聚乙烯管道热熔对接接头耦合聚焦超声检测方法及检测装置

具体实施方式

现有聚乙烯管道最常用的热熔对接方法的具体过程是：首先将聚乙烯管材或管件的横截面端面处理平整，再用具有一定压力的加热板加热连接部位至熔融状态；紧接着移走加热板，并施加压力将两个熔融端面用力压在一起，最后在稳定的压力作用下将两个部件连接并固定，直至接头冷却。热熔对接焊之后接头一侧的形状如图1所示；其中两根管子1中间的区域中有上、下卷边2以及熔合区3。

试验研究过程中发现，在金属焊缝中难以实施的液浸聚焦技术对聚乙烯管道热熔接头超声检测有独特的优点，这主要基于聚乙烯材料的声学特征和聚乙烯管道热熔接头特有的结构特点。聚乙烯材料的超声纵波声速在2150m/s-2350m/s范围内，声阻抗在2.1×10⁶g/cm².s左右。因此可以配制一种特定的耦合剂，使其声速和声阻抗与被检的聚乙烯材料相接近；另外，从聚乙烯管道热熔接头的截面图(图1)中可以看出，正常焊接的热熔接头上下表面熔合区宽度在3mm左右，中间部位为1mm左右，由于聚焦探头的焦柱具有一定长度，因此上下移动时可以实现聚焦探头的焦柱贯穿接头整个熔合区，确保熔合区的缺陷检出灵敏度。由此本发明提出一种全新的聚乙烯管道热熔接头超声检测方法—耦合聚焦法，检测原理如图4所示。

聚乙烯管道热熔接头超声检测耦合聚焦方法详述如下：

1)耦合方法

配制一种耦合剂，使其声速在2000-2300m/s范围内，声阻抗在2.0×10⁶kg/m².s-2.7×10⁶kg/m².s；本发明检测试验时所用的耦合剂初步采用一定比例的甘油(体积比55-65％)、水玻璃(体积比30-40％)、少量消泡剂、水(体积比约5％)混合配制成一种稠状耦合剂，经测定，60％甘油(体积比)、35％水玻璃(体积比)、5％水(体积比)和少量消泡剂配制的稠状耦合剂，其声速约2110m/s，接近聚乙烯的声速的96％(PE80聚乙烯材料从管子轴线45°方向的声速约为2200m/s)，声阻抗在2.6×10⁶kg/m².s左右，约为聚乙烯声阻抗的124％。

由于耦合剂的声速与被检的聚乙烯材料相等或接近，使聚焦声声束在耦合剂与聚乙烯界面不会产生折射或折射角相差很小，使声束能够聚焦到原焦点位置或其附近。另外，两者声速的接近及声阻抗相差小于50％，使超声波在耦合剂与聚乙烯界面产生的反射声能损失较少，大部分声能透射至被检工件中，提高了检测灵敏度。

2)球面聚焦方法

采用球形曲晶片聚焦的超声波探头(即球形曲面聚焦超声换能器)；聚焦原理如图2所示：整个聚焦声束由无数条声束线所代表的细声束组成，每条细声束向球心会聚，在球心所受的超声辐射力在与声轴相垂直方向上的分量，因其轴对称性而抵销，总和为零。球心所受的声轴方向的超声辐射力的总和即总辐射力，总辐射力由于各细声束的会聚远大于换能器表面辐射力，从而达到聚焦的目的。从理论分析，整个超声聚焦系统最终都将超声能量聚集到一个几何的点或者几何线，然而由于声的衍射效应以及超声聚焦系统的不规矩等原因，实际的超生聚焦区域不是一个理想的点或线，而是一个比较复杂的区域。对于球形聚焦系统，其焦区类似于一个椭圆。通常用来描述聚焦换能器的参数有三个：焦距、焦点大小和焦柱长度。对于球面换能器来讲焦距主要取决于球半径z₀。

焦点大小按声压幅度比最大值下降3dB处声束的宽度来计算，可由公式1决定

$d_L=\frac{z_0\lambda }{2a}---1)$

式中：λ—声波波长，mm

      a—聚焦系统孔径的一半，mm

      z₀—球半径

焦柱长度d_f定义为在焦点两侧轴线上声压幅度比焦点处声压幅度下降3dB的两点间的距离，则可得

$d_f=\frac{1.8{z_0}^2\lambda }{a}---2)$

$d_f=3.6\frac{z_0}{a}{d}_L---3)$

3)扫查方法

在整个耦合装置由的运动机构带动均匀地进行常规的圆周运动扫查的同时，又加配了一个竖直扫查装置，能够使超声波探头进行快速的上下扫查(对管道厚度方向的焊接状况进行扫查)；同时，探头上下扫查和圆周扫查的数据进行记录和显示。由于配制的耦合剂为液体，使探头在耦合装置内的上下移动成为可能，又由于声束在界面上不产生偏离或偏离，探头上下运动时焦点始终落在接头熔合区的中线上，使超声波对熔合区缺陷检测能力提高，同时为实现端点衍射法进行自身高度的测量和C扫描实时成像提供条件。

4)采用脉冲反射信号和端点衍射信号进行检测

对气泡、夹杂物等体积型缺陷采用脉冲反射信号进行检测，对裂纹、未熔合等面积型缺陷采用端点衍射信号或反射信号进行检测。根据惠更斯原理，超声波入射到缺陷(如裂纹)上时，在裂纹上下尖端会形成次波源而产生衍射(称为衍射波)。具体方法为，探头在耦合装置内的上下移动，当聚焦声束扫查到面积型缺陷的端点时，会发生端点衍射，由于声能集中，聚焦探头能够捕捉端点衍射信号，探头上下移动时分别探测缺陷的上端点和下端点衍射信号，由于探头在耦合装置内的上下移动与声束焦点的上下移动相对应，因此产生端点衍射时探头的上下移动距离就是面积型缺陷的自身高度；采用该方法使缺陷高度的测定精度大大提高。

5)实现C扫描实时成像

采用C扫描实时成像设备(现有装备)，按规划好的路径作空间扫描，计算机从运动控制实时获取探头的平面坐标作为二维图像的原始数据。同时探头获得的超声信号经数据采集送入计算机进行预处理、过滤、获取确定缺陷波峰值，再通过调色板技术转变为一定的颜色值，计算机将一一对应的点位和超声信号数据的颜色值在屏幕上形成C扫描图像。

基于上述方法，所设计的检测装置(原理框图如图4所示)主要分为以下几个部分：

1)耦合系统，主要用于密封、盛装、补充耦合剂，并保证与被检曲面有良好的曲面匹配。

2)聚焦系统，发射和接收超声波，并形成聚焦声场。

3)机械扫查装置，实现探头上下往复运动和周向均速运动，输出位置信息。

4)信号处理与控制系统，设定与控制扫描系统和聚焦系统，并接收扫描位置信息与超声波信号，经高速处理，形成C扫描图像。

5)计算机：实现实时成像并应用软件对图像进行分析。

具体所设计的耦合聚焦装置的结构(见图5)包括：耦合剂盛装装置4、探头架7、超声波探头6、夹持装置8、周围运动扫查装置9、耦合剂补充装置10、上下运动扫查装置11、信号控制与处理系统12和显示与软件系统13。各部分的结构与功能详述如下：

1)耦合剂盛装装置

耦合剂盛装装置如图6所示，包括基座14、密封底座15、插板16和密封海绵17。

基座的结构如图7所示，基座下面开有凸槽，插入密封底座凹槽内形成密封连接。基座用奥氏体不锈钢材料制作，用以盛装耦合剂，并作为上下移动扫查的基座。

密封底座的结构如图8所示，用聚乙烯材料制作，与被检管道接触部位加工成相适合的曲面形状以配合工件曲率，底座前半部声束扫查之处开有敞口15-1(见图6)，敞口四周边沿固定(一般可粘接固定)的弹性材料17(采用高伸缩率海绵，外包聚乙烯薄膜)进行密封，以防止耦合剂流失(该装置被带动绕管道圆周转动时，由于海绵紧贴在管道表面，所以粘稠的耦合剂虽有渗漏，但不会大量流出)。密封底座前端加开横槽15-2，插板16插入横槽后就切断往下的通路，以保证非工作状态下的耦合剂不会流失。

2)聚焦装置

探头所采用的晶片6-1加工成一定曲率的球面，通过压电效应发射超声波，超声波在耦合剂中传播，并在耦合剂聚乙烯工件界面上形成反射和折射，由于耦合剂的声速与被检的聚乙烯材料相等或接近，使聚焦声声束在耦合剂与聚乙烯界面不会产生折射或折射角相差很小，使声束能够聚焦到原焦点位置或其附近。由于声束在界面上不产生偏离或偏离，探头上下运动时焦点始终落在接头熔合区的中线上，使超声波对熔合区缺陷检测能力提高。

利用球面晶片制作聚焦的超声波探头，背衬采用钨粉与环氧树脂混合物制作而成，采用挤压法制作出高阻抗背衬块，首先粘接背衬与晶片；粘接时，使用由环氧树脂与二乙烯三胺制成的粘接剂，背衬与晶片粘接牢固后，再焊接电极，然后把背衬、晶片和电极固定在探头壳中。该球面晶片聚焦的超声波探头可直接外购。

3)上下运动扫查装置

由于探头要扫描管子接头熔合区，因此要求探头作上下运动和旋转运动才能扫描整个接头区域，因此探头应该有两个自由度；为了让探头在两个方向都能自由运动并且都能被计算机所控制，应由不同的驱动装置控制探头的位置和探头的运动形式。

为了分别单独控制探头的两个自由度，用两个电机分别驱动探头上下运动和旋转运动，由于对探头的定位精度很高，并且要求计算机控制，因此使用步进电机作为驱动装置，要使探头在上下方运动必须把步进电动机的旋转运动转化为直线运动，为此采用了步进直线电机。

为了保证在检测过程中探头声束焦点始终落在熔合区的中线，本发明设计了探头上下运动扫查装置，如图9所示。直线步进电动机18通过联轴器19带动连杆22实现直线往复运动，直线步进电动机用固定装置20将其牢固地安装在耦合剂盛装装置上，连杆穿过上边开孔处(带密封圈)，保证在上下扫查时耦合剂不流失；连杆与探头架7(带弹簧的夹子)相接，探头架夹紧探头6，从而实现探头的上下扫查；连杆装有限位器21，保证上下扫查时探头不撞到其它物体。由于耦合剂的声速与被检的聚乙烯材料相等或接近，声束在界面上不产生偏离或偏离较小，探头上下运动时焦点始终落在接头熔合区的中线附近，从而保证检测灵敏度。

4)周向运动装置

为实现聚乙烯管子对接接头超声波周向扫查，本发明还配用了周向运动装置(常规装置，如图10所示)。针对聚乙烯管道对接接头检测，采用齿孔式软导轨31，扫查机构上的行走驱动齿轮30与软导轨上均布的条形孔啮合，带动扫查装置运动。导轨既是导向元件，也是传动元件。传动机构仿齿轮齿条传动方式，这样不但解决了检测时的方向性，而且不必考虑机构在检测过程中由于自身重力等因素而产生的滑动现象。安装导轨的夹持装置8与被检管道相接触。这样一定范围口径的管道可以只更换夹持装置就可以，不必另加工导轨。导轨的接头用插接式结构，更加方便快速装卸调整。行走机构26快速装卸结构靠定位杆23(插入端头带小型滚动轴承，以减少移动时的摩擦阻力)插入夹持装置的凹槽内，定位杆带拉紧弹簧24以保证周向运动扫查装置与夹持装置紧密连接，周向步进电机25是安装在行走机构的底板上，通过步进电机的转动轴驱动齿轮并带动行走机构运动，从而实现周向扫查。为保证行走机构运动平稳，行走机构通过可上下伸缩的弹性滚动轴承29与夹持装置相接触。运动连接杆27连接行走机构与耦合剂盛装装置4，通过拉紧弹簧28保证耦合剂盛装装置紧密靠紧接头外卷边，同时连接杆向耦合剂盛装装置传递向下的压紧力，以保证耦合剂盛装装置与聚乙烯管子与接头的接触密封性。

5)信号控制与处理系统

信号控制与处理系统(现有装置)包括扫描控制系统和信号采集与处理系统。

机械扫描装置是自动超声波探伤系统的重要组成部分，当探头扫描接头时，检测的结果与机械扫描装置的性能直接相关，如果在扫描过程中发生定位偏差和抖动将会对信号产生很大的干扰，探伤仪得到的信号是虚假信号不能反映接头的质量，因此机械扫描装置必须准确的定位扫描装置能在计算机的控制下准确移动到指定的位置。

扫描控制系统包括定位与极限保护装置、步进电机控制卡、步进电机驱动器、手动控制器。

极限保护装置：根据现场检测要求探头扫描时有一个起点，上下方向扫描起点在探头的下方离底面2mm—3mm处，使聚焦声束焦点位置落在接头内表面凸边表面，并且在圆周方向也规定了扫描起点位置，必须在规定起点位置开始扫描，因此机械扫描装置必须有起点定位装置。此外必须有极限保护装置防止用户误操作时损坏机械扫描装置，为此需在探头运动的上下方向和圆周方向安装位置检测元件，可以使用开关和传感器在探头运动到规定的位置的时候，发出信号相应的信号，计算机获得该信号后在该位置锁定电机，在上下方向可以使用光电二级管开关，在探头运动到规定的位置时给计算机发信号。

步进电机驱动卡：机械扫描装置必须能在计算机控制下探头能准确的在上下方向和圆周方向定位，探头的速度可以通过计算机进行调节，这对装置的驱动方式提出了特殊的要求，系统采用了步进电机驱动的方案，步进电机驱动卡利用计算机的数据线和地址线，通过接口电路的设计构成柔性环分器，实现对步进电机的控制。按照系统提示输入一些工件及其安装的信息，系统可完成自动对焦。

步进电机驱动器：步进电机需要专用的驱动电源，本发明使用了目前流行的双极性斩波步进电机驱动电源，具有较高的可靠性能，同时驱动两个步进电机完全符合检测要求。

手动控制器：为了更加方便的控制探头的位置，本发明还配有机械扫描装置的手动控制器(可外购)，如图11所示，该控制器能在不使用鼠标和键盘的情况下，控制探头并且启动系统的自动扫描；手动控制器上设置有6个按钮，按钮具有计算机上对应键的功能；这些按钮的功能如下：

自动——自动扫描焊缝。

手动——手动控制开关，如果要手动调整探头，则要选择该命令，如果要停止自动扫描也可以选择该命令。

向上——控制探头向上运动。

向下——控制探头向下运动。

逆时针——控制探头逆时针运动。

顺时针——控制探头顺时针运动。

6)夹持装置

为连接聚乙烯管子与周向扫查装置，本发明还配有聚乙烯管子专用夹持装置(现有装置)，如图12所示。夹持装置由联接器32、夹持骨架33、橡胶垫34、快速压紧螺栓35组成，其中夹持骨架中间带凹槽，以便插入周向运动扫查装置的定位杆，从而达到连接聚乙烯管子与周向扫查装置的目的。

7)耦合剂补充装置

为了补充在检测过程中流失的耦合剂，本发明设计了耦合剂补充装置(如图13所示)。耦合剂补充装置由充气筒36、耦合剂补充口37、盛装壳体38、连接软管40、底架41组成。底架可带吸盘，可将装置牢固地安放在被检管道上；检测时可用充气筒使装置保持一定的正压，也可打开耦合剂补充口利用耦合剂液体的重力达到补充耦合剂的目的，连接软管具一定的长度，在检测过程中可自由地弯转。

8)显示与软件系统

显示与软件系统可由笔记本电脑实现。扫描装置的控制、超声波信号的采集、数据的存储与管理、扫描结果的分析与显示都由软件(可外购)来实现，软件功能稳定性可靠性等直接影响到检测的结果的准确性和可靠性。

为了便于分析，对每个检测到的回波信号幅值分为不同等级，每一等级对应一种色彩，把所有检测点的回波幅值进行用颜色值调制处理后，按与点的位置一一对应的方式显示在屏幕上，可以得到聚乙烯管子对接接头的扫描图像，根据图像可直观地分析出接头的外表轮廓以及缺陷的位置和大小，计算机对图像进行适当处理后，可定量判别接头质量缺陷数量、缺陷的位置等重要参数。

由上述各装置组成组成耦合聚焦检测装置，对聚乙烯管道热熔对接接头的超声检测，可按以下操作步骤进行：

1)在探伤前把连接好各接线和插头，打开超声波探伤仪电源开关，让其预热当电源指示上的标线在绿区时，超声波探伤仪才能正常工作。

2)用产品试块(内含Φ1×6短横孔)对灵敏度进行标定，调节增益使检测Φ1×6的回波高度调到100％波幅，必须记下此时调定的波幅值标样管及实测均，按此法调校C扫描调色值标定。对C扫描的调色块进行标定，对应于满该度的100％、90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％的幅值进行调色值标定。

3)选择设置菜单下的文件参数，系统将根据该名称创建目录保存数据，设置好探头的速度扫描区间等参数。

4)利用夹持装置的快速压紧螺栓将夹持装置安装在聚乙烯管子上，在接头的另一侧安装耦合剂盛装装置(连聚焦装置、上下运动扫查装置)，利用耦合剂补充装置的底架将耦合剂补充装置牢固地安放在检测管子上，将周向运动扫查装置的定位杆插入夹持骨架中间的凹槽，从而连接聚乙烯管子与周向扫查装置。

5)在装置安装完成之后，将是正式扫描工作，在选择“控制”菜单下的“自动“命令或者按下手控板上的“自动”按钮探头，将自动扫描聚乙烯管道接头，扫描完成后显示结果。如果中途要停止扫描按下“ESC”键或者手控板上的“手动”按钮即可。扫描完一个接头后选择“控制”菜单下的“复位“命令探头将提起在复位点。

6)自动扫描完成之后就有了扫描图像可以对图像进行分析，图像分析带有图像放大、位置测定、尺寸测量等功能。本发明采用组合成像的方法，提供二维C图像中的各点的详细信息。通过聚乙烯管道对接接头的C扫描图像可以确定接头中缺陷的位置，并可以根据该图像大致确定接头中缺陷的类型。

为验证本发明对聚乙烯热熔对接接头缺陷检测的可靠性，加工了聚乙烯1#超声检测对比试块、2#超声检测对比试块和大量带有典型缺陷的聚乙烯热熔对接接头试样，解剖缺陷试样验证其可靠性。

对聚乙烯超声检测1#对比试块Φ2×40长横孔分别采用本发明(耦合聚焦方法)和接触法斜波技术进行超声检测，在同样的增益设置条件下，检测灵敏度对比；从图14可以判断，采用耦合聚焦方法对Φ2×40长横孔反射信号A(图14中的左图)比接触法斜波技术的长横孔反射信号B(图14中的右图)高3倍以上，因此本发明检测聚乙烯材料时具有较大的灵敏度和信噪比。为验证本发明对体积型缺陷的灵敏度水平，对2#聚乙烯对比试块中Φ1×6短横孔(模拟体积型小缺陷)进行试验；图15中的左图为深度为5mm时超声检测所获得的反射信号C(36dB增益条件下)和增益下降6dB时得到的超声波信号D(30dB增益条件下)，可以判断可见本发明对缺陷的检测灵敏度高于Φ1×6-6dB。

采用本发明检测缺陷时焦距基本不变，声程基本相同，不同位置的声压差别主要取决于耦合剂和聚乙烯材料的声衰减值。经测定，PE80聚乙烯管子45°方向超声波衰减约为6dB/cm，采用甘油、水、水玻璃混合物配制的耦合剂超声波衰减约为4dB/cm，两者衰减值差异约为2dB/cm，如果聚焦探头采用45°方向入射，两缺陷在深度位置上相差10mm，其检测灵敏度差别不到3dB，因此使用本发明对熔合区各位置的检测灵敏度基本相同。为验证本发明对不同位置缺陷的灵敏度水平，对2#聚乙烯对比试块中深度分别为5mm、10mm、15mm的Φ1×6短横孔进行试验，所获得的超声反射信号见图16。从图16可以得出，5mm深度的Φ1×6短横孔超声反射信号E(图16的左图)与10mm深度的Φ1×6短横孔超声反射信号F(图16的中图)相差不到2dB，与15mm深度的Φ1×6短横孔超声反射信号G(图16的右图)相差约3dB，与理论分析相一致。

如果是表面面积型缺陷，可以利用端角反射实现检测，灵敏度较高，0.3mm、0.5mm自身高度的表面裂纹所得到的端角反射信号分别见图17中的H(图17的左图)和I(图17的右图)。可见本发明对表面面积型缺陷有较高的检测灵敏度。如果是内部裂纹，如果裂纹尺寸较小，裂纹反射波有一定的指向性，聚焦探头接收裂纹的反射波，从而形成缺陷显示。本发明对小裂纹有很高的检测灵敏度，能够检出自身高度为1.0mm、位于接头中间的裂纹；图18为本发明检测自身高度为1.0mm的裂纹J(图18的左图)所得到的反射信号K(图18的右图)。

采用本发明还能够检测聚乙烯管道热熔对接接头未熔合缺陷，检测原理是利用聚焦探头捕捉端点衍射信号；图19为耦合聚焦方法捕捉到的未熔合端点衍射信号L。由于声能集中，耦合聚焦方法捕捉到的未熔合端点衍射信号要高于TOFD技术，图20中M(图20的左图)是耦合聚焦方法捕捉到的未熔合端点衍射信号，N(图20的右图)为TOFD技术捕捉到的端点衍射信号，两者对比，可见耦合聚焦方法对未熔合缺陷检测的信噪比要高于TOFD技术。

根据聚乙烯超声检测对比试块和大量带有典型缺陷的聚乙烯热熔对接接头试样的对比试验，系统比较了耦合聚焦方法、接触法斜波技术和TOFD技术对聚乙烯热熔对接接头缺陷的检测灵敏度、检测分辨力、定位精度、定量精度、自身高度测量精度、信噪比、检测未熔合能力。并通过解剖验证：耦合聚焦方法各个指标均优于传统的接触法斜波技术，个别指标(检测灵敏度、信噪比)甚至优于美国能源部核管理委员会(NRC)采用的TOFD技术。上述三种方法的检测能力对比结果见表1。

表1  各方法的检测能力对比结果