PE管熱氧老化的非線性超聲評價方法

湯新文 ， 涂東坤 ， 張 琦 ， 張慶懷 ， 陳振華 ,*， 盧 超

（1. 江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院，南昌 330000；2. 無損檢測技術教育部重點實驗室（南昌航空大學），南昌 330063；3. 江西省檢驗檢測認證總院特檢院吉安分院，江西 吉安 343000）

0 引言

聚乙烯管道（簡稱PE管）因其具有優異的耐腐蝕性能、較好的柔韌性、重量輕、連接方便等優勢，已成為中低壓燃氣管道的首選管材。2015年，PE管在中低壓管網建設的使用比例達到60%，而歐美國家的普及率已達到90%[1-2]。燃氣管道幾乎布置于城市的所有角落，鑒于其本身的毒性及其泄漏后可能引起爆炸事故，其安全性獲得了廣泛的關注。隨著管道服役時間的增長，管道熱氧老化的無損檢測技術變得越來越重要[3]。管道及其接頭為有機高分子材料，其熱氧老化問題不可避免。特別是在復雜環境中或承受了外部應力的作用下，熱氧老化過程常常會被加速。由熱氧老化引起的微觀組織變化必然導致材料的力學性能和服役壽命下降，且不可預期的熱氧老化將導致管道在服役期限內發生破裂和爆炸，造成巨大的人身傷亡及經濟損失。因此，有必要通過無損檢測技術對由熱氧老化引起的管道力學性能退化進行定期檢測[4-5]。

對于PE管的無損檢測已經開展了相關研究工作。微波檢測可以判斷出PE管的熱熔接頭是否含有缺陷，但由于缺陷種類的多樣性，檢測時需要大量對比圖片，較難區分缺陷的種類；紅外熱成像檢測技術可以通過紅外熱像儀記錄工件表面的溫度場分布檢測缺陷，但其檢測效果會受到溫度、測量距離等因素的影響[6]；X射線檢測技術對孔洞、夾雜等體積型缺陷較敏感，檢出率較高，但對未熔合等面積型缺陷檢出率較低[7]；端點衍射時差法（TOFD）適用于聚乙烯熱熔接頭的裂紋、未熔合和平面垂直缺陷的檢測，但受到近表面盲區的影響，導致缺陷定性較復雜以及橫向缺陷檢出率較低[8]；超聲相控陣技術對面積型和體積型的缺陷都有較好的檢測效果，但并不涉及老化檢測[9]。綜上所述，無損檢測技術可用于管道內部缺陷、裂紋、表面劃痕的檢測，對于管道安全起到了重要的保障作用。然而，受檢測能力的限制以及對在役PE管道運行控制的忽視，針對管道老化的長期監測和檢測技術相對發展緩慢。

非線性超聲檢測技術的檢測精度不受波長的影響，低頻非線性超聲波也可對組織結構不均勻、位錯堆積及微裂紋萌生非常敏感，可用于疲勞損傷、粘結強度退化的檢測[10-12]。在微結構及微損傷的無損檢測中，非線性超聲檢測技術具有比常規超聲檢測技術更高的檢測靈敏度，有望用于管道熱氧老化的無損檢測。本研究提出PE管道及其熔焊焊縫熱氧老化的非線性超聲檢測方法，設計并搭建專用檢測系統，分析對比非線性超聲檢測特征參數與PE管道及其熔焊接頭老化的關聯性，對PE管道管材及熔焊接頭的熱氧老化的無損評價具有重要的應用價值。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

高溫高濕環境老化試驗條件根據《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》（TSG D2002—2006）和《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統 第1部分：管材》（GB/T 15558.1—2015）等標準要求進行。其中，熱熔對接焊接接頭的耐壓強度試驗時間為500 h，環應力PE100=5.4 MPa（管內壓力為1.1 MPa），試驗溫度為80 ℃，管內和管外介質為自來水[13]。

PE管材為DN110 SDR11 HD-PE100 XSC-50燃氣管材。管件試樣制作過程為：先將對接管的端面銑削平整，通過加熱板將管端面加熱至300℃，保持200 s后迅速移去加熱板，施加一定的壓力將對接管端面擠壓在一起，保壓冷卻后即為試驗用PE管熔焊接頭[14]。熱氧老化試樣制備：將PE管置于熱老化箱內，保持恒溫80 ℃，老化時間為500 h，管內和管外介質均為自來水。

采用1.25 MHz直探頭測量材質衰減系數。將直探頭耦合在試樣表面，調整增益使一次底波幅值達到滿屏80%，記錄此時dB值B1；調整增益值，再使二次底波的幅值達到滿屏80%，記錄此時dB值B2。則材質衰減系數α為：

式中：δ為往返損失（每次往返損失約為1 dB），T為超聲波在工件內往返的聲程。

圖1為探頭布置于管壁采用脈沖反射法提取的縱波直入射超聲檢測信號。分別將一次底波和二次底波調整至滿屏的80%，系統增益分別為-2、9 dB，δ取值1 dB，根據式（1）可知PE管試樣的材質衰減系數為0.5 dB/mm。

圖1 縱波直入射信號圖Fig.1 Test signal of longitudinal direct-incidence

1.2 試驗方法

當縱波L傾斜入射到聲阻抗為Z1的介質1和聲阻抗為Z2的介質2形成的界面時，在介質1中出現反射縱波L1和反射橫波S1，在介質2中出現折射縱波L2和折射橫波S2，如圖2所示。各類波型的傳播方向遵循Snell定律：

圖2 縱波斜入射至界面的波型轉換Fig.2 Mode conversion of longitudinal wave incident obliquely at the interface

式中：CL1、CS1分別為介質1中的縱波、橫波聲速；CL2、CS2分別為介質2中的縱波、橫波聲速；αL、αL1分別為縱波入射角、反射角；βL、βS分別為縱波、橫波折射角；αS1為橫波反射角。

通過在焊縫和管材區域激發超聲斜入射縱波，提取能夠表征檢測試樣管材及焊縫老化情況的超聲檢測特征參數。采用一發一收雙探頭布置方式，通過發射接收斜入射超聲波形成覆蓋母材和熔焊焊縫的周向區域。收發探頭間距為10 mm，發射探頭中心頻率為1.25 MHz，探頭前沿5 mm、探頭延時4.5 μs；接收探頭用于接收二次諧波信號，中心頻率為2.50 MHz、探頭前沿5 mm、探頭延時4.5 μs。收發探頭鋼中K值2.5，聚乙烯中縱波聲速為2450 m/s，探頭楔塊縱波聲速為2700 m/s。根據式（2）可知，PE管中形成折射角為43.63°的縱波聲束。為保證主聲束在PE管內壁相交，兩探頭聲束入射點的中心間距設置為19 mm，如圖3所示。

圖3 檢測試樣及試驗方法Fig.3 Test sample and test method

由此，探頭發射超聲波經PE管內壁反射后到達接收探頭的時間t為：

式中：d為壁厚，α為管中折射角，td為探頭延時，C為管內的縱波聲速。

基于Ritec RAM-5000SNAP非線性高能發射接收儀搭建聚乙烯老化檢測系統。由于采用的發射、接收傳感器中心頻率分別為1.25、2.50 MHz，系統濾波組設置為1.25 MHz的低通濾波和1.25～2.50 MHz的帶通濾波器。RAM-5000發射周期數為3的1.25 MHz脈沖正弦信號，經阻抗匹配后進入1.25 MHz低頻濾波組合以濾除系統諧波干擾，激勵發射探頭產生超聲波入射至工件[15]。超聲波覆蓋焊縫/管材后被內壁反射并被接收探頭接收。接收信號通過三通管分離成兩路，一路為基波信號，另一路為經過高頻濾波器濾波保留的二次諧波。檢測系統框圖如圖4所示。

圖4 檢測系統結構框圖Fig.4 Block diagram of nonlinear ultrasonic testing system

2 檢測結果及分析

2.1 檢測信號分析

沿焊接接頭及管材的周向等間隔（弧度間隔60°）共采集6個檢測信號，檢測位置見圖3中的1～6。PE管材及熔焊接頭老化前后的檢測信號如圖5所示。由式（3）可得PE管內壁反射波的起波時間為20.18 μs，而實測基波信號均在20.4 μs附近，與理論值基本一致。盡管采用2.5 MHz探頭接收二次諧波幅度，二次諧波幅度依然較基波幅度小，約為基波幅度的10%。

圖5 典型檢測信號Fig.5 Typical detection signal

圖6為非線性超聲檢測信號的頻譜分布，基波峰值頻率和二次諧波峰值頻率分別為1.32、2.62 MHz，二次諧波峰值頻率約為基波頻率的2倍，符合二次諧波與基波在頻域分布中的相互關系。

圖6 典型檢測信號頻譜分析Fig.6 Spectrum analysis of typical detection signals

2.2 檢測信號特征分析

通過微繞法求解波動方程。設位移u由線性位移解u(0)和非線性位移解u(1)兩部分組成[16]，即u=u(0)+u(1)。設發射端激發正弦波，將2個位移解的結果合并，表示為：

式中：A1為基波幅值，A2為二次諧波的幅值?？杀硎緸椋?/p>

式（4）中右側第1項表示基波成分，第2項表示二次諧波成分（其信號頻率是基波頻率的2倍），其余項為三次及更高階次的諧波成分。由于高次諧波的能量占比很小，非線性超聲檢測中一般只考慮二次諧波成分。對于同組超聲檢測中由不同試件得到的同一處回波信號而言，其傳播距離x、基波頻率f1及波速c一般不會改變，則非線性系數可表示為：

圖7為PE管管材及熔焊接頭老化前后各檢測位置基波幅度的變化，可見老化后PE管及焊接接頭的基波幅度明顯下降。由于PE管熱老化過程中產生的熱降解反應使聚乙烯的結晶度變高，超聲波衰減增大，導致接收到的超聲波信號幅值變低，老化后管材和熔焊接頭的基波幅度均值比老化前分別降低49.7%、38.9%。

圖7 管材和熔焊接頭老化前后各檢測位置的基波幅度Fig.7 Fundamental wave amplitude of pipe and weld before and after aging

圖8為管材和熔焊接頭老化前后各檢測位置二次諧波幅度的變化情況。由圖可知，老化后的PE管各周向位置二次諧波幅度整體下降，均值相比老化前降低了35.5%（圖8a）；熔焊接頭老化后的二次諧波幅度也呈現下降的趨勢，均值相比老化前降低了15.9%（圖8b）。盡管高頻超聲波（二次諧波）在介質中衰減更大，但由于老化后的管材及焊縫組織結構形成新的二次非線性響應，老化前后二次諧波的降幅低于基波降幅。

圖8 管材與焊縫老化前后二次諧波變化趨勢Fig.8 Second harmonic variation trend of pipe and weld before and after aging

圖9為管材和熔焊接頭老化前后的非線性系數的變化情況。由圖可知，老化后的PE管各檢測位置提取的非線性系數整體上升，其均值增大至老化前的156.5%（圖9a）；老化后的焊接接頭非線性系數也呈現上升的趨勢，其均值增大至老化前的132.1%（圖9b）?；ǚ?、二次諧波幅度、非線性系數均能反映老化前后的PE管狀態變化，非線性系數的均值在老化前后差異最大，具有更高的靈敏度。

圖9 管材和熔焊老化前后非線性系數變化趨勢Fig.9 Nonlinear coefficient variation trend of pipe and weld before and after aging

定義相對波動系數r以評估管道周向提取的各特征參數（非線性系數）的波動情況，可表示為：

式中：βi為非線性系數，為非線性系數均值。

圖10為焊縫和管材老化前后的非線性系數標準差的變化情況。在經歷了熱老化后，管材及其熔焊接頭處的非線性系數波動性均增大，由此推斷熱氧老化會使PE管的組織結構均勻性變差。

圖10 特征波動系數分析Fig.10 Analysis of characteristic fluctuation coefficient

3 結論

1）提出PE管非線性超聲檢測方法并搭建非線性超聲檢測系統，可有效采集經管材內壁反射的非線性超聲檢測信號，并從中提取基波幅度、二次諧波幅度、非線性系數作為檢測特征。

2）經過熱氧老化后PE管管壁及其熔焊接頭基波幅度及二次諧波幅度顯著下降，非線性系數顯著增大。老化后管材和熔焊接頭的基波幅度均值比老化前分別降低49.7%、38.9%，二次諧波幅值均值分別降低35.5%、15.9%，非線性系數均值分別增大156.5%、132.1%?；ǚ染?、二次諧波幅度均值、非線性系數均值均能反映老化前后PE管狀態變化，非線性系數均值在老化前后差異最大，具有更高的靈敏度。

3）非線性超聲檢測系數的相對波動系數在熱氧老化后均增大，PE管管材及熔焊接頭的非線性系數標準差分別增大157.1%、81.3%，表明熱氧老化使PE管組織結構的均勻性變差。