CN108562647B - Pa-tofd结合的聚乙烯管道热熔对接接头超声检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚乙烯管道热熔对接接头无损检测技术，旨在提供一种PA‑TOFD结合的聚乙烯管道热熔对接接头超声检测装置及方法。包括环绕安装在聚乙烯管道上的周向扫查轨道；其上装有周向扫查装置；连接杆一端固定在周向扫查装置顶部，另一端通过探头夹持器分别安装相控阵探头和单晶直探头；两个探头位于聚乙烯管道热熔对接接头的两侧，且探头的端部与聚乙烯管道之间保持间隙。超声检测仪具有超声相阵控检测和TOFD检测两种检测功能，相控阵探头同时作为超声相控阵检测和TOFD检测的声波发射探头。两种检测结果实时同步显示。克服了传统脉冲反射式超声检测技术存在结果不直观、数据无法记录和存储、难以对缺陷做出精确定位、定量等缺点。

Description

PA-TOFD结合的聚乙烯管道热熔对接接头超声检测装置及 方法

技术领域

本发明涉及聚乙烯管道热熔对接接头无损检测技术，具体涉及一种超声相控阵(PA)和超声衍射时差法(TOFD)结合的聚乙烯管道热熔对接接头的超声检测方法。

背景技术

相比金属管道，聚乙烯管道具有韧性好、耐腐蚀、使用寿命长和经济环保等优势，已在海洋、油气、城市燃气等领域有数十年的成功应用经验，近年来开始被用在核电站输水管线，具有十分广阔的应用前景。

热熔焊接是聚乙烯管道之间最常用的连接方式。其适用性强、成本较低，适用于外径较大的聚乙烯管，目前我国管径DN90以上的聚乙烯管道连接80％以上都采用热熔焊接方式。但由于热熔焊接工艺参数较多，施工操作较为复杂，受人为因素的影响，在聚乙烯管道接头处可能存在各种缺陷，使接头成为聚乙烯管道系统的薄弱环节。为提高聚乙烯管道的安全性，除通过正确选择焊接工艺和焊机外，还应有完善的接头缺陷检测和安全评定方法，防止含超标缺陷的管道投入运行。

聚乙烯管道在运行之前需对所有接头进行外观检查、水压试验和无损检测。外观检查包括检查表面凹陷，核查焊接数据，监测水压试验过程是否发生泄漏。水压试验要求按照标准操作，在打压、稳压、泄压和保压阶段，管段任意位置均不能发生泄漏。然而外观检查只能发现明显的表面缺陷，且检查结果严重依赖检查人员的业务水平。水压试验只能识别聚乙烯管热熔对接接头中的贯穿裂纹，无法识别诸如裂纹、孔洞、工艺性缺陷和熔合面夹杂等缺陷，因此需要借助无损检测技术来识别这些具有安全隐患的缺陷。

超声检测方法具有便捷、直观、无需安全防护设施等优点，已成为聚乙烯管道接头的首选方法。与金属材料不同，聚乙烯为黏弹高分子材料，超声波在聚乙烯中传播时，会发生衰减，声能随着传播距离不断减少，增加了聚乙烯管热熔对接接头的检测难度。

针对聚乙烯管热熔对接接头检测技术，国内外很多专家和研究机构展开了研究。美国塑料管材协会(PPI)基于脉冲反射法的基本原理，开发了聚乙烯管热熔对接接头的超声检测系统，实现了对接头质量的分级，但无法识别出具体缺陷。英国焊接学会(TWI)使用公称频率为2.25MHz、折射角分别为45°和60°的超声纵波斜探头对聚乙烯管道热熔对接接头检测可靠性进行试验，发现脉冲回波法对夹杂类缺陷的检测灵敏度很低，更无法检出冷焊缺陷。上述方法均为脉冲发射法，无法解决超声回波较弱这一难点，因此在检测热熔对接接头时有明显的不足。

超声相阵控检测也是采用脉冲回波技术，但与传统的超声脉冲回波技术不同的是，其利用多声束多角度扫描成像技术，实现声束聚焦和偏转，在较大范围内实现了焦点位置和焦点尺寸的控制和调节，保证整个声程范围内具有较为一致的检测分辨力，使检测图像更清晰，同时提高了检测速度。美国燃气研究协会(GRI)最早利用相控阵检测聚乙烯管道热熔对接接头，通过试验得出相控阵技术对壁厚较小的聚乙烯管道热熔对接接头具有较高的检测灵敏度。浙江省特种设备检验研究院的郭伟灿提出了一种针对聚乙烯管道热熔对接接头超声相控阵检测耦合聚焦技术，提高了检测灵敏度和检测深度。美国结构一体化公司(SI)的Caleb等人利用超声相控阵检测聚乙烯管热熔对接接头，实现了深度50mm范围内的缺陷检测，其通过实验研究发现超声相控阵检测对热熔对接接头内的体积形缺陷有较好的检测效果。对于面积形缺陷，受缺陷方向的影响，相控阵探头接收的反射回波较弱，导致检测结果失效或缺陷漏检，无法对缺陷进行定量分析。

TOFD(衍射时差法)依靠从待检试件内缺陷的端角处得到的衍射能量来检测缺陷，与常规的超声检测不同，TOFD检测不用回波幅度对缺陷大小做定量测定，而是利用脉冲传播时间来实现缺陷定位和定量。90年代中期，美国RTD质量服务有限公司和Flour Corp公司进行合作研究，将TOFD技术用于聚乙烯管热熔对接接头检测，并结合计算机成像技术开发了针对热熔对接接头的设备。英国TWI在大量的试验基础上得出TOFD法对于聚乙烯接头中平面不连续的缺陷有很好的探测灵敏度，但是对于较小的平滑气孔和靠近表面的缺陷检测灵敏度不如常规超声。为了促进端角衍射发生，TOFD检测所用的探头要求可以发射大扩散角的声束，因此要求声波发射探头具有较小的尺寸。但随着检测深度的增加，声波在聚乙烯中衰减严重，接收回波能量较弱，无法检测壁厚较大的聚乙烯管热熔对接接头。增加探头的尺寸可提高声束能量，但会减弱声束的扩散性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种PA-TOFD结合的聚乙烯管道热熔对接接头的超声检测装置及方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种PA-TOFD结合的聚乙烯管道热熔对接接头超声检测装置，包括超声检测仪，该装置还包括一个环绕安装在聚乙烯管道上的周向扫查轨道；在周向扫查轨道上装有周向扫查装置，能在周向扫查控制装置的控制下沿周向扫查轨道进行周向环绕运行；一个平行于聚乙烯管道的连接杆以其端部固定在周向扫查装置的顶部，连接杆的另一端设有两个朝向聚乙烯管道表面的探头夹持器，分别装有通过信号线接至超声检测仪的相控阵探头和单晶直探头；两个探头位于聚乙烯管道热熔对接接头的两侧，且探头的端部与聚乙烯管道之间保持间隙。

本发明中，在周向扫查轨道上设有滑道和齿条；一个步进电机的输出轴通过齿轮与周向扫查轨道上的齿条啮合，步进电机通过信号线接至周向扫查控制装置。

本发明中，所述周向扫查控制装置包括控制主板、液晶显示屏和按键，控制主板通过信号线分别接至控制主板、液晶显示屏和按键。

本发明中，所述探头夹持器活动套装在连接杆上，能沿着连接杆移动且通过锁扣锁定在连接杆上。

本发明中，所述连接杆上设有用于定位探头夹持器的刻度尺。

本发明进一步提供了利用前述装置实现PA-TOFD结合的聚乙烯管道热熔对接接头超声检测的方法，包括下述步骤：

(1)在检测前按所述装置连接关系进行设备安装，并连接好各接线和插头，在管道待检位置处涂覆耦合剂，然后启动超声检测仪；

(2)将超声检测仪选择开关设定为超声相控阵检测，在周向扫查控制装置上设定周向扫查装置进行周向转动的速度和时间后，启动周向扫查装置；由相控阵探头进行扫描、缺陷定位和实时成像，该过程中超声检测仪根据使声束聚焦的延时法则驱动相控阵探头；扫描结束后，周向扫查装置自动停止运行；

(3)将超声检测仪选择开关设定为超声衍射时差法检测，在周向扫查控制装置上设定周向扫查装置进行周向转动的速度和时间后，启动周向扫查装置；以相控阵探头作为声波发射探头、单晶直探头作为接收探头，该过程中超声检测仪根据声束发散的延时法则驱动相控阵探头发射柱面波，将单晶直探头接收到的信号显示为TOFD扫描成像，并与步骤(2)所得的相控阵检测成像进行同步显示；扫描结束后，周向扫查装置自动停止运行。

本发明中，在超声检测仪上预置了聚乙烯管道热熔对接接头中常见缺陷定义特征的数值；当在周向扫查过程中检测到符合定义特征数值的缺陷时，超声检测仪自动报警并记录缺陷方位和检测图谱，用于对聚乙烯管道热熔对接接头的缺陷进行全面检测和评估。

发明原理描述：

本发明通过结合超声相控阵的聚乙烯管道热熔对接接头TOFD检测方法，周向采用机械扫查技术，实现聚乙烯管热熔对接接头的自动检测。超声相控阵检测采用常规使声束聚焦的延时法则，利用相控阵探头S扫描检测缺陷。为了提高检测速度且有利于衍射发生，TOFD检测所用的探头要求可以发射大扩散角的声束。常规相控阵探头通过延时法则来实现声束聚焦，两端的晶片先发射，中心的晶片最后发射，使发射出的声束具有小的扩散角和好的指向性。本发明采用相控阵探头作为声波发射探头，为实现TOFD检测功能，延时法则与常规相反，中心的晶片先发射，两端的晶片最后发射，使平面晶片发射的超声波为向外发散的柱面波，从而实现声束的扩散，且能声束能量比单晶直探头强。

通过超声相控阵检测与TOFD检测相结合，融合了两种方法各自的优点。相控阵采用聚焦方法，运用电子技术调整焦点位置以及聚焦方向，从而实现声束的动态聚焦，因此在较大范围内实现了焦点位置和焦点尺寸的控制和调节，在保证整个声程范围内较为一致的检测分辨力的同时，同时提高了检测速度。而TOFD检测技术采用声束扩散方法，对面积型缺陷有较高的检测能力。两种方法实现各自的实时成像，可准确检出工件中的缺陷，并确定其位置、大小和自身高度。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

(1)本发明利用超声检测仪、相控阵探头和单晶直探头对聚乙烯管热熔对接接头进行检测，相控阵探头同时作为超声相控阵检测和TOFD检测的声波发射探头。超声检测仪具有超声相阵控检测和TOFD检测两种检测功能，两种检测结果实时同步显示。克服了传统脉冲反射式超声检测技术存在结果不直观、数据无法记录和存储、难以对缺陷做出精确定位、定量等缺点。

(2)通过超声相控阵扫描可实现聚乙烯管道热熔对接接头的初步检测，定位缺陷位置，并能克服TOFD检测对较小的平滑气孔和靠近表面的缺陷检测灵敏度较低的缺点。TOFD检测利用相控阵探头作为发射探头，单晶直探头作为接收探头，利用超声检测仪控制相控阵探头发射柱面波，可提高发射声波的能量，进而提高检测深度和成像效果，也能克服超声相控阵检测面积形缺陷能力不足的缺点。

(3)通过聚乙烯管道周向扫查，能够实现聚乙烯管道热熔对接接头的全方位检测，自动报警并记录缺陷方位和检测图谱，对接头的缺陷进行全面检测和评估。

附图说明

图1为本发明所述检测方法使用的检测装置示意图；

图2为超声相控阵(PA)检测模式的流程图；

图3为超声衍射时差法(TOFD)检测模式的流程图；

图4为超声相控阵(PA)检测原理示意图；

图5为超声衍射时差法(TOFD)检测原理示意图；

图6为超声衍射时差法(TOFD)检测时相控阵探头声束扩散示意图；

图7为声束聚焦延时法则计算示意图；

图8为声束发散延时法则计算示意图；

图1中的附图标记：1超声检测仪、2相控阵探头夹持器、3相控阵探头、4单晶直探头夹持器、5单晶直探头、6周向扫查装置、7连接杆、8周向扫查控制装置、9聚乙烯管道、10周向扫查轨道。

图5中，a直通波、b上端点衍射波、c下端点衍射波、e内壁反射波、s探头中心与接头中心的距离、d₁缺陷上端点的深度、d₂缺陷下端点的深度、t₁直通波与上端点衍射波的时间间隔、t₂直通波与下点衍射波的时间间隔。

图7中，d阵元间距、r聚焦深度、i为阵元编号、n为阵元数、θ为偏转角度、l_i为第i号阵元到设定焦点的距离，F为设定焦点。

图8中，d阵元间距、i为阵元编号、n为阵元数，R柱面波曲率半径。

具体实施方式

PA-TOFD结合的聚乙烯管道热熔对接接头超声检测装置，包括同时具有相控阵检测和TOFD检测功能的超声检测仪1，以及环绕安装在聚乙烯管道9上的周向扫查轨道10；在周向扫查轨道10上装有周向扫查装置6，能在周向扫查控制装置8的控制下沿周向扫查轨道10进行周向环绕运行；一个平行于聚乙烯管道9的连接杆7以其端部固定在周向扫查装置6的顶部，连接杆7的另一端设有两个朝向聚乙烯管道表面的探头夹持器，分别是相控阵探头夹持器2和单晶直探头夹持器4，各自分别装有通过信号线接至超声检测仪1的相控阵探头3和单晶直探头5。相控阵探头夹持器2和单晶直探头夹持器4均活动套装在连接7上，能沿着连接杆移动，且能通过锁扣锁定在连接杆7上。连接杆7上设有用于定位探头夹持器的刻度尺。两个探头位于聚乙烯管道9上的热熔对接接头的两侧，且探头的端部与聚乙烯管道9之间保持间隙。在周向扫查轨道10上设有滑道和齿条；一个步进电机的输出轴通过齿轮与周向扫查轨道10上的齿条啮合，步进电机通过信号线接至周向扫查控制装置8。周向扫查控制装置8包括控制主板、液晶显示屏和按键，控制主板通过信号线分别接至控制主板、液晶显示屏和按键。

利用前述装置实现PA-TOFD结合的聚乙烯管道热熔对接接头超声检测的方法，包括下述步骤：

(1)在检测前按所述装置连接关系进行设备安装，并连接好各接线和插头，在管道待检位置处涂覆耦合剂，然后启动超声检测仪；

(2)将超声检测仪1选择开关设定为超声相控阵检测(如图2)，在周向扫查控制装置8上设定周向扫查装置6进行周向转动的速度和时间后，启动周向扫查装置6；由相控阵探头3进行扫描、缺陷定位和实时成像，该过程中超声检测仪1根据使声束聚焦的延时法则驱动相控阵探头3；扫描结束后，周向扫查装置6自动停止运行；

具体操作时，将相控阵探头3和单晶直探头5置于热熔对接接头两侧，使两个探头的中心与接头中心的距离一致，记录此距离并在超声检测仪1进行设置。根据超声相控阵检测结果，调节聚焦深度、偏转角度和孔径数等相控阵检测参数，实现接头区域较大范围内的扫描，获得较好的相控阵检测结果。扫查过程中，相控阵探头3同时作为声波发射和接收探头，超声检测仪1根据延迟法则激励相控阵探头3的各阵元实现热熔对接接头S扫描，利用有效声程范围，对焊缝检测区域进行尽可能的覆盖(如图4所示)。超声检测仪1采集相控阵探头3接收的回波信号，在其显示界面显示相控阵检测结果。

(3)将超声检测仪1选择开关设定为超声衍射时差法检测(如图3)，在周向扫查控制装置8上设定周向扫查装置6进行周向转动的速度和时间后，启动周向扫查装置6；以相控阵探头3作为声波发射探头、单晶直探头5作为接收探头，该过程中超声检测仪1根据声束发散的延时法则驱动相控阵探头3发射柱面波，将单晶直探头5接收到的信号显示为TOFD扫描成像，并与步骤(2)所得的相控阵检测成像进行同步显示；扫描结束后，周向扫查装置6自动停止运行。

扫查过程中，相控阵探头3作为声波发射探头，单晶直探头5作为接收探头(如图5)。单晶直探头5接收直通波、缺陷上端点和下端点衍射波以及内壁反射波，超声检测仪1采集单晶直探头5接收的回波信号，在其显示界面上显示TOFD检测结果。与相控阵检测不同的是，TOFD检测时使用一个使声束发散的延时法则，其原理与现有超声相控阵检测技术相反。TOFD检测利用相控阵探头3的中心位置处的晶片先发射，两端的晶片最后发射，使平面晶片发射的超声波为向外发散的不同曲率半径的柱面波，从而实现声束的扩散(如图6所示)。根据TOFD检测结果，调整阵元数和柱面波曲率半径等参数可获得较好的TOFD检测结果。

(4)在超声检测仪1上预置了聚乙烯管道9热熔对接接头中常见缺陷定义特征的数值；当在周向扫查过程中检测到符合定义特征数值的缺陷时，超声检测仪1自动报警并记录缺陷方位和检测图谱，用于对聚乙烯管道9的热熔对接接头的缺陷进行全面检测和评估。通过检测图谱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。

检测过程中如需急停，操作周向扫查控制装置8急停开关，周向运动扫查装置6停止转动，扫查停止。

具体实施例子

实施例一：常规相控阵扫查模式实施示例

本发明相控阵检测时采用S扫描方案，相控阵探头采用自发自收形式，利用有效声程范围，对检测区域进行尽可能的覆盖，声束聚焦的延时法则计算原理如图7所示。波型采用纵波，并根据缺陷与探头的相对位置确定聚焦深度r和扫查范围。根据以上检测参数可由公式1可计算出各阵元的延迟时间τ_i。

式中，c是超声波纵波在聚乙烯中的传播速度；l_i为第i号阵元到设定焦点的距离；τ₀是时间常数，目的是为了避免τ_i出现负的延迟时间。

采用市售的具有线性、扇形两种扫查方式的超声相控阵检测仪，该检测仪可实现32通道接收，独立128通道发射，最大可支持128阵元的相控阵探头；同时还支持A/S/B/C等多种显示方式。以聚乙烯管道热熔对接接头检测常用的某型号探头为例，其中心频率2.5MHz，具有32阵元，阵元间距1.1mm，阵元宽度1.0mm，聚焦深度50mm、最大偏转角度30°和阵元数为8，超声波纵波在聚乙烯中的传播速度为2200m/s，根据以上参数计算得到各阵元的基础延迟时间，取τ₀＝923.6ns，则可计算出修正后的阵元延迟时间，如表1所示。

表1某参数下相控阵检测各阵元延迟时间

实施例二：相控阵和TOFD相结合的检测方式示例

本发明进行TOFD检测时，采用相控阵探头作为声波发射探头，为了使相控阵探头发射的声波具有好的扩散性，对相控阵探头的激励采用使声波发散的延时法则，声束发散的延时法则计算原理如图8所示。在实际TOFD检测时，设置参与柱面波发射的阵元数n和柱面波的曲率半径R，根据以上检测参数可由公式2可计算出各阵元的延迟时间τ_i。

式中，d为探头的阵元间距；τ₀是时间常数，目的是为了避免τ_i出现负的延迟时间。

同样以上述型号探头为例：中心频率2.5MHz，具有32阵元，阵元间距1.1mm，阵元宽度1.0mm，超声波纵波在聚乙烯中的传播速度为2200m/s。参与柱面波发射的阵元数为8，柱面波的曲率半径10mm，根据以上参数计算得到各阵元的基础延迟时间，取τ₀＝342.9ns，则可计算出修正后的阵元延迟时间，如表2所示。

表2某参数下TOFD检测各阵元延迟时间

单晶直探头作为声波的接收探头，接收直通波、缺陷上端点和下端点衍射波以及内壁反射波。超声检测仪处理单晶直探头接收的信号，以直通波为基准，在A扫描波形上测出直通波与缺陷端部衍射脉冲的传播时差t₁、t₂，结合探头中心与接头中心距离s，可由式(3)计算出缺陷高度H。

式中，s为探头中心与接头中心的距离；t₁直通波与上端点衍射波的时间间隔、t₂直通波与下点衍射波的时间间隔。

Claims (2)

1.一种PA-TOFD结合的聚乙烯管道热熔对接接头超声检测的方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）在下述连接关系进行设备安装，并连接好各接线和插头：

在聚乙烯管道上环绕安装一个周向扫查轨道，周向扫查轨道上装有周向扫查装置，能在周向扫查控制装置的控制下沿周向扫查轨道进行周向环绕运行；在周向扫查轨道上设有滑道和齿条；一个步进电机的输出轴通过齿轮与周向扫查轨道上的齿条啮合，步进电机通过信号线接至周向扫查控制装置；周向扫查控制装置包括控制主板、液晶显示屏和按键，控制主板通过信号线分别接至液晶显示屏和按键；

一个平行于聚乙烯管道的连接杆以其端部固定在周向扫查装置的顶部，连接杆的另一端设有两个朝向聚乙烯管道表面的探头夹持器，分别装有通过信号线接至超声检测仪的相控阵探头和单晶直探头；两个探头位于聚乙烯管道热熔对接接头的两侧，且探头的端部与聚乙烯管道之间保持间隙；探头夹持器活动套装在连接杆上，能沿着连接杆移动且通过锁扣锁定在连接杆上；连接杆上设有用于定位探头夹持器的刻度尺；

（2）在管道待检位置处涂覆耦合剂，然后启动超声检测仪；

（3）将超声检测仪选择开关设定为超声相控阵检测，在周向扫查控制装置上设定周向扫查装置进行周向转动的速度和时间后，启动周向扫查装置；由相控阵探头进行扫描、缺陷定位和实时成像，该过程中超声检测仪根据使声束聚焦的延时法则驱动相控阵探头；扫描结束后，周向扫查装置自动停止运行；

（4）将超声检测仪选择开关设定为超声衍射时差法检测，在周向扫查控制装置上设定周向扫查装置进行周向转动的速度和时间后，启动周向扫查装置；以相控阵探头作为声波发射探头、单晶直探头作为接收探头，该过程中超声检测仪根据声束发散的延时法则驱动相控阵探头发射柱面波，将单晶直探头接收到的信号显示为TOFD扫描成像，并与步骤（3）所得的相控阵检测成像进行同步显示；扫描结束后，周向扫查装置自动停止运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在超声检测仪上预置了聚乙烯管道热熔对接接头中常见缺陷定义特征的数值；当在周向扫查过程中检测到符合定义特征数值的缺陷时，超声检测仪自动报警并记录缺陷方位和检测图谱，用于对聚乙烯管道热熔对接接头的缺陷进行全面检测和评估。

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