聚乙烯管道接头的超声波检测

刘同文　麦少棠　黎志雄　黄长明

摘 要：概述了超声波检测的原理，并对目前常用的聚乙烯管道焊接接头缺陷的超声波检测方法，比如超声相控阵聚焦技术、衍射时差法、超声成像技术、振幅捕捉法、回波脉冲法的检测机理和相应特点进行了详细的论述。

关键词：聚乙烯；焊接接头；超声波检测；燃气

中图分类号：TG441.7；TG457.6 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0018-02

聚乙烯管道有密封性好、耐腐蚀性优异、高韧性、重量轻和使用寿命长等特点，被广泛应用于燃气输送领域，以构建燃气输送系统。燃气输送系统通常是将大量不同规格的管道通过焊接的方法连接在一起，然而在管道焊接的过程中，往往会在管道接头部位出现各种缺陷，比如冷焊、过焊、未熔合、错位、气泡、空洞、夹杂和金属丝错位等。接头缺陷的存在恶化了管道的连接性能，降低了管道的密闭性，并且极大地影响了管道的安全使用。因此，为了确保燃气的安全供应，对聚乙烯管道接头进行缺陷检测具有非常重要的现实意义。

常规的聚乙烯管焊接接头检测方法有目视检测、破坏性试验和超声波检测。目视检测只能看到尺寸较大的表面缺陷，不能直接观察到接头的内部缺陷，检测不可靠；破坏性试验只是一种抽样检测方法，无法针对特定接头进行检测；相对而言，超声波检测是目前最有效的检测聚乙烯管焊接接头缺陷的方法。

1 超声波检测原理

超声波检测是利用超声波在两种具有不同声阻抗的介质界面上利用反射原理实现对缺陷的检测。通常情况下，经界面反射回来的声波能量与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。当用超声波对连接良好的焊接接头进行检测时，由于接头内部材质均匀，材料内部不会对声波产生反射作用，而在接口内侧的卷边与空气的界面会对超声波束产生强烈的反射作用。将界面定义为介质声阻抗变化的突变点，当焊口内部反射回来的声波强度小于预期信号强度时，表明接头连接不良，存在缺陷。根据波形反射的强度和位置对焊接接头的质量进行分级，总共分为5个等级。其中，3级为不稳定状态，不作评定，需重新检测。

聚合物超声检测与金属材料超声波检测之间有较大的差异。因为超声波在聚合物材料中的衰减比在金属材料中的衰减足足大了10倍。实践表明，为了有效地检测聚合物中的缺陷，只能用较低频率的超声波（<4 MHz）进行检测，比如聚乙烯管道热熔接头的超声波检测通常采用回波脉冲法。在检测过程中，使用1个探头用于发射和接收声波，并根据反射波的强度（波幅）和位置来判断焊接接头内部是否存在缺陷。

2 超声波检测方法

目前，常用于检测聚乙烯管焊接接头质量的超声波检测方法有超声相控阵聚焦技术、衍射时差法、超声成像技术、振幅捕捉法和回波脉冲法。

2.1 超声相控阵聚焦技术

超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片在空间内按一定的方式排列，组成一个阵列，每个晶片被称为一个阵元，当各阵元以同一频率的信号进行激励时，它们所发出的声波是相干的，这些声波在空间干涉后就形成了特定的指向性或聚焦特性。运用电子技术，按一定的规则和时序控制激发各个阵元，使阵列中各阵元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面，在效果上相当于改变了换能器的空间排列形式。同样，在反射波的接收过程中，按一定的规则和时序控制接收阵元的信号，并将信号合成，再将合成结果以适当形式显示出来。由于实现了超声波声束的角度、焦距、焦点尺寸的计算机软件控制和电子控制，所以，可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布，其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸和位置在一定范围内连续、动态可调，且探头可快速平移声束，以实现不同规格的聚乙烯管电熔接头的检测。

2.2 衍射时差法

衍射时差法（TOFD）作为一种较新的超声检测技术，不同于以往的常规超声技术，它是利用固体中声速最快的纵波在缺陷端部产生的衍射能量来进行检测的。

检测时，在聚乙烯的焊缝两侧，将一对频率、尺寸和角度相同的纵波斜探头相向对称放置，一个作为发射探头，另一个作为接收探头。发射探头发射的纵波从侧面入射被检的焊缝断面。在无缺陷部位，接收探头会接收到沿试件表面传播的直通波和底面反射波。当存在缺陷时，在上述两波之间，接收探头会接收到缺陷上端部和下端部的衍射波信号。

将A扫射频信号运用于TOFD焊接接头缺陷检测上，可以实现对各个波形相位关系的观察。假设直通波相位为正-负-正，那么底面反射波的相位则相反，为负-正-负；在缺陷上端点处形成的相位与直通波相位相反，为负-正-负；下端点处的相位与直通波相位相同，为正-负-正。但是，在用该方法处理数据时，由于TOFD衍射信号非常弱，而且数据记录时使用灰度图，所以，部分尺寸较小的缺项可能不容易被观察出来。如果利用灰度图B扫描显示中的数据，焊接接头将易于识别，从而提高工作效率。

2.3 超声成像技术

超声成像就是利用材料组织（声阻抗和衰减特性）的不均匀性，对超声波造成不同的反射和衰减，从而获得材料内部声学特性分布图像。

超声图像可提供聚乙烯管焊接接头内部连接情况的数字信息图，且数据可靠、复现性高，可以对缺陷进行定量的动态监控。一般而言，超声成像方法是基于A型显示形成工件不同截面图像，而且大都具有自动数据采集、自动数据处理和自动作出评价的功能。超声成像方法发展到现在，主要采用先扫描接收信号，最后再进行图像重构的方式，因此，它又被称为超声扫描成像技术。起初主要是利用B，C扫描成像，随后为检测焊缝而开发出D、P扫描（投影扫描成像），由于相控阵技术的出现，又研发出S扫描（扇形扫描成像）等。目前，B扫描成像技术较多地应用于聚乙烯管道焊接接头的缺陷检测中。

摘 要：概述了超声波检测的原理，并对目前常用的聚乙烯管道焊接接头缺陷的超声波检测方法，比如超声相控阵聚焦技术、衍射时差法、超声成像技术、振幅捕捉法、回波脉冲法的检测机理和相应特点进行了详细的论述。

关键词：聚乙烯；焊接接头；超声波检测；燃气

中图分类号：TG441.7；TG457.6 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0018-02

聚乙烯管道有密封性好、耐腐蚀性优异、高韧性、重量轻和使用寿命长等特点，被广泛应用于燃气输送领域，以构建燃气输送系统。燃气输送系统通常是将大量不同规格的管道通过焊接的方法连接在一起，然而在管道焊接的过程中，往往会在管道接头部位出现各种缺陷，比如冷焊、过焊、未熔合、错位、气泡、空洞、夹杂和金属丝错位等。接头缺陷的存在恶化了管道的连接性能，降低了管道的密闭性，并且极大地影响了管道的安全使用。因此，为了确保燃气的安全供应，对聚乙烯管道接头进行缺陷检测具有非常重要的现实意义。

常规的聚乙烯管焊接接头检测方法有目视检测、破坏性试验和超声波检测。目视检测只能看到尺寸较大的表面缺陷，不能直接观察到接头的内部缺陷，检测不可靠；破坏性试验只是一种抽样检测方法，无法针对特定接头进行检测；相对而言，超声波检测是目前最有效的检测聚乙烯管焊接接头缺陷的方法。

1 超声波检测原理

超声波检测是利用超声波在两种具有不同声阻抗的介质界面上利用反射原理实现对缺陷的检测。通常情况下，经界面反射回来的声波能量与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。当用超声波对连接良好的焊接接头进行检测时，由于接头内部材质均匀，材料内部不会对声波产生反射作用，而在接口内侧的卷边与空气的界面会对超声波束产生强烈的反射作用。将界面定义为介质声阻抗变化的突变点，当焊口内部反射回来的声波强度小于预期信号强度时，表明接头连接不良，存在缺陷。根据波形反射的强度和位置对焊接接头的质量进行分级，总共分为5个等级。其中，3级为不稳定状态，不作评定，需重新检测。

聚合物超声检测与金属材料超声波检测之间有较大的差异。因为超声波在聚合物材料中的衰减比在金属材料中的衰减足足大了10倍。实践表明，为了有效地检测聚合物中的缺陷，只能用较低频率的超声波（<4 MHz）进行检测，比如聚乙烯管道热熔接头的超声波检测通常采用回波脉冲法。在检测过程中，使用1个探头用于发射和接收声波，并根据反射波的强度（波幅）和位置来判断焊接接头内部是否存在缺陷。

2 超声波检测方法

目前，常用于检测聚乙烯管焊接接头质量的超声波检测方法有超声相控阵聚焦技术、衍射时差法、超声成像技术、振幅捕捉法和回波脉冲法。

2.1 超声相控阵聚焦技术

超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片在空间内按一定的方式排列，组成一个阵列，每个晶片被称为一个阵元，当各阵元以同一频率的信号进行激励时，它们所发出的声波是相干的，这些声波在空间干涉后就形成了特定的指向性或聚焦特性。运用电子技术，按一定的规则和时序控制激发各个阵元，使阵列中各阵元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面，在效果上相当于改变了换能器的空间排列形式。同样，在反射波的接收过程中，按一定的规则和时序控制接收阵元的信号，并将信号合成，再将合成结果以适当形式显示出来。由于实现了超声波声束的角度、焦距、焦点尺寸的计算机软件控制和电子控制，所以，可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布，其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸和位置在一定范围内连续、动态可调，且探头可快速平移声束，以实现不同规格的聚乙烯管电熔接头的检测。

2.2 衍射时差法

衍射时差法（TOFD）作为一种较新的超声检测技术，不同于以往的常规超声技术，它是利用固体中声速最快的纵波在缺陷端部产生的衍射能量来进行检测的。

检测时，在聚乙烯的焊缝两侧，将一对频率、尺寸和角度相同的纵波斜探头相向对称放置，一个作为发射探头，另一个作为接收探头。发射探头发射的纵波从侧面入射被检的焊缝断面。在无缺陷部位，接收探头会接收到沿试件表面传播的直通波和底面反射波。当存在缺陷时，在上述两波之间，接收探头会接收到缺陷上端部和下端部的衍射波信号。

将A扫射频信号运用于TOFD焊接接头缺陷检测上，可以实现对各个波形相位关系的观察。假设直通波相位为正-负-正，那么底面反射波的相位则相反，为负-正-负；在缺陷上端点处形成的相位与直通波相位相反，为负-正-负；下端点处的相位与直通波相位相同，为正-负-正。但是，在用该方法处理数据时，由于TOFD衍射信号非常弱，而且数据记录时使用灰度图，所以，部分尺寸较小的缺项可能不容易被观察出来。如果利用灰度图B扫描显示中的数据，焊接接头将易于识别，从而提高工作效率。

2.3 超声成像技术

超声成像就是利用材料组织（声阻抗和衰减特性）的不均匀性，对超声波造成不同的反射和衰减，从而获得材料内部声学特性分布图像。

超声图像可提供聚乙烯管焊接接头内部连接情况的数字信息图，且数据可靠、复现性高，可以对缺陷进行定量的动态监控。一般而言，超声成像方法是基于A型显示形成工件不同截面图像，而且大都具有自动数据采集、自动数据处理和自动作出评价的功能。超声成像方法发展到现在，主要采用先扫描接收信号，最后再进行图像重构的方式，因此，它又被称为超声扫描成像技术。起初主要是利用B，C扫描成像，随后为检测焊缝而开发出D、P扫描（投影扫描成像），由于相控阵技术的出现，又研发出S扫描（扇形扫描成像）等。目前，B扫描成像技术较多地应用于聚乙烯管道焊接接头的缺陷检测中。

摘 要：概述了超声波检测的原理，并对目前常用的聚乙烯管道焊接接头缺陷的超声波检测方法，比如超声相控阵聚焦技术、衍射时差法、超声成像技术、振幅捕捉法、回波脉冲法的检测机理和相应特点进行了详细的论述。

关键词：聚乙烯；焊接接头；超声波检测；燃气

中图分类号：TG441.7；TG457.6 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0018-02

聚乙烯管道有密封性好、耐腐蚀性优异、高韧性、重量轻和使用寿命长等特点，被广泛应用于燃气输送领域，以构建燃气输送系统。燃气输送系统通常是将大量不同规格的管道通过焊接的方法连接在一起，然而在管道焊接的过程中，往往会在管道接头部位出现各种缺陷，比如冷焊、过焊、未熔合、错位、气泡、空洞、夹杂和金属丝错位等。接头缺陷的存在恶化了管道的连接性能，降低了管道的密闭性，并且极大地影响了管道的安全使用。因此，为了确保燃气的安全供应，对聚乙烯管道接头进行缺陷检测具有非常重要的现实意义。

常规的聚乙烯管焊接接头检测方法有目视检测、破坏性试验和超声波检测。目视检测只能看到尺寸较大的表面缺陷，不能直接观察到接头的内部缺陷，检测不可靠；破坏性试验只是一种抽样检测方法，无法针对特定接头进行检测；相对而言，超声波检测是目前最有效的检测聚乙烯管焊接接头缺陷的方法。

1 超声波检测原理

超声波检测是利用超声波在两种具有不同声阻抗的介质界面上利用反射原理实现对缺陷的检测。通常情况下，经界面反射回来的声波能量与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。当用超声波对连接良好的焊接接头进行检测时，由于接头内部材质均匀，材料内部不会对声波产生反射作用，而在接口内侧的卷边与空气的界面会对超声波束产生强烈的反射作用。将界面定义为介质声阻抗变化的突变点，当焊口内部反射回来的声波强度小于预期信号强度时，表明接头连接不良，存在缺陷。根据波形反射的强度和位置对焊接接头的质量进行分级，总共分为5个等级。其中，3级为不稳定状态，不作评定，需重新检测。

聚合物超声检测与金属材料超声波检测之间有较大的差异。因为超声波在聚合物材料中的衰减比在金属材料中的衰减足足大了10倍。实践表明，为了有效地检测聚合物中的缺陷，只能用较低频率的超声波（<4 MHz）进行检测，比如聚乙烯管道热熔接头的超声波检测通常采用回波脉冲法。在检测过程中，使用1个探头用于发射和接收声波，并根据反射波的强度（波幅）和位置来判断焊接接头内部是否存在缺陷。

2 超声波检测方法

目前，常用于检测聚乙烯管焊接接头质量的超声波检测方法有超声相控阵聚焦技术、衍射时差法、超声成像技术、振幅捕捉法和回波脉冲法。

2.1 超声相控阵聚焦技术

超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片在空间内按一定的方式排列，组成一个阵列，每个晶片被称为一个阵元，当各阵元以同一频率的信号进行激励时，它们所发出的声波是相干的，这些声波在空间干涉后就形成了特定的指向性或聚焦特性。运用电子技术，按一定的规则和时序控制激发各个阵元，使阵列中各阵元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面，在效果上相当于改变了换能器的空间排列形式。同样，在反射波的接收过程中，按一定的规则和时序控制接收阵元的信号，并将信号合成，再将合成结果以适当形式显示出来。由于实现了超声波声束的角度、焦距、焦点尺寸的计算机软件控制和电子控制，所以，可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布，其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸和位置在一定范围内连续、动态可调，且探头可快速平移声束，以实现不同规格的聚乙烯管电熔接头的检测。

2.2 衍射时差法

衍射时差法（TOFD）作为一种较新的超声检测技术，不同于以往的常规超声技术，它是利用固体中声速最快的纵波在缺陷端部产生的衍射能量来进行检测的。

检测时，在聚乙烯的焊缝两侧，将一对频率、尺寸和角度相同的纵波斜探头相向对称放置，一个作为发射探头，另一个作为接收探头。发射探头发射的纵波从侧面入射被检的焊缝断面。在无缺陷部位，接收探头会接收到沿试件表面传播的直通波和底面反射波。当存在缺陷时，在上述两波之间，接收探头会接收到缺陷上端部和下端部的衍射波信号。

将A扫射频信号运用于TOFD焊接接头缺陷检测上，可以实现对各个波形相位关系的观察。假设直通波相位为正-负-正，那么底面反射波的相位则相反，为负-正-负；在缺陷上端点处形成的相位与直通波相位相反，为负-正-负；下端点处的相位与直通波相位相同，为正-负-正。但是，在用该方法处理数据时，由于TOFD衍射信号非常弱，而且数据记录时使用灰度图，所以，部分尺寸较小的缺项可能不容易被观察出来。如果利用灰度图B扫描显示中的数据，焊接接头将易于识别，从而提高工作效率。

2.3 超声成像技术

超声成像就是利用材料组织（声阻抗和衰减特性）的不均匀性，对超声波造成不同的反射和衰减，从而获得材料内部声学特性分布图像。

超声图像可提供聚乙烯管焊接接头内部连接情况的数字信息图，且数据可靠、复现性高，可以对缺陷进行定量的动态监控。一般而言，超声成像方法是基于A型显示形成工件不同截面图像，而且大都具有自动数据采集、自动数据处理和自动作出评价的功能。超声成像方法发展到现在，主要采用先扫描接收信号，最后再进行图像重构的方式，因此，它又被称为超声扫描成像技术。起初主要是利用B，C扫描成像，随后为检测焊缝而开发出D、P扫描（投影扫描成像），由于相控阵技术的出现，又研发出S扫描（扇形扫描成像）等。目前，B扫描成像技术较多地应用于聚乙烯管道焊接接头的缺陷检测中。