊市新思維科技有限公司，廊坊 065001)

高密度聚乙烯(HDPE)管的原材料為聚乙烯，其是一種高分子量的有機合成材料。聚乙烯管是國際上應用最為成熟的塑料壓力管道原材料。HDPE管在市政工程供水系統、室外埋地給水系統、水處理工程管道系統、舊管材在役修復及其他領域應用廣泛。近年來，HDPE管也逐漸成為燃氣輸送管道鋪設的主要用料。并且，因其具有耐腐蝕性的特點，HDPE管在海水淡化，核電站冷卻水循環等方面，開始部分替代金屬管道。

HDPE管在管道鋪設過程中，管材采用焊接的方式連接。焊接主要有電熔或熱熔兩種方法。電熔的方式在相關標準中有提及，這里不再詳述。熱熔方式(見圖1)是將兩根PE管材同時放在熱熔器夾具上，管材端面與電加熱板充分貼合，達到預設溫度后抽掉加熱板，再對熔融狀態的管材施加壓力使其完成焊接(見圖2)。

圖1 熱熔焊接示意

圖2 熱熔焊縫成形示意

熱熔焊接受通電時間，電流大小，焊接溫度等條件的影響，焊接時容易產生未熔合、夾渣、氣孔等類型的缺欠。聚乙烯材料的聲學特點是聲速小，衰減系數大。聚乙烯管道超聲縱波聲速在2 100～2 670 m·s-1間變化，衰減系數隨檢測頻率不同而存在較大差別[1]。

熱熔焊縫采用超聲方法進行檢測[2-3]，由于各種因素影響，使用常規超聲檢測方法較困難。筆者利用相控陣超聲(PAUT)方法，衍射時差(TOFD)方法檢測HDPE管熱熔焊縫，為HDPE管熱熔焊縫的檢測提供了新的手段。

1 PAUT和TOFD檢測原理及檢測工藝

1.1 PAUT檢測原理

相控陣超聲檢測技術使用多陣元換能器激發和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發射(接收)脈沖的延遲時間，改變聲波到達物體內某點的相位關系，從而實現超聲波波束的掃描、偏轉、聚焦，利用機械掃描和電子掃描相結合的方法能實現多種方式成像。

相控陣超聲能同時顯示多組A掃描、S掃描、B掃描和C掃描的組合視圖[4]。在檢測過程中可觀察C掃描成像，生成的可視化數據方便觀察和分析。通過多組視圖來判斷信號的特征，為進一步分析缺欠性質提供支持。

1.2 PAUT檢測工藝

試驗采用2.25 MHz頻率探頭，測得焊接試件的超聲聲速為2 360 m·s-1,超聲波衰減系數為1.2 dB·mm-1。

根據實際檢測管材的壁厚設定聚焦法則。激發晶片數量和角度有必要在檢測前進行相控陣聲場模擬，以確定聚焦法則的具體參數。壁厚為25 mm的管材檢測工藝為：采用奧林巴斯OmniScan MX2設備，配置頻率為2.25 MHz的64晶片探頭和傾斜角為35°的水耦合楔塊；一次同時激發20晶片，起始晶片為第45晶片，聚焦法則設置為縱波扇形掃查；探頭步進偏移為2 mm，形成45°～89°扇掃描角度;使聲束入射點在步進方向盡可能靠近焊縫，以減小表面盲區。圖3為壁厚25 mm管材的相控陣檢測聚焦法則的聲場模擬。

圖3 壁厚25 mm HDPE管材的相控陣檢測聚焦法則的聲場模擬

1.3 TOFD檢測原理

采用一發一收兩個相同的寬頻帶窄脈沖探頭進行檢測，探頭相對于焊縫中心線對稱布置。發射探頭產生非聚焦縱波波束以一定角度范圍入射到被檢工件中，其中部分波束沿近表面傳播被探頭接收，部分波束經底面反射后被探頭接收。接收探頭通過接收缺欠尖端的衍射信號及其時差來確定缺欠的位置和自身高度。

TOFD技術能夠形成A掃描和B掃描，B掃描能夠觀察到焊縫的截面圖;能夠采集并存儲檢測數據，對缺欠進行分析和測量。

1.4 TOFD檢測工藝

采用奧林巴斯OmniScan MX2設備進行檢測，配置頻率為2.25 MHz，晶片直徑為6 mm的探頭和32°傾斜角的水楔塊。根據HDPE管材的壁厚(25 mm)，聚焦深度設置為16.7 mm。 HDPE管材的TOFD檢測探頭聚焦法則的聲場模擬如圖4所示。

圖4 HDPE管材的TOFD檢測探頭聚焦法則的聲場模擬

2 PAUT和TOFD檢測過程

依據現場實際檢測情況，設計并制作缺欠試塊。分別對(直徑×壁厚)110 mm×10.5 mm，114 mm×17 mm，168 mm×25 mm 3種規格的管件進行檢測。PAUT方法和TOFD方法采用編碼器記錄位置。檢測時，以水作為耦合介質，超聲聲束以一定角度入射，通過楔塊偏轉進入工件；根據聲場模擬制定的工藝，調試設備，使用鏈式掃查器固定探頭，調整探頭步進偏移值；進行檢測并存儲數據。

3 PAUT和TOFD檢測結果及數據對比分析

3.1 1號管件

1號管件的規格(直徑×壁厚)為110 mm×10.5 mm,焊縫內部制作了12個人工缺欠,其PAUT和TOFD檢測結果如圖5，6所示。

圖5 1號管件PAUT檢測結果

圖6 1號管件TOFD檢測結果

3.2 2號管件

2號管件的規格(直徑×壁厚)為114 mm×17 mm,焊縫內部制作了7個人工缺欠，其TOFD和PAUT檢測結果如圖7，8所示。

圖7 2號管件TOFD檢測結果

圖8 2號管件PAUT檢測結果

3.3 3號管件

3號管件的規格(直徑×壁厚)為168 mm×25 mm,焊縫內部制作了9個人工缺欠,其TOFD和PAUT檢測結果如圖9，10所示。

3.4 小結

以上3個試塊的28個缺欠，無論是PAUT技術還是TOFD技術均能檢出，總體來看PAUT檢出的缺欠長度略長。

圖9 3號管件TOFD檢測結果

圖10 3號管件PAUT檢測結果

4 結語

TOFD技術能夠實現A/B顯示， PAUT技術能夠實現A/B/C/S等多種視圖顯示，兩種方法均顯示直觀，測量準確，利于缺陷的定量和定性。HDPE材料聲速低，衰減大，對于HDPE熱熔焊縫，采用PAUT技術和TOFD技術進行了檢測試驗，為熱熔焊縫的檢測提供了一種嘗試，而其檢測工藝還有待進一步開發和完善。