PE管焊缝缺陷超声检测效果的模糊评价

摘 要：针对聚乙烯管道运行过程中因存在缺陷而导致的安全风险，采用超声波技术检测聚乙烯管热熔焊接（特别是现场焊接）焊缝处的各种缺陷，并对缺陷的检测效果展开模糊评价。通过选用和制作不同类型的超声探头和PE管焊缝缺陷试块，分别采用5种定制探头检测及分析4种常见的PE管焊缝缺陷：气孔、夹杂、裂纹、脱层。在不同探头对各种类型缺陷的检出率和定量效果的基础上，利用模糊评价方法评估其检测效果，并验证其正确性。结果表明：不同类型探头对PE管缺陷检出率和定量效果差异明显，可通过选用适合的超声波探头检测PE管焊缝缺陷。

关键词：聚乙烯；无损检测；超声波检测；模糊评价

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）08-0039-05

0 引 言

近年来，塑料管因其良好的耐腐蚀性、成型加工特性和抗污染性等特点，应用发展极其迅速，逐渐替代了钢管在各方面的应用[1-2]。聚乙烯（polyethylene，PE）管作为一种绿色环保型塑料管材，综合性能优越，预期使用寿命长（可达50年）[3]，在城镇燃气输送、农业灌溉、工业流体运输等领域得到了广泛应用。根据最近的一项经济研究[4-6]，仅欧洲联盟2012年生产塑料就达4 590万吨，其中PE占29.5%。

热熔焊接经济可靠，连接简单快速，已广泛应用于各种规格的PE管道连接。然而，施工现场热熔焊接接头的性能易受各种环境条件和焊接工艺的影响，接头处不可避免地容易产生各种缺陷，如气孔、夹杂、未焊透等，从而降低焊接质量，诱发管道失效，严重时甚至可能引发重大安全事故[7]。因此，PE管材热熔焊接焊缝的无损检测至关重要。随着金属无损检测技术的发展，复合材料的超声检测已成为近年来国内外的研究热点[8-9]，相关研究已获得一些进展，如超声波衍射时差法（TOFD）、超声相控阵列技术检测塑料熔接管道缺陷[10-12]。

然而，基于TOFD和超声相控阵列技术的检测方法相对繁琐、设备较贵，需要额外的附件配合使用，工程应用受到一定程度的限制。为此，本研究针对PE管材的特点，基于普通数字超声检测仪，对PE管热熔焊接接头处不同种类缺陷的检测效果及其评价方法进行研究，以期实现PE等塑料管超声波检测的工程化应用。

1 检测原理及实验方案

1.1 超声检测原理

超声检测利用脉冲回波反射原理进行缺陷检测，即探头发射脉冲经过耦合剂到达被测物体表面产生始波，进入物体后遇到缺陷产生缺陷回波，由物体表面反射的脉冲信号时间t1及缺陷反射的脉冲信号时间t2，得出（t2-t1）为超声波由物体表面到达缺陷并返回至物体表面所经历的时间。根据超声波在被检物体中的传播速度，计算缺陷与物体表面的相对位置[13]为

1.2 实验方案

由于PE材料性质与钢有很大不同，故超声波检测缺陷时需考虑以下关键问题：探头参数，管道接头几何特性及热影响区域，材料声速，扫描范围。

1）探头参数确定。PE材料衰减大且声速小，频率越高衰减就越大，同时为了超声检测时有足够的穿透性和灵敏度，使用频率又不能太低，故采用2 MHz或2.5 MHz的检测频率。而高衰减限制了收发探头之间距离，但可以调整楔形块的角度使之适合缺陷信号显示，因此选用63.4°或68.2°的折射角（即K值取2或2.5）。由于管道检测面为曲面，传统的平面型超声斜探头与被检测面的接触均为线接触，造成超声波散射严重，灵敏度大大降低。为提高检测效果，特制作弧形底面的探头与管道曲率相配合。根据日本、美国相关标准，曲率半径为R1的试块，其探头曲率半径可选择为0.9～1.5R1[14]。因此，本研究中所用5种探头分别为①2P9×9K2.5平底、②2P9×9K2.5弧形底面、③2P13×13K2.5平底、④2P13×13K2.5弧形底面、⑤2.5P13×13K2平底，其中两个特制弧形探头底面直径为160 mm。

2）试块制作。实验选取SDR11系列，公称直径？准160 mm的聚乙烯管进行热熔焊接，分别产生气孔、夹杂、裂纹、脱层4种缺陷，并制成宽60 mm、长200 mm包含接头的条状试块。由于塑料管热熔焊接过程中要产生翻边（即卷边），为了避免翻边的影响，在将管道焊缝接头加工成条状试样后，去除内外翻边，以减小内外翻边对超声检测产生干扰。

3）材料声速。为了确定超声波在PE管中的声速，采用声发射方式进行测定，并在标准试块上进行声速校正。

4）扫描范围。如图1所示，PE管壁厚10 mm，垂直方向接近上表面距离h是检测盲区，b为探头前沿。由式（2）知水平扫描范围为S-b=10K-b，垂直扫描范围为10-h=10-b/K。

K=tanα=b/h=S/10（2）

具体实验方案如图2所示，本研究采用纵波脉冲反射法，参照标准 JB/T 4730.3——2005《承压设备无损检测 超声波检测》进行试验，根据PE材料的特性，制作专用的斜探头和PE试块；使用声发射法测出实验PE管声速，并在检测前对声速、零偏、前沿、K值进行校正；使用人工预制横孔缺陷的对比试块制作距离-波幅（DAC）曲线，然后在带缺陷的试件上进行检测并记录数据。

2 实验及分析

2.1 声速实验

本研究采用声发射中的时差线定位技术[15]测声速，其定位原理如图3所示，位置1为声发射信号源，位置2和位置3各有一探头，信号从位置1到达位置2的时间为t1，到达位置3的时间为t2，信号先后到达两个探头之间的时差Δt=（t2-t1），以D表示两探头间的距离，ν表示声波在试样中的传播速度，则声速为

截取一段长300 mm的PE管，采用双通道声发射测试系统PCI-2和两个DP15I探头，在位置1发出声信号，将探头分别置于位置2、位置3接头声信号并记录接收信号的时间t1、t2，其中D=150 mm。结果显示，6次测量声速分别是2 092.05，1 913.27，2 127.66，

1 981.51，2 475.25，2 362.20 m/s，取平均值得到平均声速2 158.66 m/s，与文献[1]给出的纵波声速2 150 m/s接近。

2.2 缺陷检测实验

采用HS620超声波探伤仪和5种类型探头参照标准JB/T 4730.3——2005分别校正声速、零偏、前沿、K值，在人工预制横孔缺陷的对比试块上制作距离-波幅曲线（DAC曲线）后，对焊缝处含有气孔、夹杂、裂纹、脱层的PE管试块分别进行探伤。如图4所示，其中q是缺陷距焊缝中心线的距离，S3是缺陷波幅最大反射点至试板左端的距离，q和S3确定缺陷的位置。S1是缺陷左端至试板左端的距离，S2是缺陷右端至试板左端的距离，S2-S1即为缺陷宽度L。探伤结果见表1。

3 模糊评价

模糊评价法的实质是以模糊数学为理论基础，利用模糊变换原理和最大隶属度原则，对受到多种因素制约的事物或对象作出总体评价[16]。本研究在PE管缺陷超声波检测数据（如表1）的基础上，利用模糊综合评价方法对各探头检测不同缺陷的检出效果和定量精度进行评估，为PE管缺陷检测时探头的选择提供参考。为此，根据模糊综合评价方法，需首先建立因素集、评价集、隶属函数和权重集，以便在此基础上对探头检测缺陷效果进行综合评价。具体步骤如下：

1）建立对象集和因素集。以不同类型探头X={X1，X2，X3，X4，X5}={①，②，③，④，⑤}为对象集；缺陷U={u1，u2，u3，u4}={气孔，夹杂，裂纹，脱层}的检测效果（检出率和定量）为因素集。

2）建立权重集和评价集。由于在PE管热熔焊接及工作过程中，气孔和裂纹缺陷的出现机率要高于夹杂和脱层，故以A={A1，A2，A3，A4}={0.3，0.2，0.3，0.2}为权重集；缺陷检测效果V={V1，V2，V3}={好，中等，差}为评价指标。

3）建立评价矩阵和综合模糊评价。通过专家对各因子的评语集打分以确定隶属度，结果见表2。然后，根据模糊综合评价模型B=A·R，计算各种缺陷的综合检测效果评价矩阵；在评价向量的基础上，即可对探头的检出率和定量效果进行综合模糊评价。

a.缺陷检出率评价

探头①评价向量B11=A·R11=[0.3 0.2 0.3 0.2]

向量中数据0.53、0.33、0.14分别对应评价指标的好、中等、差，可以此评价探头的检测效果。同理，探头②评价向量B12=A·R12=（0.66 0.28 0.06）；探头③评价向量B13=A·R13=（0.53 0.39 0.08）；探头④评价向量B14=A·R14=（0.55 0.37 0.08）；探头⑤评价向量B15=A·R15=（0.72 0.23 0.05）。

因此，缺陷检出率的综合评价矩阵B1=，根据模糊分布原则，比较各种探头对于缺陷的检测率从好到差依次为⑤>②>④>③>①（0.72>0.66>0.55>0.53=0.53）。

b.缺陷定量评价

同理，缺陷定量的综合评价矩阵B2=，各种探头对于缺陷的定量从好到差依次为①>②>③>⑤>④（0.92>0.79>0.67>0.62=0.62）。

c.综合模糊评价

综合分析缺陷检出率和定量评价可知：探头⑤缺陷检出率最高，探头①定量最好，而探头②综合效果较好。

4）实验验证

a.实验数据对比分析

探头⑤（2.5P13×13K2平底）晶片尺寸较大且频率高，故其检测范围较大，同时根据实验检测到缺陷最大波幅值为46.1 dB，与模糊评价结果一致；探头①（2P9×9K2.5平底）晶片尺寸小且频率较低，故其衰减较低，同时根据定量统计：气孔、夹杂、裂纹、脱层宽度分别为3，3.5，3，9 mm，与缺陷实际宽度3，3，3，

12 mm相比其综合定量效果最佳，与评价结果一致；而探头②（2P9×9K2.5弧形底面）频率较低且底面弧形与管道面接触，增加了缺陷的检出概率，实验得到的4种缺陷最大波幅值分别为39.1，31.8，2.3，39.1 dB，定量宽度分别为3.5，4，2，8 mm，其检出率和定量效果虽不是最好，但综合检测效果好，与模糊评价结果相符。

b.验证性实验

分别制作焊缝包含径向孔（直径5 mm）、夹杂纸屑（宽度10 mm）、横向裂纹（宽度12 mm）的PE管试样，使用上述5种探头进行超声波检测以验证模糊评价效果的正确性。结果如表3所示，探头⑤的检出效果明显优于其他探头，探头①的定量效果优于其他探头，而探头②的综合检测效果较好。

4 结束语

针对PE管无损检测的特点，采用5种特制探头分别对PE管焊缝的气孔、夹杂、裂纹、脱层缺陷进行检测，对检测效果进行模糊综合评价，研究表明：5种特制探头均能在一定程度上检测出缺陷，但PE管缺陷检测效果受探头特性影响较大，探头⑤（2.5P13×13K2平底）对PE管焊缝缺陷检出效果最好，探头①（2P9×9K2.5平底）定量效果最好，但综合效果较好的是探头②（2P9×9K2.5弧形底面）。评价结果与实际情况相符，上述结论可应用于PE管缺陷检测过程。

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（编辑：徐柳）