CN108318583A - 用于tofd和相控阵集成检测聚烯烃管道热熔对接接头的装置 - Google Patents

用于tofd和相控阵集成检测聚烯烃管道热熔对接接头的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及聚烯烃管道热熔对接接头检测技术，旨在提供一种用于TOFD和相控阵集成检测聚烯烃管道热熔对接接头的装置。包括相控阵超声探头、夹持装置、周向运动扫查装置、探头架及耦合装置各两组，夹持装置环绕夹持在聚烯烃管道上，用于安装周向运动扫查装置；连接杆两端通过安装架分别连接周向运动扫查装置的安装平台；两组探头架及耦合装置分别装于连接杆的中部，耦合装置的底部用于放置在聚烯烃管道上；两组相控阵超声探头相对安装在中空容器的斜面上，使其超声波发射方向交汇于两者之间的斜下方。本发明能够实现相控阵超声探头针对热熔对接接头的全方位检测，能够精确定位缺陷的形状特征，对热熔接头的未熔合缺陷进行全面检测和评估。

Description

用于TOFD和相控阵集成检测聚烯烃管道热熔对接接头的装置
技术领域
本发明涉及一种聚烯烃管道热熔对接接头检测技术，具体涉及用于TOFD和相控阵集成检测聚烯烃管道热熔对接接头的装置。
背景技术
相比传统金属管道，聚乙烯管道具有柔性高、韧性好、耐腐蚀、使用寿命长和环保经济等优点，是公认的“绿色”管道。随着我国能源结构的调整和城市化进程的加速，我国已成为聚乙烯管产量和需求量最大的国家，近十年的年均产量增速高达27％。由于其经济性、环保性较金属管道优势显著，应用前景十分广阔。
聚乙烯管道之间的连接最常用的连接方法为热熔对接。热熔对接适用性强，操作简单且成本经济，但热熔焊接的工艺参数较多，施工操作较为复杂，因此焊接质量受人为因素的影响较大。由于聚乙烯管道接头处有可能存在各种缺陷，且绝大多数聚乙烯管道事故都是由接头缺陷引起的，使接头成为聚乙烯管道系统的薄弱环节。为提高聚乙烯管道的安全性，除通过正确选择焊接工艺和焊机提高接头质量外，还应有完善的接头缺陷检测和安全评定方法，防止带超标缺陷管道投入运行。
目前，聚乙烯管道接头缺陷检测方法主要有破坏性试验、目视检测以及超声检测等。破坏性检测是一种统计抽检性质的检测方法，不能针对某一特定的接头进行检测；而目视检测由于不能直接观察到接头内部的状况，因此其可靠性也不能得到保证。超声检测虽然能够直接获得材料内部的状态信息，可以对一些有宏观尺寸的缺陷进行判别，如气孔、夹杂以及金属丝错位等，但对工艺性缺陷(如焊接压力、温度不够等)检测可靠性有待进一步提高。
德国是聚乙烯管道接头无损检测技术研究和检测仪器开发的先行者。20世纪70年代中期时开发了检测聚乙烯热熔接头的低速超声波斜探头；80年代初，美国燃气研究学会GRI(Gas Research Institute)开始开发应用于聚乙烯管的超声检测设备，并于80年代末推出商业化的产品；此外，英国焊接学会TWI(The Welding Institute)也在聚乙烯管接头的无损检测上做了许多研究工作；美国塑料管材学会PPI(Plastic Pipe Institute)基于脉冲反射法开发了聚乙烯管热熔接头的超声检测系统——Ultra-Mc，美国McEloryMfg.Inc公司已实现该系统的商品化；英国TWI使用超声频率为2.25MHz，发射角度为60°和45°的超声探头检测了聚乙烯管接头。上述方法都采用脉冲反射法，研究表明：脉冲反射法对未熔合缺陷，特别是冷焊的检测灵敏度很低，而且为脉冲反射法无法解决超声回波较弱这一难点，因此在检测接头时有明显的不足。
90年代，美国Flour Corp公司和RTD质量服务有限公司合作研究，基于TOFD法(超声波衍射时差法)并结合计算机成像技术开发了针对热熔焊接接头的设备，但由于该系统超声检测成像图不直观，因此对检测人员的检测水平有要求较高。此外，英国TWI在大量的试验基础上得出TOFD法对于聚乙烯接头中平面不连续的缺陷有很好的探测灵敏度，但是对于冷焊的检测仍然无能为力。2006年起，美国能源部核管理委员会(the U.S.NuclearRegulatory Commission under U.S.Department of Energy，简称NRC)，分别采用TOFD(衍射时差)法和超声相控阵技术对聚乙烯管道热熔对接接头进行试验研究，初步研究表明，TOFD(衍射时差)法和超声相控阵技术能够检测部分未熔合缺陷，并通过破坏性试验的验证；2008年5月，NRC提交了聚乙烯热熔对接接头未熔合缺陷无损检测能力的评定研究报告。报告结论中说明这些工作正处于起步阶段，其中包含几种无损检测方法，但不完善。因此，在该方面仅能得到有限的结论。
国内对聚乙烯管道接头无损检测技术研究刚起步，其中，无锡市苏台工业检测技术研究主要采用双晶聚焦探头针对4～36mm壁厚的聚乙烯管道对接焊缝以及聚乙烯管道90°套接焊缝的超声检测。所起草的JB/T 10622-2006《无损检测聚乙烯管道焊缝超声检测》是国内首部针对聚乙烯管道焊缝无损检测的标准。但还存在一些问题，主要是：1)无法对热熔接头的未熔合缺陷进行检测和评估；2)无法精确确定缺陷的自身高度；3)无法在检测过程中进行实时成像。超声检测设备研制方面在国内尚属空白。
本发明采用相控阵聚焦技术和TOFD法相结合的无损检测装置，针对聚乙烯材料特有的声学特性，选取了液体耦合技术，同时结合聚乙烯热熔接头周向检测的需求，研制专门的扫查装置，纵向采用相控阵S扫描和TOFD扫查技术，周向采用机械扫查技术，直至整个接头检测完成。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于TOFD和相控阵集成检测聚烯烃管道热熔对接接头的装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：
提供一种用于TOFD和相控阵集成检测聚烯烃管道热熔对接接头的装置，包括超声波检测仪和相控阵超声探头；该装置还包括夹持装置、周向运动扫查装置、探头架及耦合装置；
夹持装置包括由两个夹持半圆环相互对接构成的圆环体，在其周向表面设有齿孔式导轨；
周向运动扫查装置包括一个固定装有步进电机的安装平台，其底部与夹持装置的圆环体表面之间为滚动或滑动接触；还一个与齿孔式导轨啮合的行走驱动齿轮，其轴心固定在步进电机的转动轴上；
探头架及耦合装置包括一个用于盛装耦合剂的中空容器，其截面是具有斜面的楔形；中空容器的底部设排液孔，顶部通过管路接至耦合剂补充装置；
所述夹持装置、周向运动扫查装置、探头架及耦合装置、相控阵超声探头各有两组，其中夹持装置用于环绕夹持在热熔对接接头两侧的聚烯烃管道上，每组夹持装置上分别安装周向运动扫查装置；还有一根连接杆，其两端通过安装架分别连接周向运动扫查装置的安装平台；两组探头架及耦合装置分别通过安装件装于连接杆的中部，其中空容器的底部用于放置在聚烯烃管道上；两组相控阵超声探头相对安装在中空容器的斜面上，使其超声波发射方向交汇于两者之间的斜下方(即聚烯烃管道的热熔对接接头处)。
本发明中，所述夹持装置的两个夹持半圆环一端以联接器相连，另一端通过压紧螺栓相连。
本发明中，所述夹持装置的圆环体内侧设有橡胶垫。
本发明中，所述安装平台的底部装有弹性滚动轴承，弹性滚动轴承与圆环体表面相接。
本发明中，所述周向运动扫查装置的步进电机通过电缆连接至扫查控制装置。
本发明中，在圆环体上设有平行于齿孔式导轨的环向的凹槽；凹槽的布置方式是：
(1)凹槽位于圆环体的侧面，在所述安装平台的底部设有定位杆，定位杆上套设拉紧弹簧和滑块，滑块的侧部嵌入在凹槽中且保持间隙；或者，
(2)凹槽位于圆环体的周向表面，在所述安装平台的底部设有定位杆，定位杆的端部嵌入在凹槽中且保持间隙。
本发明中，所述耦合剂补充装置包括装有底架的中空的盛装壳，其底部通过连接软管接至探头架及耦合装置，顶部设充气筒和耦合剂补充口。
本发明中，在与探头架及耦合装置的中空容器斜面相对的侧面，设有一个聚合物材质(如聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚酰亚胺等)的楔块，楔块与中空容器紧密贴合。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
(1)本发明通过啮合于周向环绕被测聚烯烃管道表面的齿孔式导轨和行走驱动齿轮之间的配合，能够实现相控阵超声探头针对热熔对接接头的全方位检测，能够精确定位缺陷的形状特征，对热熔接头的未熔合缺陷进行全面检测和评估。
(2)通过利用超声波检测仪和相控阵超声探头，可通过一次扫查就实现超声相阵控检测和TOFD检测两种超声检测，克服了传统A型脉冲反射式超声检测技术存在结果不直观、数据无法记录和存储、难以对缺陷做出精确定位、定量等缺点。
(3)将探头架及耦合装置同时作为耦合剂盛装容器和相控阵超声探头的安装支撑件，通过液体耦合技术以适应聚乙烯材料的声学特征和热熔接头特有的结构特点。
附图说明
图1为热熔接头的截面图；
图中：1-1管子、1-2卷边、1-3熔合区；
图2为检测装置的结构示意图；
图中：2-1夹持装置、2-2周向运动扫查装置、2-3探头架及耦合装置、2-4超声探头、2-5连接杆、2-6耦合剂补充装置、2-7超声检测仪、2-8扫查控制装置；
图3夹持装置结构示意图；
图中：3-1联接器、3-2夹持半圆环、3-3橡胶垫、3-4压紧螺栓；
图4是周向运动扫查装置的单侧结构示意图；
图中：4-1聚乙烯管、4-2定位杆、4-3拉紧弹簧、4-4步进电机、4-5安装架、4-6连接杆、4-7圆环体、4-8齿孔式导轨、4-9行走驱动齿轮、4-10弹性滚动轴承；
图5探头架及耦合装置；
图中：5-1中空容器、5-2耦合液、5-3楔块、5-4接头、5-5超声探头的换能器；
图6相控阵检测声束覆盖示例；
图7相控阵探头进行TOFD检测时声束扩散示意图；
图中：7-1晶片、7-2新波阵面、7-3声束；
图8延时计算示意图；
图9TOFD技术的超声波传播路径；
图中：9-1发射探头、9-2接收探头；9-3裂纹；9-4横波；9-5直通波；9-6底面回波；9-7衍射波
图10耦合剂补充装置；
图中：10-1充气筒、10-2耦合剂补充口、10-3盛装壳、10-4用于补充的耦合剂、10-5底架、10-6连接软管。
具体实施方式
聚乙烯管道在进行热熔焊接时，首先将管子1-1的端面铣削平整，利用加热板将端面加热到适当的温度，移去加热板，然后施加一定的压力将已经熔融的端面压在一起，在稳定的压力作用下熔融聚乙烯形成接头，冷却合适的时间后，便形成符合要求的管道热熔接头。其轴向剖视图如图1所示。
根据聚乙烯管道热熔接头的结构特点，本发明提出了一种新的聚烯烃管道热熔对接接头的装置，该装置能够适用于TOFD和相控阵集成检测方法，其结构见图2所示。
该装置包括超声波检测仪2-7和相控阵超声探头2-4，以及夹持装置2-1、周向运动扫查装置2-2、探头架及耦合装置2-3；其中，
夹持装置2-1包括由两个夹持半圆环3-2相互对接构成的圆环体，两个夹持半圆环3-2一端以联接器3-1相连，另一端通过压紧螺栓3-4相连(压紧螺栓3-4可选用快拆件)，圆环体内侧设有橡胶垫3-3。在圆环体的周向表面设有齿孔式导轨4-7，还设有平行于齿孔式导轨的环向的凹槽。
周向运动扫查装置2-2包括一个固定装有步进电机4-4的安装平台，其底部与夹持装置2-1的圆环体表面之间为滚动或滑动接触，图4中是在安装平台的底部装有弹性滚动轴承4-10，弹性滚动轴承4-10与圆环体表面相接(用于减少移动时的摩擦阻力)。还一个与齿孔式导轨4-8啮合的行走驱动齿轮4-9，其轴心固定在步进电机4-4的转动轴上；步进电机4-4通过电缆连接至扫查控制装置2-8。
夹持装置2-1的凹槽可以布置在圆环体的侧面(如图4所示)，在安装平台的底部设竖向的定位杆4-2，定位杆4-2上套设拉紧弹簧4-3和滑块，滑块的侧部嵌入在凹槽中且保持间隙；或者将凹槽直接布置在圆环体的周向表面，在安装平台的底部设定位杆4-2，定位杆4-2的端部嵌入在凹槽中且保持间隙。
探头架及耦合装置2-3包括一个用于盛装耦合液5-2的中空容器5-1，其截面是具有斜面的楔形，该斜面用于安装超声探头的换能器5-5。在与斜面相对的侧面设有一个聚合物材质的楔块5-3(如聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚酰亚胺等材质)，楔块5-3与中空容器5-1紧密贴合，其功能是作为声陷阱让超声波进入后不断散射、折射，但无法返回超声探头的换能器5-5处的入射面。中空容器5-1的底部设排液孔，顶部通过管路接至耦合剂补充装置2-6；耦合剂补充装置2-6包括装有底架10-5的中空的盛装壳10-3，其底部通过连接软管10-6接至探头架及耦合装置2-3，顶部设充气筒10-1和耦合剂补充口10-2。盛装壳10-3中充装用于补充的耦合剂10-4。
夹持装置2-1、周向运动扫查装置2-2、探头架及耦合装置2-3、相控阵超声探头2-4各有两组，其中夹持装置2-1用于环绕夹持在热熔对接接头两侧的聚烯烃管4-1上，每组夹持装置2-1上分别安装周向运动扫查装置2-2；还有一根连接杆4-6，其两端通过安装架分别连接周向运动扫查装置的安装平台；两组探头架及耦合装置分别通过安装件装于连接杆的中部，其中空容器的底部用于放置在聚烯烃管道上；两组相控阵超声探头相对安装在中空容器的斜面上，使其超声波发射方向交汇于两者之间的斜下方(即聚烯烃管道的热熔对接接头处)。
夹持装置2-1用于夹持在聚乙烯管4-1上，齿孔式导轨4-8相对于聚乙烯管4-1是固定不动的。通过步进电机4-4的转动轴的驱动力、行走驱动齿轮4-与齿孔式导轨4-8之间的啮合作用，以及弹性滚动轴承4-10与圆环体表面间的滚动摩擦，周向运动扫查装置2-2能够通过连接杆4-6带动探头架及耦合装置2-3、相控阵超声探头2-4沿聚乙烯管4-1的径向圆周运动，从而实现周向扫查。定位杆4-2与凹槽的配合，可使对周向运动扫查装置2-2的运行路径加以限定。步进电机4-4能够记录相控阵超声探头2-4的位置变化信息，并传输到超声波检测仪2-7中。为保证相控阵超声探头2-4运动平稳，通过可上下伸缩的弹性滚动轴承与圆环体表面相接触，在定位杆4-2上套装拉紧弹簧4-3。
为保持耦合效果，在检测过程中探头架及耦合装置2-3的中耦合剂10-4是不断流出的。为了补充流失的耦合剂10-4，设计了耦合剂补充装置2-6。在检测时可用充气筒10-1使其内部保持一定的正压，利用重力达到补充耦合剂10-4的目的，连接软管10-6具一定的长度，在检测过程中可自由地弯转。
扫查控制装置2-8可选用单片机或工控机，用于控制周向扫查。在判断周向扫查装置2-2转动一圈后自动切断电源开关，实现被测管的周向扫查。检测过程中如需紧急制动，切断电源开关即停止转动，扫查停止。
下面对应用本发明所述装置的TOFD和相控阵集成检测聚烯烃管道热熔对接接头测试方法进行简要介绍：
超声检测仪2-7同时具有相控阵和TOFD控制功能，以支持相控阵和TOFD两种技术同时进行检测，能同时支持一个探头发射另一个探头接收检测模式或两个探头各自一收一发检测模式。每个相控阵一次激发晶片数量32个，可支持至少64晶片，在检测时使用两个探头各自一收一发检测模式，并有相控阵检测显示界面，在数据采集过程中实时显示A扫描、B扫描、C扫描、D扫描、S扫描。使用TOFD技术检测时采用相控阵检测时相同的探头，与相控阵检测时的探头区别是，使用TOFD技术检测时只使用一个使声束发散的延时法则，一个相控阵探头相当于一个发射柱面波的发散探头，一个探头发射，另一个探头接收，另具有TOFD检测界面，显示TOFD扫描成像。
探头架及耦合装置2-3的中空容器5-1在测试过程中装满耦合剂10-4，作为液体楔块，楔块对聚焦能力的影响主要是声束角度和声程(延迟)。相控阵超声探头2-4在斜楔中的声程比普通探头长，为使探头灵敏度不致损失太大，采用液体楔块还可避免检测时在工件中产生盲区，因为检测盲区均在液体斜楔的声程范围内。楔块角度可以按下式公式1设计：
式中：β1，β2为工件中需要的最大和最小折射角度；α为楔块角度；cL1为楔块中的纵波声速，cL2为工件中的纵波声速；
相控阵检测时采用S扫描方案，使用两个相控阵探头对称发射，两个探头均采用自发自收形式，利用有效声程范围，对焊缝检测区域进行尽可能的覆盖，要求检测区域内每一点至少被两个方向的覆盖，如图6所示。在采用相控阵超声检测技术进行检测时，波型采用纵波，焦距F应根据聚乙烯接头的规格选取，焦距F选取的目标使相探阵探头的焦区始终贯穿接头整个熔合区。相探阵探头的焦距F可通过聚焦法则动态确定，在焦距F确定的前提下，焦点尺寸和焦区长度可根据发射窗口尺寸和超声波波长由计算确定。
而采用相控阵探头进行TOFD检测时，与现有技术中的相控阵检测原理不同，2个探头采用一发一收形式，并采用与常规相反的延时法则，中心的晶片先发射，两端的晶片最后发射，使平面晶片发射的超声波为向外发散的柱面波，从而实现声束的扩散。如图7所示。
为使平面晶片发射的超声波为向外发散的柱面波，在图8所示的平面坐标中，相控阵探头通过延时发射，使得平面晶片发射的超声波，形成为曲率半径为R的柱面新波阵面，由此可以求得第n号阵元的延时时间τn。采用公式2求得各阵元的时延量。按此原理可计算其他位置的各阵元的时延量，从而实现平面晶片发射的超声波为向外发散的柱面波。相控接收时，控制时延量使阵响应于扇形面积内的不同方向获得最大输出，
式中：c1是超声波纵波在液体耦合剂的传播速度；d为相控阵探头的阵元间距；n为阵元序号，以最早发射的阵元序号为0阵元，与其相邻为1阵元，依次递增；τn为n阵元的延时时间。
具体检测步骤如下：
1)在检测前按所述装置连接关系进行设备安装，并连接好各接线和插头，打开超声波检测仪2-7的电源开关。
2)用产品试块(内含人工缺陷)对灵敏度进行标定，调节仪器参数。
3)利用扫查控制装置2-8的内置程序，设置探头的速度扫描区间等参数。开始扫描后，扫查控制装置2-8判断相控阵超声探头2-4沿被测管外壁转动一圈，自动切断电源开关，实现被测管的周向扫查。检测过程中如需紧急制动，切断电源开关，周向运动扫查装置2-2停止转动，扫查停止。
6)自动扫描完成之后同时获得相控阵实时成像和TOFD实时成像。可以通过分析软件对图像进行事后分析，图像分析带有图像放大、位置测定、尺寸测量等功能。通过聚乙烯管道对接接头的扫描图像可以确定接头中缺陷的位置，并可以根据该图像大致确定接头中缺陷的类型。
本发明通过纵向采用相控阵S扫描和TOFD扫查技术，周向采用机械扫查技术，实现接头的自动检测。采用相控阵探头能够实现TOFD方法的功能，TOFD技术所用的探头不要求小的扩散角和好的声束指向性。相反，为了提高检测速度且有利于衍射发生，往往采用小尺寸晶片的大扩散角探头。通常的相控阵探头通过延时来实现声束聚焦，通常两端的晶片先发射，中心的晶片最后发射，而本专利中相控阵探头用于TOFD检测时，延时法则与常规相反，中心的晶片先发射，两端的晶片最后发射，使平面晶片发射的超声波为向外发散的柱面波，从而实现声束的扩散。
通过超声相控阵技术与TOFD检测技术相结合，融合了两种方法各自的优点。如相控阵采用聚焦方法，运用电子技术调整焦点位置以及聚焦方向，从而实现声束的动态聚焦，因此在较大范围内实现了焦点位置和焦点尺寸的控制和调节，在保证整个声程范围内较为一致的检测分辨力的同时，同时提高了检测速度。而TOFD检测技术采用声束扩散方法，对面积型缺陷有较高的检测能力。两种方法实现各自的实时成像，可准确检出工件中的缺陷，并确定其位置、大小和自身高度。

Claims (8)

1.一种用于TOFD和相控阵集成检测聚烯烃管道热熔对接接头的装置，包括超声波检测仪和相控阵超声探头；其特征在于，该装置还包括夹持装置、周向运动扫查装置、探头架及耦合装置；
夹持装置包括由两个夹持半圆环相互对接构成的圆环体，在其周向表面设有齿孔式导轨；
周向运动扫查装置包括一个固定装有步进电机的安装平台，其底部与夹持装置的圆环体表面之间为滚动或滑动接触；还一个与齿孔式导轨啮合的行走驱动齿轮，其轴心固定在步进电机的转动轴上；
探头架及耦合装置包括一个用于盛装耦合剂的中空容器，其截面是具有斜面的楔形；中空容器的底部设排液孔，顶部通过管路接至耦合剂补充装置；
所述夹持装置、周向运动扫查装置、探头架及耦合装置、相控阵超声探头各有两组，其中夹持装置用于环绕夹持在热熔对接接头两侧的聚烯烃管道上，每组夹持装置上分别安装周向运动扫查装置；还有一根连接杆，其两端通过安装架分别连接周向运动扫查装置的安装平台；两组探头架及耦合装置分别通过安装件装于连接杆的中部，其中空容器的底部用于放置在聚烯烃管道上；两组相控阵超声探头相对安装在中空容器的斜面上，使其超声波发射方向交汇于两者之间的斜下方。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹持装置的两个夹持半圆环一端以联接器相连，另一端通过压紧螺栓相连。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹持装置的圆环体内侧设有橡胶垫。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安装平台的底部装有弹性滚动轴承，弹性滚动轴承与圆环体表面相接。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述周向运动扫查装置的步进电机通过电缆连接至扫查控制装置。
6.根据权利要求1至5任意一项中所述的装置，其特征在于，在圆环体上设有平行于齿孔式导轨的环向的凹槽；凹槽的布置方式是：
(1)凹槽位于圆环体的侧面，在所述安装平台的底部设有定位杆，定位杆上套设拉紧弹簧和滑块，滑块的侧部嵌入在凹槽中且保持间隙；或者，
(2)凹槽位于圆环体的周向表面，在所述安装平台的底部设有定位杆，定位杆的端部嵌入在凹槽中且保持间隙。
7.根据权利要求1至5任意一项中所述的装置，其特征在于，所述耦合剂补充装置包括装有底架的中空的盛装壳，其底部通过连接软管接至探头架及耦合装置，顶部设充气筒和耦合剂补充口。
8.根据权利要求1至5任意一项中所述的装置，其特征在于，在与探头架及耦合装置的中空容器斜面相对的侧面，设有一个聚合物材质的楔块，楔块与中空容器紧密贴合。
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