CN103115930A - 一种聚乙烯管道焊接接头的微波透射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焊接接头缺陷的微波透射检测方法和检测装置。微波检测装置包括：包含微波发射器的微波探头、包含微波传感器的微波接收天线、信号转换系统、单片机或计算机以及连接电缆，检测时，微波探头向被测焊接接头发射微波，微波穿透接头表面进入其内部，在经过缺陷时相位、幅度等参数发生变化；透过接头的微波由位于管道另一侧的微波接收天线接收并转换成电信号，连同发射波信号一起经过信号转换系统后输入单片机或计算机中，获得微波波形图，根据波形图可得到焊接接头缺陷的相关信息。本发明具有检测灵敏度和精度高、可靠性好等优点，可以有效地检测工艺性缺陷，并且可用于现场检测。

Description

一种聚乙烯管道焊接接头的微波透射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焊接接头缺陷的微波透射检测方法和检测装置。

背景技术

聚乙烯(polyethylene,PE)管道广泛用于燃气等危险介质的传输。聚乙烯燃气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（电熔连接和热熔对接），良好的抗刮能力，良好的裂纹传递抵抗能力等，使用寿命较长。聚乙烯管材之间的连接是影响其结构完整性及持久强度的重要环节，因此聚乙烯燃气管道系统的安全工作与其接头质量息息相关。聚乙烯管道之间的连接方法主要有热熔焊接和电熔焊接两种。热熔焊接的技术成熟，连接费用较低，在使用大公称直径管道的场合较为常见。热熔焊接的工艺参数较多，施工操作较为复杂，接头的质量与操作者的焊接水平和经验关系很大。电熔焊接时熔接发生在连接部件装配定位之后，接头熔接时熔体的运动很有限，产生的内应力较小。电熔焊接操作简单易掌握，施工效率高，焊接质量受人为因素的影响较小，适合在公称直径较小的管道连接上使用，有着良好的发展前景。

聚乙烯管道焊接接头处可能存在各种不同的缺陷，主要包括裂纹、气孔、夹杂、未熔合、冷焊等。其中，对未熔合和冷焊这样的工艺性缺陷的检测是最困难的，因为这种缺陷一般不表现为接头处宏观结构的变化，但是对接头的质量和性能会产生很大的影响。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相关设备。

现有的聚乙烯管道焊接接头的检测方法主要有破坏性检验和非破坏性检验两类。接头的破坏性检验，本质上是对焊接界面粘接能力的评定，现阶段大多用于焊机厂家的产品开发，非破坏性检验主要指目视检测和超声检测。目视检测目前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，缺乏可靠性。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，这些都大大增加了聚乙烯管道接头超声检测的难度。更重要的是，超声方法对聚乙烯管道接头的工艺性缺陷的检测非常困难，尤其是针对冷焊缺陷的检测目前还缺乏有效的手段。

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焊接接头的微波检测方法和检测装置。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工艺性缺陷，操作简便，成本较低。

本发明的技术方案是：

一种聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，用微波检测装置检测聚乙烯管道焊接接头时，微波探头中的微波发射器向被测接头发射微波，微波穿透接头表面进入其内部，当行进中的微波遇到缺陷时，介电常数的变化使微波的幅度、相位参数发生变化；透过焊接接头的微波由微波接收天线中的传感器接收并转换成电信号，连同发射波信号一起经过信号转换系统后输入单片机或计算机中，获得微波波形图，根据对波形图的分析可以得到聚乙烯管道焊接接头缺陷的相关信息。

所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，按以下步骤实现：

（1）将微波探头置于聚乙烯管道焊接接头外表面的一侧，微波探头中的微波发射器采用发射频率为1‐100GHz的微波进行扫描检测；

（2）与微波探头相连的微波接收天线处于焊接接头的另一侧，微波接收天线的中心与微波探头的中心相对，由微波接收天线中的传感器接收透过焊接接头的微波信号；

（3）微波接收天线获得的信号经过信号转换系统的放大和数/模转换后，由单片机或计算机进行处理，形成波形图像，可以对缺陷进行分析。

所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，检测时，微波探头在聚乙烯管道的焊接接头外表面的一侧缓慢移动，微波探头进行缺陷匀速扫描，焊接接头移动速度为1‐20cm/s，与之相连的微波接收天线在焊接接头的另一侧随之移动，以接收穿过焊接接头的透射波信号。

所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，在对聚乙烯管道焊接接头进行检测时，避免使用耦合剂。

所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，微波探头与焊接接头外表面进行接触扫描；或者，采用微波探头靠近焊接接头外表面的方式进行扫描。

所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法所使用的检测装置，该检测装置包括：微波探头、微波接收天线、信号转换系统、单片机或计算机，微波探头处于聚乙烯管道的焊接接头外表面的一侧，与微波探头机械连接的微波接收天线处于焊接接头的另一侧，微波接收天线的中心与微波探头的中心相对，微波接收天线的输出端通过电缆经信号转换系统连接单片机或计算机。

所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测装置，微波探头中设有微波发射器，微波接收天线中设有微波传感器，微波发射器与微波传感器的中心相对设置于焊接接头的两侧。

所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测装置，信号转换系统由位置传感器、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单片机或计算机。

所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测装置，微波探头与焊接接头外表面之间的距离控制在0‐10cm。

所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测装置，焊接接头为电熔接头或热熔接头。

本发明的原理如下：

微波是一种频率范围在0.3‐300GHz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的参数发生变化。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的相位、幅度等发生变化。发生变化的微波穿透焊接接头，由位于管道另一侧的微波接收天线接收并转换成电信号，连同发射波信号一起经过信号转换系统后输入单片机或计算机中，获得微波波形图，根据波形图可得到焊接接头缺陷的相关信息。

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焊接接头的各种类型的缺陷，具体优点如下：

（1）与常规的超声、射线等无损检测方法相比，本发明聚乙烯管道焊接接头缺陷的微波透射检测方法和检测装置在检测时微波探头和被测接头之间不需要物理接触，也不需要耦合剂，可以实现不接触表面的快速检测，适用于现场检测，检测效率高，有利于缩短检测时间，降低检测成本；

（2）本发明微波检测装置包括：包含微波发射器的微波探头、包含微波传感器的微波接收天线、信号转换系统、单片机或计算机以及连接电缆，其操作简便，成本较低；

（3）本发明的微波探头和微波接收天线可以由固态器件组成，既轻便又牢固，不容易损坏；

（4）本发明能够有效地检测出焊接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难以实现的；

（5）本发明的微波透射检测技术主要用于对介电材料的检测，如塑料、橡胶、陶瓷、玻璃钢等。在国内，目前尚未见有关微波透射技术对聚乙烯管道焊接接头检测的报道，因此本发明的实施有望填补该领域国内的空白；

（6）本发明检测方法和检测装置可用于现场检测。

附图说明

图1是本发明提供的微波检测装置的工作示意图。

图2是本发明提供的微波透射检测方法的检测原理示意图。

图3是本发明实施例1提供的微波透射检测方法检测过程中发射波与透射波的波形示意图。

图4是本发明实施例3提供的微波透射检测方法检测过程中发射波与透射波的波形示意图。

图5是本发明实施例4提供的微波透射检测方法检测过程中发射波与透射波的波形示意图。

图6是本发明实施例5提供的微波透射检测方法检测过程中发射波与透射波的波形示意图。

图中，1聚乙烯管道；2焊接接头；3微波探头；4微波接收天线；5信号转换系统；6单片机或计算机；7微波发射器；8缺陷；9微波传感器。

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的焊接接头2的微波透射检测装置，包括：微波探头3、微波接收天线4、信号转换系统5、单片机或计算机6等，具体结构如下：

微波探头3处于聚乙烯管道1的焊接接头2外表面的一侧，与微波探头3机械连接的微波接收天线4处于焊接接头2的另一侧，微波接收天线4的中心与微波探头3的中心相对，由其中的微波传感器9接收透过焊接接头2的微波信号；微波接收天线4的输出端通过电缆经信号转换系统5连接单片机或计算机6，信号转换系统5接收由微波接收天线4传送的电信号与缺陷位置信息，并进行信号转换，以形成波形图；单片机或计算机6显示波形图，并利用软件进行分析。

本发明中，微波探头3在聚乙烯管道1的焊接接头2外表面的一侧缓慢移动进行缺陷扫描，移动速度为1‐20cm/s，与之相连的微波接收天线4在焊接接头2的另一侧随之移动，以接收穿过焊接接头2的透射波信号。

本发明中，信号转换系统5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单片机或计算机6。

本发明中，根据位置传感器提供的数据（位置坐标x和y的值）和微波行进方向（坐标z）的数据可以确定缺陷的具体位置。其中，微波经过缺陷后相位发生变化（初始相移），而从缺陷处到被接收期间在初始相移的基础上还会发生与其传播距离（波程）相关的相位变化，因此根据微波接收天线得到的微波相位信息可以计算坐标z的值。

如图2所示，微波探头3中设有微波发射器7，微波接收天线4中设有微波传感器9，微波发射器7与微波传感器9的中心相对设置于焊接接头2的两侧。用微波检测装置检测聚乙烯管道焊接接头时，微波探头3中的微波发射器7向焊接接头2发射微波，微波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介电常数的介质，当行进中的微波遇到缺陷8的时候，介电常数的变化使微波幅度、相位等参数发生变化；透过焊接接头的微波由微波接收天线4中的微波传感器9接收并转换成电信号，连同发射波信号一起经过信号转换系统后输入单片机或计算机中，获得微波波形图，根据分析波形图可以得到聚乙烯管道焊接接头缺陷的相关信息。

如图1‐2所示，本发明聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，按以下步骤实现：

（1）将微波探头3置于聚乙烯管道焊接接头2外表面的一侧，微波探头3中的微波发射器7采用发射频率为1‐100GHz（优选为5‐50GHz）的微波进行扫描检测；

（2）与微波探头3机械连接的微波接收天线4处于焊接接头2的另一侧，微波接收天线4的中心与微波探头3的中心相对，由微波接收天线4中的微波传感器9接收透过焊接接头2的微波信号；

（3）微波接收天线4获得的信号经过信号转换系统5的放大和数/模转换后，由单片机或计算机进行处理，形成波形图像，可以对缺陷进行分析。

实施例1

使用本发明提供的微波检测装置对一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，将微波探头置于该热熔接头外表面的一侧，微波探头与热熔接头外表面之间的距离为2cm，缓慢移动微波探头，移动速度为2cm/s，发射频率为12.5GHz的微波进行扫描，与微波探头相连的微波接收天线的中心与微波探头的中心相对，随微波探头一起移动，接收透过热熔接头的微波信号。本实施例得到的微波波形图如图3所示，图中横坐标代表微波相位（单位：弧度），纵坐标代表微波幅度（幅度单位可以是多种形式，因此波形图中用了a.u.（可用多种单位）来表示），穿过接头的透射波与发射波相比几乎没有变化。

实施例2

使用本发明提供的微波检测装置对一无缺陷的聚乙烯管道电熔接头进行检测。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电熔接头进行检测，将微波探头置于该电熔接头外表面的一侧，微波探头与电熔接头外表面之间的距离为1cm，缓慢移动微波探头，移动速度为1.5cm/s，发射频率为12.5GHz的微波进行扫描，与微波探头相连的微波接收天线的中心与微波探头的中心相对，随微波探头一起移动，接收透过电熔接头的微波信号。本实施例得到的微波波形图与实施例1中的波形图相似，穿过电熔接头的透射波与发射波相比几乎没有变化。

实施例3

使用本发明提供的微波检测装置对一含有裂纹缺陷的聚乙烯管道热熔接头进行检测。先对热熔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热熔接头进行检测，将微波探头置于该热熔接头外表面的一侧，微波探头与热熔接头外表面之间的距离为2cm，缓慢移动微波探头，移动速度为3cm/s，发射频率为12GHz的微波进行扫描，与微波探头相连的微波接收天线的中心与微波探头的中心相对，随微波探头一起移动，接收透过热熔接头的微波信号。本实施例得到的微波波形图如图4所示，图中横坐标代表微波相位（单位：弧度），纵坐标代表微波幅度（幅度单位可以是多种形式，因此波形图中用了a.u.（可用多种单位）来表示）。穿过热熔接头的透射波与发射波相比，波幅明显减小，为发射波的47%，相位发生了变化，产生了0.165π的相移。

实施例4

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。先对热熔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热熔接头进行检测，将微波探头置于该热熔接头外表面的一侧，微波探头与热熔接头外表面之间的距离为2cm，缓慢移动微波探头，移动速度为1.5cm/s，发射频率为12.5GHz的微波进行扫描，与微波探头相连的微波接收天线的中心与微波探头的中心相对，随微波探头一起移动，接收透过热熔接头的微波信号。本实施例得到的微波波形图如图5所示，图中横坐标代表微波相位（单位：弧度），纵坐标代表微波幅度（幅度单位可以是多种形式，因此波形图中用了a.u.（可用多种单位）来表示）。穿过热熔接头的透射波与发射波相比，波幅减小，为发射波的68%，相位发生了变化，产生了0.154π的相移。

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电熔接头进行检测。先对电熔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电熔接头进行检测，将微波探头置于该电熔接头外表面的一侧，微波探头与电熔接头外表面之间的距离为1cm，缓慢移动微波探头，移动速度为1cm/s，发射频率为12.5GHz的微波进行扫描，与微波探头相连的微波接收天线的中心与微波探头的中心相对，随微波探头一起移动，接收透过电熔接头的微波信号。本实施例得到的微波波形图如图6所示，图中X坐标代表微波相位，Y坐标代表微波幅度。穿过电熔接头的透射波与发射波相比，波幅减小，为发射波的74%，相位发生了变化，产生了0.15π的相移。

实施例结果表明，基于这种检测装置的检测方法可检测多种类型的缺陷，具有检测灵敏度和精度高、可靠性好等优点，可以有效地检测工艺性缺陷，并且可用于现场检测。用微波检测装置检测聚乙烯管道焊接接头，微波探头向被测焊接接头发射微波，微波穿透接头表面进入其内部，在经过缺陷时相位、幅度等参数发生变化；透过接头的微波由位于管道另一侧的微波接收天线接收并转换成电信号，连同发射波信号一起经过信号转换系统后输入单片机或计算机中，获得微波波形图，根据波形图可得到焊接接头缺陷的相关信息。

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发明的限定范围。

Claims (10)

1.一种聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，其特征在于，用微波检测装置检测聚乙烯管道焊接接头时，微波探头中的微波发射器向被测接头发射微波，微波穿透接头表面进入其内部，当行进中的微波遇到缺陷时，介电常数的变化使微波的幅度、相位参数发生变化；透过焊接接头的微波由微波接收天线中的传感器接收并转换成电信号，连同发射波信号一起经过信号转换系统后输入单片机或计算机中，获得微波波形图，根据对波形图的分析可以得到聚乙烯管道焊接接头缺陷的相关信息。

2.按照权利要求1所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，其特征在于，按以下步骤实现：

（1）将微波探头置于聚乙烯管道焊接接头外表面的一侧，微波探头中的微波发射器采用发射频率为1‐100GHz的微波进行扫描检测；

（2）与微波探头相连的微波接收天线处于焊接接头的另一侧，微波接收天线的中心与微波探头的中心相对，由微波接收天线中的传感器接收透过焊接接头的微波信号；

（3）微波接收天线获得的信号经过信号转换系统的放大和数/模转换后，由单片机或计算机进行处理，形成波形图像，可以对缺陷进行分析。

3.按照权利要求1所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，其特征在于，检测时，微波探头在聚乙烯管道的焊接接头外表面的一侧缓慢移动，微波探头进行缺陷匀速扫描，焊接接头移动速度为1‐20cm/s，与之相连的微波接收天线在焊接接头的另一侧随之移动，以接收穿过焊接接头的透射波信号。

4.按照权利要求1所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，其特征在于，在对聚乙烯管道焊接接头进行检测时，避免使用耦合剂。

5.按照权利要求1所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法，其特征在于，微波探头与焊接接头外表面进行接触扫描；或者，采用微波探头靠近焊接接头外表面的方式进行扫描。

6.一种权利要求1所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法所使用的检测装置，其特征在于，该检测装置包括：微波探头、微波接收天线、信号转换系统、单片机或计算机，微波探头处于聚乙烯管道的焊接接头外表面的一侧，与微波探头机械连接的微波接收天线处于焊接接头的另一侧，微波接收天线的中心与微波探头的中心相对，微波接收天线的输出端通过电缆经信号转换系统连接单片机或计算机。

7.按照权利要求6所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测装置，其特征在于，微波探头中设有微波发射器，微波接收天线中设有微波传感器，微波发射器与微波传感器的中心相对设置于焊接接头的两侧。

8.按照权利要求6所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测装置，其特征在于，信号转换系统由位置传感器、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单片机或计算机。

9.按照权利要求6所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测装置，其特征在于，微波探头与焊接接头外表面之间的距离控制在0‐10cm。

10.按照权利要求6所述的聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测装置，其特征在于，焊接接头为电熔接头或热熔接头。

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