CN100401056C - 用于聚合材料的超声检测装置和其使用方法 - Google Patents

用于聚合材料的超声检测装置和其使用方法 Download PDF

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Abstract

用于聚合材料(例如塑料管)的超声检测装置，包括至少部分包封超声发射器的低吸收外罩，其中所述发射器发射窄带宽的低频广角超声束。在特别优选的配置和方法中，该装置探测聚合物管子中，尤其是这种管子的焊缝或受力区域中的缺陷，其中可以探测小于4%壁厚(最高达到4英寸)的缺陷。进一步公开了用于聚合物管子中未熔透缺陷的无损检测的配置和方法。

Description

用于聚合材料的超声检测装置和其使用方法
本申请要求2003年1月14日提交的系列号为60/440160的美国临时专利申请的权益，该临时专利申请在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及材料的无损分析，尤其是合成聚合物的超声渡越时间衍射(ultrasonic time of flight diffraction)分析。
背景技术
在现有技术中已经有无数种焊接塑料管的技术为人公知，而且，根据管子的特殊要求或尺寸，可以采用各种焊接方法。例如，当需要相对恒定的焊接温度时，可以采用感应焊接。另一方面，如果需要较快焊接和/或冷却时间时，可以采用振动焊接。在其它应用中，当需要焊接直径相对小的管子时，可以采用电熔焊接，而对于较大直径的管子，尤其适合采用对接熔融焊接。
然而，尽管用于聚合物材料的焊接技术种类繁多，但焊接质量的确认通常都是问题。尤其对于判定HDPE(高密度聚乙烯)管子的焊接质量而言，所有的或者几乎所有的已知方法都有明显的问题。例如，ASTM F600-78描述的测试程序在1991年被撤消，这是因为检测技术的成功以及后续对检测结果的整理分析过分依赖操作人员的技能。所以，当前工业实践在很多情况下，至少部分依靠对外部熔敷焊道的目测检查来判定焊接质量。但是，现场经验常常表明，在目测焊缝质量和实际焊缝完整性之间往往没有明显的一致性。
在另一例子中(例如，如同在ASTM D2657-97中给出的已知的弯曲带试验的质量控制(QC)技术)，常常发现还有其它对保证熔融质量的限制。典型地，如果熔融缺陷对整个焊缝而言并不常见，那么选中焊缝缺陷区的可能性就低。例如直径30英寸、DR 13.5(壁厚2.22英寸)的焊缝，要求试样厚度为3.33英寸。假设在圆周的约10％具有缺陷，那么选中缺陷区的可能性小于15％。如果进行的是随机检查而且不知道该焊缝是否有缺陷，那么这个比例会进一步降低。进一步假设总体中约10％的所有焊缝含有缺陷，那么找到某有缺陷的焊缝的缺陷区的可能性小于1.5％。
在其它已知方法中，可以在脉冲回声系统中采用超声检测去检测聚合物管和/或管子焊缝中的各种缺陷。超声检测的典型特征是速度快、无损并且相对便宜。但是，现有的超声方法通常局限于相对较薄的壁(即小于3/4英寸)。而且，现有的超声方法可能大多数不能探测出对接焊缝中的未熔透(LOF)。
为了克服目测检测、超声检测或随机检测的至少部分不足，可以用流体对组装的聚合物管子进行加压，从而检测泄漏情况。但是，由于聚合物的粘弹性本质，采用短期压力泄漏检测(例如水压检测)通常不能完全保证聚合物管道系统的完整性。而且，所述组装的管子对施加压力的变形响应取决于时间和材料温度。所以，短期压力泄漏测试保证了在管道系统中没有泄漏，但通常并不用来测试塑料管道系统的强度或者不用来保证给出长期寿命期望值。而且，虽然最近发展的一些测试将对某些缺陷的识别提高到了某种程度，但是所有或者几乎所有这些测试需要在非使用状态的管道上进行。
因此，虽然本领域已有许多检测聚合物管子和管子焊缝的方法，但是所有或者几乎所有这些方法都具有一个或多个缺点。而且，大多数现有系统只对非使用状态的管道提供结论性的结果。所以，对本领域已有的聚合物管子和管子焊缝，尤其是那些已经处于使用状态的管道而言，仍需要提供用于检测的改进方法和配置。
发明内容
本发明涉及聚合物材料，尤其是由热塑性聚合物制备的管子焊缝和管子的无损检测的装置和方法。预期设备通常包括低吸收外罩，其至少部分包封着超声发射器(transducer)，其中该发射器发出具有窄带宽的低频和广角超声束。预期的设备可以进一步包括与发射器成投射-接收关系排列的超声接收器，优选波束角为约40°和约70°。下表归纳了根据本发明主题的示例性设备的一般预期值/范围和尤其优选值/范围。
  典型范围/值   优选方面
  频率   1-5MHz   2.25MHz
  带宽   5-50％   ±10％
  探测角   45-75°   60°
  波束角   30°-80°   40°-70°
在本发明主题的一个方面，优选低吸收外罩包含高抗冲聚苯乙烯，和/或发射器的带宽可以很大程度地变化。但是，特别优选带宽是信号频率5％-50％的发射器，更优选带宽约是发射机额定频率的约±10％的发射器。在尤其优选的方面，外罩包含高抗冲聚苯乙烯，并且超声频率在带宽约±10％下约为2.25MHz。
在本发明主题的另一个方面，预期设备进一步包括与发射器成投射-接收关系排列的超声接收器，其中超声接收器产生信号，该信号优选采用将该信号转换成可视化输出的信号处理软件处理。
因此，本发明人预期了超声检测装置的使用和/或市场推广的方法，其中在一个步骤中提供具有低吸收外罩的装置，该外罩至少部分包封超声发射器，其中该超声发射器发射其带宽为额定发射机频率的5-50％的低频广角超声束。在另一步骤中，提供的是该装置在探测聚合材料缺陷(例如夹杂物、未熔透、和/或裂纹)上是有用的信息。对该装置而言，实施了上述和下面的“发明详述”一节中所述的一些见解。
在另外的优选方面，预期方法中的信息可进一步包括以下建议：通过里壁回声和/或侧波的至少一个的丢失来探测未熔透，和/或该装置在聚合物材料厚度最高达到4英寸时能探测到其中的缺陷(例如缺陷尺寸小于该聚合物材料厚度的4％)。
附图说明
图1A是与具有对接焊缝的塑料管子相接触的根据本发明主题的示例性装置的示意图。
图1B是图1A的装置的示例性发射器的示意图。
图1C是根据本发明主题的示例性探测角的示意图。
图1D是根据本发明主题的示例性波束角范围的示意图。
图2是根据本发明主题的示例性UT-TOFD检测系统的照片。
图3是根据本发明主题的示例性UT-TOFD检测校准图示的屏幕拷贝。
图4A是HDPE管子的焊缝A在第一位置的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。
图4B是HDPE管子的焊缝A在第二位置的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。
图5是HDPE管子的焊缝B的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。
图6是HDPE管子未对齐的焊缝的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。
图7是HDPE管子具有未熔透缺陷和外来物质夹杂的焊缝的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。
具体实施方式
发明人发现采用改进的UT-TOFD(超声渡越时间衍射)系统可以对聚合物管子和管子焊缝进行高精度和大壁厚检测。在本发明主题的特别优选方面，采用改进的探头结合高分辨率/高灵敏度软件探测、定位和判定高密度聚乙烯管子焊缝中缺陷的大小和类型，包括孔隙和未熔透。
发明人进一步发现根据本发明主题的配置和方法能够在厚度最高达到4英寸的管子中，探测出小于4％壁厚的缺陷。而且，特别值得称道的是，采用预期的方法和配置发现的缺陷类型、大小和/或位置与对同一管子和/或管子对接焊缝的有损检测的结果相关性很好。
在如图1A所示的根据本发明主题的示例性UT-TOFD系统中，将发射器和接收器按照投射-接收关系排列，以同时在检测区域发送和探测压缩波。检测区域边界由恰好指向表面下方(外径0D)的侧波信号和指向里壁或管子内径(内径ID)的里壁回声信号确定。TOFD方法通常测量各种信号的到达时间(渡越时间)，同时分析软件自动执行精确确定缺陷位置(通过圆周位置和深度)和大小(即长度、高度)所需的Pythagorean计算。来自检测区域中任何缺陷的信号以图示方式(例如，扫描区的示波器波或可见图示)在侧波信号和里壁信号之间显示。
在图2中描述了实际的示例性设备，其中该设备包括发射器和超声接收器，两者都连接到编码器上以提供位置信息。该设备还进一步通过电缆连接到便携式计算机上，该计算机执行对来自超声接收器的信号进行计算和显示的程序，以提供焊缝中缺陷的位置信息和尺寸信息。
已有的UT-TOFD方法和配置通常局限于探测厚度小于3/4英寸的聚合材料中的缺陷，而且由于信噪比相对较差，分辨率通常不能让人满意。而且，采用这种配置和方法，通常不能探测到LOF缺陷。相反，本发明人发现如果UT-TOFD系统具有下列配置，则所有或者几乎所有这些不足都可以弥补，在该配置中低吸收外罩至少部分包封超声发射器，该发射器发射窄带宽的低频广角超声束，通常波束角为约40°-约70°。
在本文中用到的术语“聚合材料”一般指其中多个重复单元形成链状或三维网络的合成材料，并且特别考虑的聚合材料包括热塑性材料(例如高密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺或者聚偏二氟乙烯)。而且，包括聚合材料的复合材料(例如与金属、碳、玻璃纤维或其它聚合材料)也在该定义的范围内。
同样在本文中使用的术语“低吸收外罩”是指下述外罩，其(a)至少部分包括超声源(例如压电发射器)，和(b)吸收的超声能与用高抗冲聚苯乙烯制备的外罩吸收的相似或者甚至更少。外罩可以进一步包括与超声源至少部分接触的超声消声器。更特别优选的低吸收外罩还可以由LEXAN(高抗冲聚碳酸酯，可以从General Electrics购买)制备或者包含LEXAN。当术语“约”和数字连用时，应该理解该数字可以有不超过10％但包括10％的正或负变化。例如，术语“约10％”指9.0％-11.0％，包括边界值。
在本文中进一步使用的术语“频率约0.5MHz-10MHz的超声发射器”指任何超声源，尤其那些发出频率约0.5MHz-10MHz的超声能量束。所以，预期的超声发射器尤其包括压电超声发射器、激光驱动超声发生器和电磁超声发射器。所以，本文所用的术语“低频”指约0.5MHz-10MHz，更优选约1.0MHz-4.0MHz，最优选约2.0MHz-2.5MHz的频率。
在本文中进一步用到的术语“广角超声束”一般指具有足以为待测材料的两个表面同时提供超声能的角度的任何超声束。所以，广角超声束产生沿着与超声发射器接触的表面基本平行方向传播的侧波以及撞向里壁(和与超声发射器接触的表面相对的表面；同样参见图1A)的声波。超声束的广角典型地为约30-80°，更典型地为约40-70°。类似地，本文中采用的术语“波束角”是指超声束的撞击角，该角是相对于与超声发射器接触的表面垂直的轴而言的；同样参见图1D。
本文中还使用的术语“窄带宽”是指发射器的额定频率的约±25％，更典型±15％，最典型约±10％的带宽。
在本发明主题的一个优选方面，发明人发现，与传统已知的TOFD系统相比，通过将发射器安置在由高抗冲聚苯乙烯制成的外罩中可以显著提高与该超声发射器按照投射-接收关系排列的超声接收器接收的信号强度。当然，应该认识到除高抗冲聚苯乙烯以外的各种材料也在考虑之列，只要这些材料具有与已知外罩材料相比更低的超声能吸收即可(材料的超声吸收可以由本领域技术人员容易地确定，例如通过使用与各种材料处于脉冲回声配置的传统超声测试系统)。
因此，预期外罩的合适可替换材料包括各种合成的高抗冲聚合物(例如高抗冲聚氨酯、高抗冲聚碳酸酯等)、金属、金属合金和其合理的组合。尽管发明人不希望受到某特定理论的束缚，但仍预期优选的外罩允许形成更集中的超声束和/或显著改进声学匹配以提高灵敏度。因此，还预期合适的外罩可以进一步包括消声器和/或将发射器和外罩隔离开的阻尼材料。
对发射器而言，通常优选发射器发射广角超声束，尤其优选探测角一般为约55°-65°，最优选约60°；还可以参见图1C。还预期发射器的带宽可以在相当大程度地变化。典型地，合适的发射器的带宽可以是额定频率的约5％-50％。但是，特别优选具有相对窄带宽(典型地为额定频率的约+/-10％[例如2.25MHz+/-10％])的发射器，使灵敏度和分辨率最大化。在诸多优点中，与宽带宽的发射器相比，预期窄带宽会在中心频率处提供明显较高的信号输出，从而增加信号的穿透性。因此，应该认识到窄带宽结合宽声束，能有利地获得高分辨率的响应。发射器的优选频率一般在低范围内，典型为约1MHz-约5MHz。但是，特别优选的频率是约2.25MHz。因此，特别合适的发射器可以包括嵌入/填充在聚合物中的标准钛锆酸铅(PZT)化合物晶体，图1B给出了示例性的发射器。
在尤其优选的配置中，发射器的外罩用高抗冲聚苯乙烯制备，并且发射器带宽窄，在60°探测角处频率为2.25MHz，发明人发现获得的信号显著强于采用传统TOFD配置获得的信号。而且，当用第三代图像软件(例如可以从RTD Quality Services有限公司购买，地址是Delftweg 144，3046NC Rotterdam，The Netherlands)处理信号时，获得的信号比用传统TOFD配置获得的信号强一个数量级。就发射器尺寸而言，应该理解所有的尺寸和配置都是合适的。但是，通常优选较小尺寸的发射器，接触直径为约1/2英寸。
根据观察，发明人预期由于发射器信号是和衍射信号速度相同的压缩波，所以可以通过Pythagorean理论算法从信号的到达时间而计算全部缺陷信号源的深度，其中所述算法由TOFD系统自动执行。所以，尤其优选的软件将测量信号的到达时间(形成时间)并提供Pythagorean计算的算法以确定缺陷位置以及提供缺陷指示符的即时可视化。根据检测的特定材料和采用的配置，应该认识到该软件还可以提供对来自超声接收器的信号的可视化显示。所以，值得称道的是该软件和预期系统的组合，不仅显著提高了在厚度大于3/4英寸的材料中的分辨率和探测能力(例如缺陷尺寸和取向)，而且提供了对缺陷类型进行辨别的可能性。
例如，发明人进一步发现侧波和/或里壁回声的“中断”或“丢失”还可以作为严重熔融缺陷的指示，尤其是未熔透缺陷的指示。在另一实施例中，衍射超声信号作为TOFD指示符显示在检测图像上，例如以点反射符的形式，指明可能的缺陷的位置(周向、深度)和大小(长度、高度)。从而允许对熔融对接焊缝中的实际缺陷进行定量工程分析。所以，应该认识到预期的系统和方法尤其适用于先进的断裂机制分析，以确定焊缝的完整性和任何未来的管道操作危险。更进一步而言，应该认识到预期的系统甚至可以用到处于运行状态的管道中。
试验和数据
下面为本领域普通技术人员提供了数据和试验，通过例子引导他们采用上述UT-TOFD设备和商用软件的组合(例如RTD公司的Pythagorean信号分析和可视化软件)。
UT-TOFD校准
在各个试验中采用了具有人为缺陷的HDPB管子来对预期系统进行校准。采用配有编码器的UT-TOFD设备绕管子表面进行周向扫描，获取焊缝信息，其中编码器提供所需超声信号的位置信息。如图3所示，TOFD显示器显示焊缝区域的横截面的“侧视图”。所有焊缝缺陷都显示为一系列的黑白线(相)，这些线位于焊缝材料的精确位置和深度。发明人通过多个校准试验判定当采用额定频率为2.25MHz的探头时，最大检测试样厚度达到并包括3.875英寸壁厚。根据参考衍射仪的衍射信号，如图3所示，本发明主题的UT-TOFD精确确定了2.5英寸厚试样中人为缺陷的位置和大小。对其它试样的校准试验也提供了和参考衍射仪的正向关系。
通过完成系统和检测区域的几何学分析，确定了探头的分离。考虑了下面这些因素：管子直径和DR等级，探头晶粒束宽直径0.5英寸，和入射波束角40-70°以及探测角60°±5°。下表1所示的探头分离典型覆盖了焊缝检测区域的全部厚度。
表1
  管壁厚度   探测角和频率   探头分离
  ≤0.85″   60°±5°-2.25Mhz   1.5″±0.5″
  0.85 to 1.5″   60°±5°-2.25Mhz   2.7″±0.5″
  1.5″to 2.5″   60°±5°-2.25Mhz   4.7″±0.5″
  2.5″to 4″   60°±5°-2.25Mhz   6.9″±1.0″
完成补充性校准试验，以确认该技术可以用于现场的、处于工作状态的管道系统中。将管子ID浸入简化模拟实际工作条件的静止水流和流动水流中，完成校准扫描。发现该系统提供的结果具有很好的分辨率，并且精确确定了人为缺陷的位置。在示例性系统中，发明人判定对于各种尺寸范围的管子而言，探测到的最小缺陷尺寸是塑料管壁厚的约4％。而且，发明人判定灵敏度和/或信号分辨率和缺陷位置没有函数关系。大多数校准试验中的信噪比约≥6dB。
测试实际焊缝以及独立确认
现场焊缝由具有资格的第三方检测机构进行了目视检测。随后，两人UT-TOFD工作组检测了该现场焊缝。工作组以每个现场焊缝15分钟，对对接焊缝中的缺陷进行了提出、检测和分类。利用预期系统对总共132个现场焊缝进行了UT-TOFD检测，管子大小从22英寸到32英寸，壁厚从0.846英寸到3.333英寸。在管道位置，UT-TOFD扫描对含有怀疑是严重熔融缺陷的焊缝进行了探测。为了确认该怀疑的缺陷是真实的缺陷，工作组从该管道中取出两个怀疑的焊缝，并标为焊缝A和焊缝B。然后准备进行有损检测(DE)的试样，并通过UT-TOFD和DE结果的关系表征熔融缺陷。所有的焊缝都是类型PE3408的HDPE塑料管的对接焊缝。
UT-TOFD探测熔融缺陷-焊缝A：
对焊缝A的试样1和1.1的UT-TOFD扫描结果如图4A所示。可以清楚地发现，焊缝A的试样1的UT-TOFD扫描结果含有两个不同的点反射符，但没有里壁波丢失，而试样1.1没有指示符。预期焊缝A的试样1和1.1中，焊接熔融良好。相反，如图4B所示，焊缝A的试样2和2.1的UT-TOFD扫描结果包括里壁回声的丢失以及侧波的丢失，表明有未熔透区域。
有损检测熔融缺陷-焊缝A
对前面采用UT-TOFD分析过的试样进行有损检测，得到了下表2总结的分析情况。对每个试样进行检测并判定失效模式，并给出了对各个试样的测试观察结果和评述。
表2
 试样(A)   失效模式   弯曲测试观察结果和评述
  1   延性过载   失效发生在焊缝界面附近而非界面上。最终试样失效后出现钝纤维断裂面和剪切边。
  1.1   延性过载   失效发生在焊缝界面附近而非界面上。最终断裂后出现钝纤维断裂面和剪切边。
  2   脆性断裂   失效发生在焊缝界面上。脆性断裂面在整个厚度上保持一致。
  2.1   开始是脆性断裂，最后是延性断裂   在焊缝界面开始断裂时是脆性断裂。在最后断裂期是延性断裂。
UT-TOFD和有损检测之间的关系-焊缝A
表3总结了焊缝A的无损UT-TOFD和有损检测结果。从这些结果可以清楚地发现，UT-TOFD结果和有损检测结果相关性很好，其中点反射符可能是局部缺陷(例如夹杂物或者焊缝孔隙)的标志，而其中里壁回声的缺失和/或侧波的丢失可能是严重缺陷，尤其是未熔透的标志。
表3
 试样(A)   UT-TOFD   有损检测
  1   2个分离的点反射符   延性过载失效
  1.1   没有标志   沿着焊缝界面没有出现断裂，显示出延性断裂面
  2   有区域出现了里壁波和侧波的丢失   试样表现出结合差的脆性断裂面特征(与未熔透有关)
  2.1   里壁和侧波的完全丢失   失效起始于脆性断裂，但最终断裂却源于延性机制
UT-TOFD探测熔融缺陷-焊缝B
对焊缝B执行了上述对焊缝A的相似试验，结果如下。对焊缝B的UT-TOFD扫描结果如图5所示，存在多个点反射符以及里壁回声的中断，表明有严重的未熔透、“冷焊”条件和焊缝孔隙。
有损检测熔融缺陷-焊缝B
对经过UT-TOFD分析的试样进行有损检测，对指明各点的分析总结在下表4中。再次测试每个试样并判定失效模式，同时给出了对各个试样的测试观察结果和评述。
表4
 试样(A)   失效模式   弯曲测试观察结果和评述
  1   脆性断裂   失效发生在焊缝界面，没有明显严重塑性变形。平的断裂面表明是脆性断裂。
  2   延性断裂   失效并不是完全发生在焊缝界面上。最终断裂后出现钝纤维断裂面和剪切边。确认在断裂面上存在不良熔融导致的孔。
  3   脆性断裂   焊缝界面上出现脆性断裂面，是焊缝失效。
  4   脆性断裂   沿着焊缝界面发生脆性断裂，是焊缝失效。
UT-TOFD和有损检测的关系-焊缝B
表5总结了焊缝B的无损UT-TOFD和有损检测结果。从这些结果可以清楚地发现，UT-TOFD结果和有损检测结果相关性很好，其中点反射符可能是局部缺陷(例如夹杂物或者焊缝孔隙)的标志，而其中里壁回声缺失和/或侧波的丢失可能是严重缺陷，尤其是未熔透的标志。
表5
 试样(A)   UT-TOFD   有损检测
  1   多个点反射符(从底部到顶部)   脆性断裂，有孔隙
  2   多个点反射符，里壁波中断   延性断裂，极多孔隙
  3   多个点反射符   脆性断裂，有孔隙
  4   多个点反射符，里壁波中断   脆性断裂，极多孔隙
焊缝A的结果肯定地验证了里壁回声和/或侧波的中断与严重的未熔透(冷焊)条件相关。尽管不希望受到某特定假设理论的束缚，但发明人认为侧波和或里壁回声的丢失表明超声能量不能容易地通过焊缝界面的情况。因此，一旦超声在焊缝界面发生了散射，接收器就不能再接收到反射/衍射波了。所以，发射/衍射信号(由接收器接收)的缺乏就表明在焊缝区域存在着不均匀性，这正是LOF(未熔透)条件的标志。如同有损检测的观察结果，值得称道的是采用预期的方法和装置可以较高精度辨别LOF区域。
焊缝A的试样1和1.1的结果也确认了“干净”的UT-TOFD扫描表明没有熔融缺陷，分离的点反射符在弯曲试验中还不能决定性地足以感应焊缝区域失效。所以，在判定焊缝完整性时，通常不考虑分离的点反射符。相反，如同在焊缝B中所确认的，多个互相靠近的点反射符显然需要考虑。
而且，在焊缝B中里壁和侧波的明显中断也表明管子尾端的严重未熔透。适当熔融条件的潜在假设就是将管子尾端完整地连接起来，以确保整个熔融区域的材料性能均匀。材料性能在焊缝界面处的变化导致超声信号的中断，应该认识到采用预期方法和配置获得的UT-TOFD图像和焊缝界面处的反射和/或衍射导致的性能变化相关。从这些试样得出了以下结论：UT-TOFD能足够灵敏地辨别LOF(冷焊)反常。
在焊缝B的试样2中，发明人得出的结论是：观察到的焊缝失效是源于延性机制而不是邻近材料常见的脆性断裂，这可能是以何种方式形成冷焊的结果。例如，当焊缝斜面很快冷却时，会形成晶体皮，而阻止合适的熔融。可能在焊缝B的试样2中的该局部区域和相邻试样没有冷到相同程度。但是，对试样2而言，完全确定和相关的过量焊缝孔隙是拒绝整个焊缝的合适依据。
对所有试样而言，缺陷标志(例如点反射符)和实际熔融缺陷(例如孔隙)之间的良好相关性进一步验证了UT-TOFD检测方法的灵敏度等级。另外，多个点反射符的存在是可能的未熔透情况的第二个标志。显然，在焊缝的同一区域存在多个点反射符以及里壁和/或侧波的中断，表明该区域严重没有熔透。
让人感兴趣的是，在132道焊缝中，包括其表观熔敷焊道从视觉上看质量或多或少差的或者可以勉强接受的焊缝的极大“灰色区”，和通过UT-TOFD扫描判定的焊缝完整性之间并不相关。在这些焊缝中，19％的由项目规格认定从视觉上可以接受的焊缝，在后来发现含有各种UT-TOFD缺陷标志，其中许多缺陷标志表示严重的熔融缺陷。相反，63％的视觉判定不能接受的焊缝被发现没有任何严重的缺陷标志。
对其它焊缝的进一步发现
发明人进一步发现，通过里壁回声和/或侧波发生相位改变的标志，如图6所示，可以探测出两个管段没有对齐。在图中，黑白交替图案的变化在未对齐区域中明显地出现了颠倒。图7给出了某管子焊缝的UT-TOFD扫描图像，其中在含有大量熔融缺陷(未熔透)的区域附近的区域含有外来物质。
基于这些和其它发现(数据没有给出)，发明人预期本发明主题的方法和装置可用于处于工作状态的管道的现场检测(其它优点之一是采用相对低的频率[例如2.25MHz]一般在生成/获取数据时不会或者几乎不会受到管道内容物的干扰)。可替换地，或者附加地，发明人预期这种方法和装置可以用于现有缺陷或者怀疑缺陷的风险评价(例如有助于判定是否建议进行替换或修补)以及用于执行计算裂纹扩展敏感性的分析。在其它方面，应该认识到预期方法和装置可用于核实现有的塑料对接焊熔融参数、技术和设备，在HDPE对接焊缝熔融时是否采用了正确的温度、压力和时间组合。
所以，发明人预期了一种超声检测装置的使用和/或市场推广的方法，其中，在一个步骤提供具有低吸收外罩的装置，该外罩至少部分包封超声发射器，其中该超声发射器发射窄带宽的低频广角超声束。在另一步骤中，提供的是该装置在探测聚合材料缺陷(例如夹杂物、未熔透、和/或裂纹)上是有用的信息。
所以，公开了UT-TOFD的具体实施方案和应用。但是，对本领域技术人员而言显而易见，能够进行上述之外的许多修改，条件是不偏离本发明的构思。所以，除了要在所附权利要求的精神之内以外，本发明主题没有限制。而且，在理解说明书和权利要求时，所有的术语应该以和上下文一致的最宽的可能方式进行理解。另外，在理解说明书时，所有的术语应该以和上下文一致的最宽的可能方式进行理解。具体而言，术语“包含”在谈到元件、组分或步骤时，应该以非排它的方式去理解，表明所谈及的元件、组分或步骤可以和其它没有特意谈及的元件、组分或步骤一起存在、或利用或组合。

Claims (22)

1.一种用于聚合材料的超声检测装置，其包括至少部分包封超声发射器的外罩，其中该发射器发射窄带宽的低频广角超声束，其中所述广角为30-80°，低频为0.5MHz-10MHz，窄带宽是指发射器的额定频率的±25％，并且所述外罩吸收的超声能与由高抗冲聚苯乙烯制备的外罩吸收的相似或者甚至更少。
2.权利要求1的装置，其中制备所述外罩的材料包含高抗冲聚苯乙烯。
3.权利要求1的装置，其中所述低频是1MHz-5MHz。
4.权利要求1的装置，其中所述超声束以40°-70°的波束角发射。
5.权利要求1的装置，其中所述带宽为所述低频的±10％。
6.权利要求1的装置，其中制备所述外罩的材料包含高抗冲聚苯乙烯，而且其中所述低频在±10％的带宽下是约2.25MHz。
7.权利要求6的装置，其中所述超声束以40°-70°的探测角发射。
8.权利要求1的装置，其中所述外罩用高抗冲聚苯乙烯制备。
9.权利要求1的装置，其中所述聚合材料选自高密度聚乙烯、聚丙烯和聚偏二氟乙烯。
10.权利要求1的装置，进一步包含与所述发射器以投射-接收关系排列的超声接收器，其中所述超声接收器产生信号。
11.权利要求10的装置，其中用将所述信号转换成可视化输出的信号处理软件来处理所述信号。
12.权利要求11的装置，其中所述可视化输出显示在便携式设备上，该设备电子连接到所述发射器和所述超声接收器的至少一个上。
13.用超声测试装置进行聚合材料无损检测的方法，包括：
提供具有外罩的装置，该外罩至少部分包封超声发射器，其中该超声发射器发射窄带宽的低频广角超声束；
其中所述广角为30-80°，低频为0.5MHz-10MHz，窄带宽是指发射器的额定频率的±25％，并且其中所述外罩吸收的超声能与由高抗冲聚苯乙烯制备的外罩吸收的相似或者甚至更少；和
提供该装置在探测聚合材料缺陷上是有用的信息。
14.权利要求13的方法，其中所述外罩是由高抗冲聚苯乙烯制造的，并且其中所述低频是1MHz-5MHz。
15.权利要求14的方法，其中所述超声束以40°-70°的波束角发射，并且其中所述带宽是所述低频的±10％。
16.权利要求15的方法，其中所述超声束以约60°的探测角发射。
17.权利要求16的方法，其中所述聚合材料选自高密度聚乙烯、聚丙烯和聚偏二氟乙烯。
18.权利要求13的方法，其中所述缺陷选自夹杂物、孔隙、未熔透和裂纹。
19.权利要求18的方法，其中所述信息进一步包括通过里壁回声和侧波中至少一个的丢失来探测未熔透的建议。
20.权利要求13的方法，其中所述信息进一步包括所述装置在所述聚合材料厚度最高达到4英寸时探测聚合材料中缺陷的建议。
21.权利要求20的方法，其中所述缺陷的尺寸小于所述聚合材料厚度的4％。
22.权利要求21的方法，其中所述聚合材料包含两个管子的对接焊缝。
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一种新型的超声在线测厚仪. 陈祯等.仪表技术，第1期. 2002
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对接钢焊缝的超声检测. 张明升.水利电力机械，第3期. 1987
对接钢焊缝的超声检测. 张明升.水利电力机械，第3期. 1987 *

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