PE管道熱熔對接接頭的TOFD檢測

董 洋

(安徽華夏高科技開發(fā)有限責(zé)任公司，合肥 230041)

隨著PE(聚乙烯)管材生產(chǎn)技術(shù)的日益發(fā)展，其產(chǎn)品的質(zhì)量和性能得到了大幅提升，已在許多領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的金屬管道。在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)領(lǐng)域，PE管道憑借密度小、韌性好、耐腐蝕的特性及易焊接和方便施工的優(yōu)點(diǎn)，成為了燃?xì)夤芫W(wǎng)的主流材料。近年來多次燃?xì)庑孤┘氨ㄊ鹿实陌l(fā)生，使得燃?xì)夤艿赖陌踩院头€(wěn)定性受到公眾的廣泛關(guān)注。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，目前多數(shù)PE管線事故的發(fā)生源于PE管材焊接接頭的失效。PE管線需要在施工現(xiàn)場焊接完成安裝，受施工現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境因素及施工技術(shù)水平影響，其焊接接頭可能會產(chǎn)生氣孔、夾雜、未熔合等埋藏缺陷。早期PE管材缺乏相應(yīng)的檢測技術(shù)，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)施工單位往往只依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行宏觀檢測或不進(jìn)行檢測直接施工，給現(xiàn)在正在使用的PE管網(wǎng)埋下了大量的安全隱患。為此文章研究了PE管材熱熔對接接頭的超聲衍射時(shí)差法檢測工藝特性，通過對人工缺陷試樣及現(xiàn)場實(shí)際缺陷進(jìn)行檢測，來驗(yàn)證該工藝的可靠性。

1 PE管材熱熔接頭的超聲衍射時(shí)差法檢測

PE管材與傳統(tǒng)的金屬管材在材料性質(zhì)及焊接工藝上存在很大的差異。傳統(tǒng)脈沖回波法超聲檢測工藝通過檢測缺陷的反射波發(fā)現(xiàn)缺陷，缺陷方向會影響反射波的波幅使脈沖回波法難以發(fā)現(xiàn)特定方向的缺陷，同時(shí)其檢測結(jié)果無法留存且難以復(fù)現(xiàn)，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的脈沖回波法在PE管材上難以使用。

超聲衍射時(shí)差法(TOFD)是一種新型超聲檢測方法，與常規(guī)的超聲脈沖回波方法不同，TOFD通過檢測目標(biāo)缺陷在波束中產(chǎn)生的衍射波來發(fā)現(xiàn)缺陷，其檢測原理如圖1所示。

圖1 超聲衍射時(shí)差法檢測原理

檢測時(shí)，由發(fā)射探頭發(fā)射的非聚集脈沖波束進(jìn)入工件，在無缺陷的情況下，接收探頭會接收到沿工件表面?zhèn)鞑サ闹蓖ú}沖和底面反射回來的底波脈沖，這兩個(gè)脈沖信號的相位相反，是TOFD系統(tǒng)評定缺陷深度的參考。若檢測區(qū)域存在缺陷，聲波會在缺陷的尖端形成覆蓋較大角度范圍的衍射波信號，接收探頭會接收到缺陷上下尖端形成的兩個(gè)衍射信號[1]。通過衍射波信號和直通波信號與底波信號的時(shí)間差可以計(jì)算出缺陷在深度方向上的位置和尺寸。

TOFD檢測系統(tǒng)配備帶有距離編碼器的掃查裝置，通過以一定分辨率記錄掃查路徑上所有A掃描結(jié)果形成TOFD圖譜(見圖2)。TOFD波束檢測范圍具有一定寬度，缺陷信號呈拋物線形狀。

圖2 超聲衍射時(shí)差法檢測圖譜

相比于傳統(tǒng)的脈沖回波法超聲檢測，TOFD使用衍射波檢測缺陷的特性使其對缺陷的方向不敏感，能夠發(fā)現(xiàn)各個(gè)方向上的缺陷。由于不依賴缺陷回波強(qiáng)度定量缺陷，TOFD的檢測靈敏度較高且可重復(fù)性較好，但衍射波本身強(qiáng)度低的特性也導(dǎo)致了TOFD系統(tǒng)檢測到的缺陷信號信噪比較低，在高增益的情況下難以判定缺陷。同時(shí)受檢測波脈沖寬度和檢測區(qū)域形狀的影響，TOFD檢測在工件上表面和下表面存在一定的盲區(qū)，這部分盲區(qū)對應(yīng)A掃描視圖中直通波和底波覆蓋的部分，其中下表面盲區(qū)較小，在存在焊縫余高的情況下通常可以忽略，但上表面盲區(qū)較大無法消除，且會隨著脈沖寬度的增大而增大，因此通常需要配合其他的檢測方法使用[2]。

PE管材熱熔對接工藝的特性決定了PE管道熱熔接頭的缺陷通常只會在焊縫中間的熔合區(qū)域出現(xiàn)，并且無易出現(xiàn)缺陷的熱影響區(qū)。因此，通過管材壁厚計(jì)算出合適的探頭間距后，便可以利用TOFD檢測區(qū)域的中部(靈敏度較高)覆蓋熱熔接頭較窄的熔合區(qū)域，從而獲得較高的檢測靈敏度，同時(shí)較窄的熔合區(qū)域及內(nèi)翻邊的存在能夠?qū)⑾卤砻娴臋z測盲區(qū)降至可忽略的范圍。

2 試驗(yàn)裝置與模擬缺陷試樣

為驗(yàn)證超聲衍射時(shí)差法檢測PE管材熱熔對接接頭的工藝可行性，對多個(gè)帶有人工缺陷的模擬試樣進(jìn)行了TOFD檢測試驗(yàn)。試驗(yàn)使用多浦樂PHASCANⅡ型多功能超聲檢測儀作為主機(jī)，配合使用帶編碼器的掃查架(見圖3)。

圖3 TOFD檢測裝置

根據(jù)PE材料的聲學(xué)特性[3]，選擇頻率為7.5 MHz探頭以適應(yīng)PE材料較高的聲衰減特性，配合使用60°充水楔塊以滿足楔塊中聲速(1 483 m·s-1)小于PE材料聲速(2 200 m·s-1)的要求。為得到良好且可持續(xù)的界面耦合效果，裝置使用加壓水桶以提供穩(wěn)定的水流。該裝置可以匹配多種不同管徑的對接接頭，并且能夠提供良好的耦合條件。

為驗(yàn)證檢測工藝的技術(shù)可行性，參照鋼制承壓設(shè)備檢測標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)熱熔焊接工藝易產(chǎn)生的缺陷，設(shè)計(jì)加工了多個(gè)含有人工缺陷的熱熔對接接頭缺陷試樣，設(shè)計(jì)的缺陷試樣如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)的人工缺陷試樣

試樣1為PE-100SDR17熱熔對接接頭，規(guī)格為200 mm×12 mm(直徑×壁厚，下同)，卷邊高度為3 mm，其上含有模擬未熔合缺陷,長度為10 mm，深度為12 mm；模擬短孔缺陷,孔徑為2 mm，深度為6 mm；模擬通孔缺陷,孔徑為2 mm，深度為12 mm。試樣2為PE-100SDR17熱熔對接接頭，規(guī)格為160 mm×9.5 mm，其上含有模擬未熔合缺陷，長為25 mm，深為9.5 mm；模擬短孔缺陷，孔徑為2 mm，深為5 mm；模擬通孔缺陷，孔徑為2 mm,深為9.5 mm。

3 人工缺陷試樣檢測結(jié)果

試樣1的TOFD檢測圖譜如圖5所示，由圖譜可見170 mm位置出現(xiàn)貫穿直通波和底波的缺陷信號，這對應(yīng)試樣上的模擬通孔缺陷；213 mm位置出現(xiàn)深為6 mm的缺陷信號，這對應(yīng)試樣上6 mm深的短孔缺陷；270～280 mm位置處出現(xiàn)了直通波及底波信號中斷，這對應(yīng)試樣上長為10 mm的模擬未熔合缺陷。

圖5 試樣1的TOFD 檢測圖譜

試樣2的TOFD檢測圖譜如圖6所示，由圖譜可見208～233mm位置的直通波及底波信號出現(xiàn)中斷，這對應(yīng)試樣上長為25 mm的模擬未熔合缺陷(夾鐵片)；266 mm位置出現(xiàn)深為5 mm的缺陷信號，對應(yīng)試樣上的模擬短孔缺陷；322 mm位置出現(xiàn)貫穿直通波與底波的缺陷信號，對應(yīng)試樣上的模擬通孔缺陷。

圖6 試樣2的TOFD 檢測圖譜

以上模擬缺陷試樣的檢測結(jié)果與模擬缺陷的情況高度一致，證實(shí)了PE管材熱熔接頭TOFD檢測工藝的技術(shù)可行性。

4 實(shí)際缺陷檢測

為進(jìn)一步驗(yàn)證PE管材TOFD檢測工藝的可靠性，與某燃?xì)饧瘓F(tuán)合作開展了現(xiàn)場檢測試驗(yàn)，圖7所示為合作單位施工現(xiàn)場的實(shí)際缺陷試樣。

圖7 實(shí)際缺陷試樣

由于管帽本身重復(fù)使用，受合作單位委托檢測該熱熔接頭，檢測過程中發(fā)現(xiàn)明顯缺陷特征，經(jīng)協(xié)調(diào)后，現(xiàn)場切開進(jìn)行缺陷驗(yàn)證。檢測時(shí)機(jī)為熱熔焊接工作完成、自然冷卻2 h后。其TOFD檢測圖譜如圖8所示。

圖8 實(shí)際缺陷試樣的TOFD檢測圖譜

圖譜評定發(fā)現(xiàn)橫向距離1 018 mm，深27.6 mm處存在長為30 mm的內(nèi)部翻邊缺陷(缺陷①)；橫向距離787 mm，深23.3 mm處存在長為6 mm的埋藏缺陷(缺陷②)；橫向距離858 mm，深27.7 mm處存在長為4 mm的內(nèi)部翻邊缺陷(缺陷③)。

圖9 實(shí)際缺陷試樣的DR檢測底片

采用數(shù)字射線(DR)檢測技術(shù)對缺陷位置進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖9所示，可以明顯看出各個(gè)缺陷的位置信息。對TOFD技術(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證之后，對缺陷進(jìn)行解剖驗(yàn)證。

圖10為現(xiàn)場切割驗(yàn)證結(jié)果，可見缺陷①有凹坑及夾雜，從而造成內(nèi)部翻邊不良；缺陷②處內(nèi)翻邊無明顯問題，初步判斷為內(nèi)部埋藏缺陷，現(xiàn)場無解剖條件；缺陷③有夾雜，造成內(nèi)部翻邊不良。驗(yàn)證結(jié)果與之前TOFD圖譜評定得出的結(jié)果相吻合。

圖10 實(shí)際缺陷試樣解剖驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)語

對含有人工缺陷的模擬試樣進(jìn)行超聲衍射時(shí)差法檢測。結(jié)果表明，超聲衍射時(shí)差法能夠可靠地檢測出PE管道熱熔對接接頭中的模擬缺陷，并且能夠較為精確地對缺陷長度及高度進(jìn)行定量。在實(shí)際缺陷試樣上的檢測結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該檢測技術(shù)在PE管道熱熔對接接頭檢測上工藝可行性和可靠性。