CN102384919A - 聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力管道的检测领域，具体是一种聚乙烯管道热熔接头焊接质量的微波扫描检测方法和检测装置。基于这种检测装置的检测方法可检测多种类型的缺陷，特别是可以有效地检测冷焊等工艺性缺陷，具有灵敏度高、检测精度高和可靠性好等优点。聚乙烯管道热熔接头缺陷的微波扫描检测方法，将包含微波发射和接收装置的微波探头定位于聚乙烯管道热熔接头融合区外表面的一侧；微波探头沿接头外表面以一定的速度移动以进行扫描；获得的微波信号经信号转换和计算机处理后得到扫描图像。微波检测装置包括：包含微波发射和接收装置的微波探头、机械扫描装置、扫描控制系统、信号转换系统、计算机以及连接电缆，其操作简便，成本较低。

Description

聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及压力管道的检测领域，具体是一种聚乙烯管道热熔接头焊接质量的微波扫描检测方法和检测装置。

背景技术

聚乙烯(PE)管道具有许多卓越的性能，如耐低温、耐腐蚀、韧性好、抗开裂、连接方便、良好的抗刮能力、良好的快速裂纹传递抵抗能力等，在实践中其寿命为钢管的4倍。因此，聚乙烯管已成为城市输气管网、中低压供水管网的最佳选择。聚乙烯管道之间的连接方法主要有热熔对接(热熔焊接)和电熔连接两种。热熔对接的技术更为成熟，连接费用较低，因此在目前的实际应用中，特别是使用大公称直径管道的场合，聚乙烯管道的连接以热熔对接为主。热熔对接方法的具体过程如下：首先将聚乙烯管材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；然后移走加热板，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固定，直至接头冷却。热熔焊接由于使用了热工具，管材的加热熔融和熔接两个步骤是分开进行的，熔接时熔体易发生错位，从而在热熔接头内部产生较大的内应力。热熔对接质量受人为因素的影响较大，因此聚乙烯管道热熔接头处可能存在各种不同的缺陷，主要包括裂纹、未熔合、气孔、夹杂、冷焊(cold weld)等。其中，对冷焊缺陷的检测是最困难的，因为这种缺陷一般不会引起接头处宏观结构的变化，比如形成空隙、剥离等。接头处的缺陷对聚乙烯管道的安全性是一个很大的威胁，绝大多数聚乙烯管道事故都是由接头缺陷引起的。因此，要提高聚乙烯管道的安全性，必须提供有效可靠的接头缺陷检测方法和完善的接头安全评定方法。

现有的聚乙烯管道热熔接头的检测方法主要有破坏性检验和非破坏性检验两类。热熔接头的破坏性检验，本质上是对焊接界面粘接能力的评定。破坏性试验是一种抽检性质的检测方法，现阶段大多用于在热熔焊机厂家的产品开发。热熔接头的非破坏性检验主要指目视检测和超声检测。目视，检测还没有形成国家或行业标准，检测方法主要根据工程经验形成，检测时仅通过目测外观及尺寸来判断质量好坏，无法观察到焊接的内部缺陷，可靠性有所欠缺。超声检测能够直接获得材料内部的状态信息，可以对一些宏观缺陷进行判别，但是对工艺性缺陷(如冷焊)的检测比较困难。聚乙烯是一种高分子材料，相比金属材料会吸收和损耗更多的声波能量，并且由于其结构比金属材料复杂，易于增加声波的散射，这些都增加了聚乙烯管道接头超声检测的难度。更为重要的是，超声方法无法有效地检测聚乙烯管道焊接过程中产生的工艺性缺陷(如冷焊)。近年来，郑津洋、郭伟灿等人利用超声方法对聚乙烯管道电熔接头进行检测，提出了“冷焊特征线检测法”，可用于冷焊缺陷的检测和表征。但是，对于目前应用最为广泛的聚乙烯管道热熔接头的检测，目前仍未找到有效的检测手段。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法和相应的检测装置，该检测方法和检测装置具有可检测多种类型的缺陷、检测灵敏度和精度高、可靠性好等优点，特别是可以有效地检测冷焊等工艺性缺陷，操作简便，成本较低。

本发明提供的技术方案：

一种聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，用微波扫描装置检测聚乙烯管道热熔接头，微波探头中的发射器向被测接头发射微波，微波经过两个接收传感器记录基线波幅，然后穿透接头表面进入其内部，材料中的缺陷看作是具有与周围材料不同的介电常数的介质，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射；被反射的微波信号与发射的微波信号发生干涉，由接收传感器接收并转换成电压信号，连同扫描位置信息一起经过信号转换系统后输入计算机中，获得扫描图像，根据扫描图像得到热熔接头内缺陷的相关信息。

所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，按以下步骤实现：

(1)将微波探头定位于聚乙烯管道的热熔接头融合区外表面的一侧；

(2)微波探头沿热熔接头外表面进行连续扫描，检测时所用的微波频率为1G-200GHz；

(3)微波探头获得的信号经过信号转换系统的数/模转换后，输入计算机进行处理，形成扫描图像。

所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，微波探头进行匀速扫描或变速扫描。

所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，在对聚乙烯管道热熔接头进行扫描时，避免使用耦合剂。

所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，微波探头与热熔接头外表面进行接触扫描；或者，采用微波探头靠近热熔接头外表面的方式进行扫描。

所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，微波探头与接头外表面之间的距离控制在1-5cm。

所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法使用的检测装置，该检测装置包括：微波探头、机械扫描装置、扫描控制系统、信号转换系统、计算机，微波探头的一端安装于机械扫描装置上，微波探头的另一端与聚乙烯管道的热熔接头相对应；机械扫描装置安装在聚乙烯管道周向外部被检热熔接头旁边，计算机的输出端经扫描控制系统连接机械扫描装置，微波探头的输出端经信号转换系统连接计算机的输入端。

所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测装置，微波探头包含一个微波发射器和A、B两个接收传感器，其中两个接收传感器并列放置，相隔1/4微波波长的距离。

所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测装置，机械扫描装置包括直线步进电机和由直线步进电机带动的可以往复运动的探杆，微波探头固定在探杆的一端。

所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测装置，信号转换系统包括位置传感器、信号放大器和数/模信号转换器，微波探头与位置传感器电连接，微波探头的电压信号输出端与信号放大器连接，位置传感器和信号放大器的输出端与数/模信号转换器连接，数/模信号转换器的输出端连接计算机。

本发明的原理如下：

微波是一种频率范围在0.3-300GHz(优选为1G-200GHz)之间的电磁波，当微波从一种介质进入到另一种具有不同介电常数的介质中时，两种介质介电常数的差异使微波发生反射或折射。材料中的缺陷可以看作是具有与周围材料不同的介电常数的介质，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射。反射信号与发射的微波信号发生干涉，经微波探头转变成电压信号，再经信号放大和数字化转变得到扫描图像。

与现有技术相比，本发明的优点：

本发明提供的检测方法和检测装置能够有效可靠地检测聚乙烯管道热熔接头的各种类型的缺陷，具体优点如下：

(1)与常规的超声检测、X射线照相等无损检测方法相比，本发明采用微波检测可通过空气实现从探头到被测热熔接头的有效耦合，因此不需要使用耦合剂，可避免耦合剂带来的材料污染问题；

(2)本发明采用微波容易通过空气传播，不会因为空气这个传播介质引起一系列反射的混淆；

(3)本发明传播中的微波其幅度和相位的信息比较容易获得；

(4)本发明在探头和被测接头之间不要求物理接触，可以不接触表面实施快速检测；

(5)本发明微波探头可以用固态器件组成，既牢固又可靠；

(6)本发明能够有效地检测出热熔接头中的各种体积型缺陷和面积型缺陷，尤其是可以有效地检测出诸如冷焊缺陷这样的工艺性缺陷，这是其它无损检测方法(超声、射线等)所无法实现的。

(7)微波检测技术是上世纪90年代开始逐渐发展起来的一种新型的检测技术，主要用于对介电材料的检测，如纤维增强复合材料管道、橡胶伸缩接头、复合陶瓷板等。在国内，目前尚未见有关微波技术对聚乙烯管道接头检测的报道，也未见微波检测聚乙烯管道接头相关设备的报道。因此，本发明的实施有望填补该领域国内的空白。

附图说明

图1是本发明提供的检测装置的原理框图。

图2是本发明提供的检测装置的使用状态示意图。

图3是本发明提供的检测方法的检测原理示意图。

图4是完好无缺陷的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描图像。

图5是含有冷焊缺陷的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描图像。

图6是对接时所施加的压力过大而形成的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描图像。

图7是含有未熔合缺陷的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描图像。

图中，1聚乙烯管道；2热熔接头；3微波探头；4探杆；5机械扫描装置；6扫描控制系统；7信号转换系统；8计算机；9发射器；10被测接头；11接收传感器；12缺陷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1-2所示，本发明聚乙烯管道1的热熔接头2微波扫描检测装置，包括：微波探头3、机械扫描装置5、扫描控制系统6、信号转换系统7、计算机8等，微波探头3的一端安装于机械扫描装置5上，微波探头3的另一端与聚乙烯管道1的热熔接头2相对应；机械扫描装置5安装在聚乙烯管道1周向外部被检热熔接头2旁边，机械扫描装置5带动微波探头3运动实现扫描；计算机8的输出端通过电缆经扫描控制系统6连接机械扫描装置5，控制机械扫描装置和微波探头的移动；微波探头3的输出端通过电缆经信号转换系统7连接计算机8的输入端，信号转换系统7接收由微波探头3传送的电压信号与扫描位置信息，并进行信号转换，以便形成扫描图像；计算机8实现实时成像并利用软件对图像进行分析；

本发明中，微波探头3包含一个微波发射器9和A、B两个接收传感器11，其中两个接收传感器并列放置，相隔1/4微波波长的距离(图3)，工作时分别产生一个干涉图样，两个干涉图样的差别信息通过信号转换系统输入计算机形成扫描图像。

本发明中，机械扫描装置5包括直线步进电机和由直线步进电机带动的可以往复运动的探杆4，微波探头3固定在探杆4的一端，使微波探头3可以沿着聚乙烯管道1的热熔接头2的外表面作往复运动(图2)。

本发明中，信号转换系统7由位置传感器、信号放大器和数/模信号转换器组成，微波探头3与位置传感器电连接，微波探头3的电压信号输出端与信号放大器连接，对电压信号进行放大；位置传感器和信号放大器的输出端与数/模信号转换器连接，数/模信号转换器的输出端连接计算机8。

如图3所示，用微波扫描装置检测聚乙烯管道热熔接头时，微波探头3中的发射器9向被测接头10发射微波，微波经过两个接收传感器11(A、B)记录基线波幅，然后穿透接头表面进入其内部，材料中的缺陷可以看作是具有与周围材料不同的介电常数的介质，当行进中的微波遇到缺陷12的时候，介电常数的变化使微波发生反射。被反射的微波信号与发射的微波信号形成干涉图样，由接收传感器接收并转换成电压信号，连同扫描位置信息一起经过信号转换系统后输入计算机中，获得扫描图像。根据扫描图像可以得到热熔接头内缺陷的相关信息。

如图1-3所示，本发明聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，按以下步骤实现：

(1)将微波探头3定位于聚乙烯管道1的热熔接头2融合区外表面的一侧；

(2)微波探头3沿热熔接头2外表面进行连续扫描，可匀速扫描，也可变速扫描，扫描速度为2-30cm/s，检测所用的微波频率为1G-200GHz；在对聚乙烯管道热熔接头进行扫描时，不需要任何耦合剂；微波探头3可以与热熔接头2外表面进行接触扫描，也可以靠近热熔接头2外表面的方式进行扫描。

(3)微波探头3获得的微波信号经过信号转换系统7，进行信号转换后，输入计算机8进行处理，形成扫描图像。

实施例1

使用本发明提供的微波检测装置对一完好无缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，使用的微波频率为24GHz，采用匀速扫描，扫描速度为10cm/s，微波探头与接头外表面之间的距离控制在3cm；本实施例中，接收传感器A、B记录的信号通过基线波幅分别予以显示，得到的微波扫描图像见图4。图中X坐标代表轴向方向，Y坐标代表径向方向。该热熔接头的高热影响区的宽度大约为0.25英寸，中线位置大约在Y＝2处。该热熔接头的扫描图像在整个轴向方向都比较均匀，几乎没有波动。

实施例2

使用本发明提供的微波检测装置对一含有冷焊缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，使用的微波频率为24GHz，采用匀速扫描，扫描速度为15cm/s，微波探头与接头外表面之间的距离控制在2cm；本实施例中，接收传感器A、B记录的信号通过基线波幅分别予以显示，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射。被反射的微波信号与发射的微波信号形成干涉图样，得到的微波扫描图像见图5。以实施例1为参照例，该热熔接头的高热影响区明显较宽，中线位置发生偏离，图像强度发生波动，局部出现不连续的现象。

实施例3

使用本发明提供的微波检测装置对一在对接时施加压力过大而形成的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，使用的微波频率为24GHz，采用匀速扫描，扫描速度为14cm/s，微波探头与接头外表面之间的距离控制在4cm；本实施例中，接收传感器A、B记录的信号通过基线波幅分别予以显示，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射。被反射的微波信号与发射的微波信号形成干涉图样，得到的微波扫描图像见图6。以实施例1为参照例，该热熔接头的高热影响区明显较窄，约为0.15英寸。

实施例4

使用本发明提供的微波检测装置对一含有未熔合缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，使用的微波频率为24GHz，采用匀速扫描，扫描速度为20cm/s，微波探头与接头外表面之间的距离控制在3cm；本实施例中，接收传感器A、B记录的信号通过基线波幅分别予以显示，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射。被反射的微波信号与发射的微波信号形成干涉图样，得到的微波扫描图像见图7。以实施例1为参照例，该热熔接头的高热影响区较宽，中线位置发生偏离，图像出现明显的不均匀和不连续(缺失)现象。

实施例5

使用本发明提供的微波检测装置对一含有冷焊缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，使用的微波频率为24GHz，采用匀速扫描，扫描速度为8cm/s，微波探头与接头外表面之间的距离控制在2cm；本实施例中，接收传感器A、B记录的信号通过基线波幅分别予以显示，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射。被反射的微波信号与发射的微波信号形成干涉图样。以实施例1为参照例，该热熔接头的高热影响区明显较宽，中线位置发生偏离，图像强度发生波动，局部出现不连续的现象。

实施例6

使用本发明提供的微波检测装置对一含有冷焊缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，使用的微波频率为24GHz，采用匀速扫描，扫描速度为20cm/s，微波探头与接头外表面之间的距离控制在2cm；本实施例中，接收传感器A、B记录的信号通过基线波幅分别予以显示，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射。被反射的微波信号与发射的微波信号形成干涉图样。以实施例1为参照例，该热熔接头的高热影响区明显较宽，中线位置发生偏离，图像强度发生波动，局部出现不连续的现象。

实施例7

使用本发明提供的微波检测装置对一含有未熔合缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，使用的微波频率为24GHz，采用匀速扫描，扫描速度为14cm/s，微波探头与接头外表面之间的距离控制在3cm；本实施例中，接收传感器A、B记录的信号通过基线波幅分别予以显示，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射。被反射的微波信号与发射的微波信号形成干涉图样。以实施例1为参照例，该热熔接头的高热影响区较宽，中线位置发生偏离，图像出现明显的不均匀和不连续(缺失)现象。

实施例8

使用本发明提供的微波检测装置对一含有未熔合缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对接头外表面进行简单处理，使其光滑平整，然后按照本发明提供的技术方案中的步骤对接头进行检测，使用的微波频率为24GHz，采用匀速扫描，扫描速度为16cm/s，微波探头与接头外表面之间的距离控制在3cm；本实施例中，接收传感器A、B记录的信号通过基线波幅分别予以显示，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射。被反射的微波信号与发射的微波信号形成干涉图样。以实施例1为参照例，该热熔接头的高热影响区较宽，中线位置发生偏离，图像出现明显的不均匀和不连续(缺失)现象。

应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本本发明的限定范围。

Claims (10)

1.一种聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，其特征在于，用微波扫描装置检测聚乙烯管道热熔接头，微波探头中的发射器向被测接头发射微波，微波经过两个接收传感器记录基线波幅，然后穿透接头表面进入其内部，材料中的缺陷看作是具有与周围材料不同的介电常数的介质，当行进中的微波遇到缺陷的时候，介电常数的变化使微波发生反射；被反射的微波信号与发射的微波信号发生干涉，由接收传感器接收并转换成电压信号，连同扫描位置信息一起经过信号转换系统后输入计算机中，获得扫描图像，根据扫描图像得到热熔接头内缺陷的相关信息。

2.按照权利要求1所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，其特征在于，按以下步骤实现：

(1)将微波探头定位于聚乙烯管道的热熔接头融合区外表面的一侧；

(2)微波探头沿热熔接头外表面进行连续扫描，检测时所用的微波频率为1G-200GHz；

(3)微波探头获得的信号经过信号转换系统的数/模转换后，输入计算机进行处理，形成扫描图像。

3.按照权利要求1所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，其特征在于，微波探头进行匀速扫描或变速扫描。

4.按照权利要求1所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，其特征在于，在对聚乙烯管道热熔接头进行扫描时，避免使用耦合剂。

5.按照权利要求1所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，其特征在于，微波探头与热熔接头外表面进行接触扫描；或者，采用微波探头靠近热熔接头外表面的方式进行扫描。

6.按照权利要求1所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法，其特征在于，微波探头与接头外表面之间的距离控制在1-5cm。

7.一种权利要求1所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测方法使用的检测装置，其特征在于，该检测装置包括：微波探头、机械扫描装置、扫描控制系统、信号转换系统、计算机，微波探头的一端安装于机械扫描装置上，微波探头的另一端与聚乙烯管道的热熔接头相对应；机械扫描装置安装在聚乙烯管道周向外部被检热熔接头旁边，计算机的输出端经扫描控制系统连接机械扫描装置，微波探头的输出端经信号转换系统连接计算机的输入端。

8.按照权利要求7所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测装置，其特征在于，微波探头包含一个微波发射器和A、B两个接收传感器，其中两个接收传感器并列放置，相隔1/4微波波长的距离。

9.按照权利要求7所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测装置，其特征在于，机械扫描装置包括直线步进电机和由直线步进电机带动的可以往复运动的探杆，微波探头固定在探杆的一端。

10.按照权利要求7所述的聚乙烯管道热熔接头的微波扫描检测装置，其特征在于，信号转换系统包括位置传感器、信号放大器和数/模信号转换器，微波探头与位置传感器电连接，微波探头的电压信号输出端与信号放大器连接，位置传感器和信号放大器的输出端与数/模信号转换器连接，数/模信号转换器的输出端连接计算机。

Images