聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測方法及檢測裝置的製作方法

2023-12-06 08:27:56

專利名稱：：聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測方法及檢測裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種壓力管道的檢測方法及裝置，具體是聚乙烯管道熱熔對接接頭焊接質量的檢測方法及檢測裝置。
背景技術：
：聚乙烯管道廣泛用於燃氣等危險介質的輸送。聚乙烯管道之間的連接最常用的連接方法為熱熔對接。熱熔對接適用性強，操作簡單且成本經濟，但熱熔焊接的工藝參數較多，施工操作較為複雜，因此焊接質量受人為因素的影響較大。由於聚乙烯管道接頭處有可能存在各種缺陷，且絕大多數聚乙烯管道事故都是由接頭缺陷引起的，使接頭成為聚乙烯管道系統的薄弱環節。為提高聚乙烯管道的安全性，除通過正確選擇焊接工藝和焊機提高接頭質量外，還應有完善的接頭缺陷檢測和安全評定方法，防止帶超標缺陷管道投入運行。目前，聚乙烯管道接頭缺陷檢測方法主要有破壞性試驗、目視檢測以及超聲檢測等。破壞性檢測是一種統計抽檢性質的檢測方法，不能針對某一特定的接頭進行檢測；而目視檢測由於不能直接觀察到接頭內部的狀況，因此其可靠性也不能得到保證。超聲檢測雖然能夠直接獲得材料內部的狀態信息，可以對一些有宏觀尺寸的缺陷進行判別，如氣孔、夾雜以及金屬絲錯位等，但對工藝性缺陷(如焊接壓力、溫度不夠等)檢測可靠性有待進一步提高。但是，由於聚乙烯材料的聲學特性以及聚乙烯管道熱熔接頭的結構形狀，超聲檢測的主要困難有1)聚乙烯材料的聲學特性與金屬材料存在很大的差別。從宏觀來看，金屬材料的聲阻抗約為聚乙烯材料的6至16倍，聲波衰減係數約為聚乙烯材料的0.1倍，由此可見，'聚乙烯材料能夠比金屬材料吸收更多的聲波能量。其次，從微觀來看，聚乙烯作為一種高分子聚合物是一種粘彈性材料，材料的粘性使得其具有耗損能量的本領，聲波在聚乙烯材料中傳播時，由於聚乙烯材料的粘滯性點，分子運動產生摩擦力，使一部分聲能變為熱能，使得材料對聲波的粘滯吸收衰減增大；另外，聚乙烯的分子主要是鏈結構，且多為長鏈，其主鏈是相互纏繞在一起的，結構較金屬雜亂，這就增加了聲波的散射，使能量通過散射形式而耗損。2)聚乙烯管道在對接過程中，一部分材料被熔化並在操作壓力作用下被擠出內外表面，形成內外表面巻邊，巻邊影響了檢測表面的平整度，在超聲檢測時會影響探頭和工件的接觸以及會產生輪廓回波，對超聲檢測產生影響。3)聚乙烯管道焊接產生的缺陷中，由於焊接工藝不完善(如焊接壓力過高或過低、焊接溫度過高或過低等)導致接頭性能不能滿足要求，該類工藝性缺陷至今尚未找到一種有效的檢測方法。德國是聚乙烯管道接頭無損檢測技術研究和檢測儀器開發的先行者。20世紀70年代中期時開發了檢測聚乙烯熱熔接頭的低速超聲波斜探頭；80年代初，美國燃氣研究學會GRI(GasResearchInstitute)開始開發應用於聚乙烯管的超聲檢測設備，並於80年代末推出商業化的產品；此外，英國焊接學會TWI(TheWeldingInstitute)也在聚乙烯管接頭的無損檢測上做了許多研究工作；美國塑料管材學會PPI(PlasticPipeInstitute)基於脈衝反射法開發了聚乙烯管熱熔接頭的超聲檢測系統——Ultra-Mc，美國McEloryMfg.Inc公司已實現該系統的商品化；英國TWI使用超聲頻率為2.25MHz，發射角度為60。和45。的超聲探頭檢測了聚乙烯管接頭。上述方法都採用脈衝反射法，研究表明脈衝反射法對未熔合缺陷，特別是冷焊的檢測靈敏度很低，而且為脈衝反射法無法解決超聲回波較弱這一難點，因此在檢測接頭時有明顯的不足。90年代，美國FlourCorp公司和RTD質量服務有限公司合作研究，基於TOFD法並結合計算機成像技術開發了針對熱熔焊接接頭的設備，但由於該系統超聲檢測成像圖不直觀，因此對檢測人員的檢測水平有要求較高。此外，英國TWI在大量的試驗基礎上得出TOFD法對於聚乙烯接頭中平面不連續的缺陷有很好的探測靈敏度，但是對於冷焊的檢測仍然無能為力。2006年起，美國能源部核管理委員會(theU.S.NuclearRegulatoryCommissionunderU.S.DepartmentofEnergy,簡稱NRC)採用TOFD(衍射時差)法和超聲相控陣技術對聚乙烯管道熱熔對接接頭進行試驗研究，初步研究表明，TOFD(衍射時差)法和超聲相控陣技術能夠檢測部分未熔合缺陷，並通過破壞性試驗的驗證；2008年5月，NRC提交了聚乙烯熱熔對接接頭未熔合缺陷無損檢測能力的評定研究報告。報告結論中說明這些工作正處於起步階段，其中包含幾種無損檢測方法，但不完善。因此，在該方面僅能得到有限的結論。國內對聚乙烯管道接頭無損檢測技術研究剛起步，其中，無錫市蘇臺工業檢測技術研究主要採用雙晶聚焦探頭針對436mm壁厚的聚乙烯管道對接焊縫以及聚乙烯管道90。套接焊縫的超聲檢測。所起草的JB/T10622-2006《無損檢測聚乙烯管道焊縫超聲檢測》是國內首部針對聚乙烯管道焊縫無損檢測的標準。但還存在一些問題，主要是O無法對熱熔接頭的未熔合缺陷進行檢測和評估；2)無法精確確定缺陷的自身高度；3)無法在檢測過程中進行實時成像。超聲檢測設備研製方面在國內尚屬空白。
發明內容本發明的目的是克服上述
背景技術：
的不足，提供一種聚乙烯管道熱熔對接接頭的超聲檢測方法以及相應的檢測裝置，該檢測方法及檢測裝置應具有靈敏度高、檢測精度高、可靠性高的特點，並且檢測效率較高，操作失誤率低。本發明提供的技術方案是聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測方法，按以下方法實現1)採用耦合劑液體，耦合劑的聲速2000-2300m/s，聲阻抗在2.0X106kg/m2.s-2.7X106kg/m2.s;耦合劑直接定位在被檢管道接頭熔合區的外表面；2)超聲波探頭採用球形曲晶片，該超聲波探頭浸沒在耦合劑液體中，使焦點定位於聚乙烯管道接頭熔合區的中線，以使聲束能夠聚焦到原焦點位置或其附近；3)超聲波探頭作兩個方向的掃査運動沿著被檢管道直徑方向進行直線掃査運動以及沿著被檢管道圓周方向進行勻速掃查運動；使探頭焦區始終覆蓋聚乙烯管道接頭熔合區；釆用C掃描實時成像設備，按設定的路徑作空間掃描；探頭獲得的超聲信號數據送入計算機進行處理後形成C掃描圖像。所述的耦合劑包括以下成分及體積百分比甘油55-65、水玻璃30-40、水3-8，消泡劑適量。所述的耦合劑包括以下成分及重量份甘油60、水玻璃35、水5，消泡劑適量。配有耦合劑補充裝置，以自動補償所損失的耦合劑。聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測裝置，包括1)耦合盛裝裝置；裝置的內腔中密封盛滿耦合劑，並且該裝置的底端部位與被檢區域的外部曲面形狀相適合以達到良好的曲面匹配效果；2)超聲波探頭採用球形曲晶片；該探頭定位在耦合盛裝裝置的內腔中，且在耦合劑液體浸沒狀況下發射和接收超聲波，並形成聚焦聲場；3)機械掃查裝置；該裝置分為上下往復運動機構和管道周向勻速運動裝置，其中，上下往復運動機構定位在耦合盛裝裝置的內腔中，該機構包括由直線動力機構帶動的探杆，探頭固定在探杆的一端，以使探頭沿著被檢管道的直徑方向往復運動；管道周向勻速運動裝置安裝在管道周向外部被檢區域旁邊，以帶動耦合盛裝裝置繞管道周向運動進行超聲掃查；4)信號處理與控制系統；控制掃描裝置和聚焦探頭，並接收掃描位置信息與超聲波信號，以高速處理形成C掃描圖像；5)計算機;實現實時成像並應用軟體對圖像進行分析。所述的耦合盛裝裝置的底端制有敞口，敞口的邊沿與管道被檢區域外部曲面形狀相適合，以使耦合劑直接定位布滿在被檢管道接頭熔合區的外表面；敞口的整個邊沿還固定彈性材料，以堵塞與被檢管道接頭熔合區的外表面的間隙，減少裝置內耦合劑的洩漏。所述的直線動力機構是直線步進電機。所述的稱合劑補充裝置包括密閉的盛裝殼體和加壓用的充氣筒。本發明提供的檢測方法及檢測裝置能夠可靠地檢測聚乙烯管道熱熔對接接頭的體積型缺陷和面積型缺陷，並能有效地檢出接頭中的未熔合缺陷。具體優點如下1、由於耦合劑的聲速與被檢的聚乙烯材料相等或接近，使聚焦聲聲束在耦合劑與聚乙烯界面不會產生折射或折射角相差很小，使聲束能夠聚焦到原焦點位置或其附近。另外，兩者聲速的接近及聲阻抗相差小於50%，使超聲波在耦合劑與聚乙烯界面產生的反射聲能損失較少，大部分聲能透射至被檢工件中，提高了檢測靈敏度。2、超聲波探頭採用球形曲晶片，克服了聚乙烯材料超聲波衰減大、散射嚴重的缺點，改善了檢測靈敏度，而且使被檢區域中的缺陷的定量、定位精度大大提高。3、由於配製的耦合劑為液體，使探頭在耦合裝置內的上下移動成為可能，又由於聲束在界面上不產生偏離或偏離較小，探頭上下運動時焦點始終落在接頭熔合區的中線上，使超聲波對熔合區缺陷檢測能力提高，同時為實現端點衍射法進行自身高度的測量和C掃描實時成像提供條件。4、採用該方法檢測缺陷時焦距基本不變，聲程基本相同，不同位置的聲壓差別主要取決於耦合劑和聚乙烯材料的聲衰減值，通常情況下配製的耦合劑和聚乙烯材料兩者聲衰減差值小於50%時，對壁厚10mm的聚乙烯管道熱熔對接接頭而言，上下表面缺陷檢測靈敏度差別不到4dB，因此使用該方法對熔合區各位置的檢測靈敏度基本相同。5、聚焦聲束掃査到面積型缺陷的端點時，會發生端點衍射，由於聲能集中，聚焦探頭能夠捕捉端點衍射信號，探頭在耦合裝置內的上下移動與聲束焦點的上下移動相對應，產生端點衍射時探頭的上下移動距離就是面積型缺陷的自身高度，因此能使缺陷的自身高度測定精度大大提高。6、採用步進電機實現接頭缺陷的自動掃查，並能實現C掃描實時成像；缺陷的位置、長度、自身高度、面積、波幅值可實現自動顯示，並可用儀器所帶的軟體進行精確測定，不僅使精度提高，而且減少了人為誤差，檢測可靠性提高。'7、通過軟體功能實現全自動超聲檢測，提高檢測效率，並可減少人工操作的失誤。圖1是聚乙烯管道熱熔接頭的截面示意圖。圖2是本發明中的球形曲晶片聚焦原理圖。圖3是本發明提供的檢測方法的檢測原理示意圖。圖4是本發明提供的檢測裝置的原理框圖。圖5是本發明提供的檢測裝置的使用狀態示意圖。圖6是本發明中的耦合劑盛裝裝置的外形結構示意圖。圖7是本發明中的耦合劑盛裝裝置的基座示意圖。圖8是本發明屮的耦合劑盛裝裝置的底座示意圖。圖9是本發明中的探頭上下運動掃査裝置的結構示意圖。圖io是本發明中的周向運動掃査裝置的結構示意圖。圖11是本發明中的手動控制器面板的示意圖。圖12是本發明中的聚乙烯管子夾持裝置的結構示意圖。圖13是本發明中的耦合劑補充裝置的結構示意圖。圖14是耦合聚焦檢測方法和接觸法斜波法檢測靈敏度對比圖。圖15是①iX6和①lX6-6dB檢測靈敏度對比圖。圖16是不同深度位置01X6缺陷的靈敏度比較圖。圖17是表面裂紋的超聲端角反射信號示意圖。圖18是埋藏小裂紋的超聲檢測信號示意圖。圖19是未熔合的端點衍射信號示意圖。圖20是耦合聚焦檢測方法和TOFD技術端點衍射信號對比示意圖。具體實施例方式現有聚乙烯管道最常用的熱熔對接方法的具體過程是首先將聚乙烯管材或管件的橫截面端面處理平整，再用具有一定壓力的加熱板加熱連接部位至熔融狀態；緊接著移走加熱板，並施加壓力將兩個熔融端面用力壓在一起，最後在穩定的壓力作用下將兩個部件連接並固定，直至接頭冷卻。熱熔對接焊之後接頭一側的形狀如圖1所示；其中兩根管子1中間的區域中有上、下巻邊2以及熔合區3。試驗研究過程中發現，在金屬焊縫中難以實施的液浸聚焦技術對聚乙烯管道熱熔接頭超聲檢測有獨特的優點，這主要基於聚乙烯材料的聲學特徵和聚乙烯管道熱熔接頭特有的結構特點。聚乙烯材料的超聲縱波聲速在2150m/s-2350m/s範圍內，聲阻抗在2.1Xl(^g/cmls左右。因此可以配製一種特定的耦合劑，使其聲速和聲阻抗與被檢的聚乙烯材料相接近；另外，從聚乙烯管道熱熔接頭的截面圖(圖1)中可以看出，正常焊接的熱熔接頭上下表面熔合區寬度在3mm左右，中間部位為lmm左右，由於聚焦探頭的焦柱具有一定長度，因此上下移動時可以實現聚焦探頭的焦柱貫穿接頭整個熔合區，確保熔合區的缺陷檢出靈敏度。由此本發明提出一種全新的聚乙烯管道熱熔接頭超聲檢測方法一耦合聚焦法，檢測原理如圖4所示。聚乙烯管道熱熔接頭超聲檢測耦合聚焦方法詳述如下1)耦合方法配製一種耦合劑，使其聲速在2000-2300m/s範圍內，聲阻抗在2.0X106kg/m2.s-2.7X106kg/m2.s;本發明檢測試驗時所用的耦合劑初步採用一定比例的甘油(體積比55-65%)、水玻璃(體積比30-40%)、少量消泡劑、水(體積比約5%)混合配製成一種稠狀耦合劑，經測定，60%甘油(體積比)、35%水玻璃(體積比)、5。/。水(體積比)和少量消泡劑配製的稠狀耦合劑，其聲速約2110m/s，接近聚乙烯的聲速的96%(PE80聚乙烯材料從管子軸線45°方向的聲速約為2200m/s)，聲阻抗在2.6X10Skg/m氣s左右，約為聚乙烯聲阻抗的124%。由於耦合劑的聲速與被檢的聚乙烯材料相等或接近，使聚焦聲聲束在耦合劑與聚乙烯界面不會產生折射或折射角相差很小，使聲束能夠聚焦到原焦點位置或其附近。另外，兩者聲速的接近及聲阻抗相差小於50%，使超聲波在耦合劑與聚乙烯界面產生的反射聲能損失較少，大部分聲能透射至被檢工件中，提高了檢測靈敏度。2)球面聚焦方法採用球形曲晶片聚焦的超聲波探頭(即球形曲面聚焦超聲換能器)；聚焦原理如圖2所示整個聚焦聲束由無數條聲束線所代表的細聲束組成，每條細聲束向球心會聚，在球心所受的超聲輻射力在與聲軸相垂直方向上的分量，因其軸對稱性而抵銷，總和為零。球心所受的聲軸方向的超聲輻射力的總和即總輻射力，總輻射力由於各細聲束的會聚遠大於換能器表面輻射力，從而達到聚焦的目的。從理論分析，整個超聲聚焦系統最終都將超聲能量聚集到一個幾何的點或者幾何線，然而由於聲的衍射效應以及超聲聚焦系統的不規矩等原因，實際的超生聚焦區域不是一個理想的點或線，而是一個比較複雜的區域。對於球形聚焦系統，其焦區類似於一個橢圓。通常用來描述聚焦換能器的參數有三個焦距、焦點大小和焦柱長度。對於球面換能器來講焦距主要取決於球半徑z。。焦點大小按聲壓幅度比最大值下降3dB處聲束的寬度來計算，可由公式1決定formulaseeoriginaldocumentpage12式中聲波波長，mm。一聚焦系統孔徑的一半，mmz。一球半徑焦柱長度力定義為在焦點兩側軸線上聲壓幅度比焦點處聲壓幅度下降3dB的兩點間的距離，則可得formulaseeoriginaldocumentpage123)掃査方法在整個耦合裝置由的運動機構帶動均勻地進行常規的圓周運動掃査的同時，又加配了一個豎直掃查裝置，能夠使超聲波探頭進行快速的上下掃查(對管道厚度方向的焊接狀況進行掃查)；同時，探頭上下掃査和圓周掃查的數據進行記錄和顯示。由於配製的耦合劑為液體，使探頭在耦合裝置內的上下移動成為可能，又由於聲束在界面上不產生偏離或偏離，探頭上下運動時焦點始終落在接頭熔合區的中線上，使超聲波對熔合區缺陷檢測能力提高，同時為實現端點衍射法進行自身高度的測量和C掃描實時成像提供條件。4)採用脈衝反射信號和端點衍射信號進行檢測對氣泡、夾雜物等體積型缺陷採用脈衝反射信號進行檢測，對裂紋、未熔合等面積型缺陷採用端點衍射信號或反射信號進行檢測。根據惠更斯原理，超聲波入射到缺陷(如裂紋)上時，在裂紋上下尖端會形成次波源而產生衍射(稱為衍射波)。具體方法為，探頭在耦合裝置內的上下移動，當聚焦聲束掃査到面積型缺陷的端點時，會發生端點衍射，由於聲能集中，聚焦探頭能夠捕捉端點衍射信號，探頭上下移動時分別探測缺陷的上端點和下端點衍射信號，由於探頭在耦合裝置內的上下移動與聲束焦點的上下移動相對應，因此產生端點衍射時探頭的上下移動距離就是面積型缺陷的自身高度；採用該方法使缺陷高度的測定精度大大提高。5)實現C掃描實時成像採用c掃描實時成像設備(現有裝備)，按規劃好的路徑作空間掃描，計算機從運動控制實時獲取探頭的平面坐標作為二維圖像的原始數據。同時探頭獲得的超聲信號經數據採集送入計算機進行預處理、過濾、獲取確定缺陷波峰值，再通過調色板技術轉變為一定的顏色值，計算機將一一對應的點位和超聲信號數據的顏色值在屏幕上形成C掃描圖像。基於上述方法，所設計的檢測裝置(原理框圖如圖4所示)主要分為以下幾個部分-1)耦合系統，主要用於密封、盛裝、補充耦合劑，並保證與被檢曲面有良好的曲面匹配。2)聚焦系統，發射和接收超聲波，並形成聚焦聲場。3)機械掃查裝置，實現探頭上下往復運動和周向均速運動，輸出位置信息。4)信號處理與控制系統，設定與控制掃描系統和聚焦系統，並接收掃描位置信息與超聲波信號，經高速處理，形成C掃描圖像。5)計算機:實現實時成像並應用軟體對圖像進行分析。具體所設計的耦合聚焦裝置的結構(見圖5)包括耦合劑盛裝裝置4、探頭架7、超聲波探頭6、夾持裝置8、周圍運動掃查裝置9、耦合劑補充裝置10、上下運動掃査裝置ll、信號控制與處理系統12和顯示與軟體系統13。各部分的結構與功能詳述如下1)耦合劑盛裝裝置耦合劑盛裝裝置如圖6所示，包括基座14、密封底座15、插板16和密封海綿17。基座的結構如圖7所示，基座下面開有凸槽，插入密封底座凹槽內形成密封連接。基座用奧氏體不鏽鋼材料製作，用以盛裝耦合劑，並作為上下移動掃查的基座。密封底座的結構如圖8所示，用聚乙烯材料製作，與被檢管道接觸部位加工成相適合的曲面形狀以配合工件曲率，底座前半部聲束掃査之處開有敞口15-1(見圖6)，敞口四周邊沿固定(一般可粘接固定)的彈性材料H(採用高伸縮率海綿，外包聚乙烯薄膜)進行密封，以防止耦合劑流失(該裝置被帶動繞管道圓周轉動時，由於海綿緊貼在管道表面，所以粘稠的耦合劑雖有滲漏，但不會大量流出)。密封底座前端加開橫槽15-2，插板16插入橫槽後就切斷往下的通路，以保證非工作狀態下的耦合劑不會流失。2)聚焦裝置探頭所採用的晶片6-l加工成一定曲率的球面，通過壓電效應發射超聲波，超聲波在耦合劑中傳播，並在耦合劑聚乙烯工件界面上形成反射和折射，由於耦合劑的聲速與被檢的聚乙烯材料相等或接近，使聚焦聲聲束在耦合劑與聚乙烯界面不會產生折射或折射角相差很小，使聲束能夠聚焦到原焦點位置或其附近。由於聲束在界面上不產生偏離或偏離，探頭上下運動時焦點始終落在接頭熔合區的中線上，使超聲波對熔合區缺陷檢測能力提高。利用球面晶片製作聚焦的超聲波探頭，背襯採用鎢粉與環氧樹脂混合物製作而成，採用擠壓法製作出高阻抗背襯塊，首先粘接背襯與晶片；粘接時，使用由環氧樹脂與二乙烯三胺製成的粘接劑，背襯與晶片粘接牢固後，再焊接電極，然後把背襯、晶片和電極固定在探頭殼中。該球面晶片聚焦的超聲波探頭可直接外購。3)上下運動掃査裝置由於探頭要掃描管子接頭熔合區，因此要求探頭作上下運動和旋轉運動才能掃描整個接頭區域，因此探頭應該有兩個自由度；為了讓探頭在兩個方向都能自由運動並且都能被計算機所控制，應由不同的驅動裝置控制探頭的位置和探頭的運動形式。為了分別單獨控制探頭的兩個自由度，用兩個電機分別驅動探頭上下運動和旋轉運動，由於對探頭的定位精度很高，並且要求計算機控制，因此使用歩進電機作為驅動裝置，要使探頭在上下方運動必須把歩進電動機的旋轉運動轉化為直線運動，為此採用了步進直線電機。為了保證在檢測過程中探頭聲束焦點始終落在熔合區的中線，本發明設計了探頭上下運動掃查裝置，如圖9所示。直線步進電動機18通過聯軸器19帶動連杆22實現直線往復運動，直線步進電動機用固定裝置20將其牢固地安裝在耦合劑盛裝裝置上，連杆穿過上邊開孔處(帶密封圈)，保證在上下掃查時耦合劑不流失；連杆與探頭架7(帶彈簧的夾子)相接，探頭架夾緊探頭6，從而實現探頭的上下掃査；連杆裝有限位器21，保證上下掃査時探頭不撞到其它物體。由於耦合劑的聲速與被檢的聚乙烯材料相等或接近，聲束在界面上不產生偏離或偏離較小，探頭上下運動時焦點始終落在接頭熔合區的中線附近，從而保證檢測靈敏度。4)周向運動裝置為實現聚乙烯管子對接接頭超聲波周向掃査，本發明還配用了周向運動裝置(常規裝置，如圖10所示)。針對聚乙烯管道對接接頭檢測，採用齒孔式軟導軌31，掃查機構上的行走驅動齒輪30與軟導軌上均布的條形孔嚙合，帶動掃查裝置運動。導軌既是導向元件，也是傳動元件。傳動機構仿齒輪齒條傳動方式，這樣不但解決了檢測時的方向性，而且不必考慮機構在檢測過程中由於自身重力等因素而產生的滑動現象。安裝導軌的夾持裝置8與被檢管道相接觸。這樣一定範圍口徑的管道可以只更換夾持裝置就可以，不必另加工導軌。導軌的接頭用插接式結構，更加方便快速裝卸調整。行走機構26快速裝卸結構靠定位杆23(插入端頭帶小型滾動軸承，以減少移動時的摩擦阻力)插入夾持裝置的凹槽內，定位杆帶拉緊彈簧24以保證周向運動掃查裝置與夾持裝置緊密連接，周向步進電機25是安裝在行走機構的底板上，通過歩進電機的轉動軸驅動齒輪並帶動行走機構運動，從而實現周向掃查。為保證行走機構運動平穩，行走機構通過可上下伸縮的彈性滾動軸承29與夾持裝置相接觸。運動連接杆27連接行走機構與耦合劑盛裝裝置4，通過拉緊彈簧28保證耦合劑盛裝裝置緊密靠緊接頭外巻邊，同時連接杆向耦合劑盛裝裝置傳遞向下的壓緊力，以保證耦合劑盛裝裝置與聚乙烯管子與接頭的接觸密封性。5)信號控制與處理系統信號控制與處理系統(現有裝置)包括掃描控制系統和信號採集與處理系統。機械掃描裝置是自動超聲波探傷系統的重要組成部分，當探頭掃描接頭時，檢測的結果與機械掃描裝置的性能直接相關，如果在掃描過程中發生定位偏差和抖動將會對信號產生很大的幹擾，探傷儀得到的信號是虛假信號不能反映接頭的質量，因此機械掃描裝置必須準確的定位掃描裝置能在計算機的控制下準確移動到指定的位置。掃描控制系統包括定位與極限保護裝置、步進電機控制卡、步進電機驅動器、手動控制器。極限保護裝置根據現場檢測要求探頭掃描時有一個起點，上下方向掃描起點在探頭的下方離底面2mm—3mm處，使聚焦聲束焦點位置落在接頭內表面凸邊表面，並且在圓周方向也規定了掃描起點位置，必須在規定起點位置開始掃描，因此機械掃描裝置必須有起點定位裝置。此外必須有極限保護裝置防止用戶誤操作時損壞機械掃描裝置，為此需在探頭運動的上下方向和圓周方向安裝位置檢測元件，可以使用開關和傳感器在探頭運動到規定的位置的時候，發出信號相應的信號，計算機獲得該信號後在該位置鎖定電機，在上下方向可以使用光電二級管開關，在探頭運動到規定的位置時給計算機發信號。步進電機驅動卡機械掃描裝置必須能在計算機控制下探頭能準確的在上下方向和圓周方向定位，探頭的速度可以通過計算機進行調節，這對裝置的驅動方式提出了特殊的要求，系統採用了步進電機驅動的方案，步進電機驅動卡利用計算機的數據線和地址線，通過接口電路的設計構成柔性環分器，實現對步進電機的控制。按照系統提示輸入一些工件及其安裝的信息，系統可完成自動對焦。步進電機驅動器步進電機需要專用的驅動電源，本發明使用了目前流行的雙極性斬波步進電機驅動電源，具有較高的可靠性能，同時驅動兩個步進電機完全符合檢測要求。手動控制器為了更加方便的控制探頭的位置，本發明還配有機械掃描裝置的手動控制器(可外購)，如圖11所示，該控制器能在不使用滑鼠和鍵盤的情況下，控制探頭並且啟動系統的自動掃描；手動控制器上設置有6個按鈕，按鈕具有計算機上對應鍵的功能；這些按鈕的功能如下自動——自動掃描焊縫。手動——手動控制開關，如果要手動調整探頭，則要選擇該命令，如果要停止自動掃描也可以選擇該命令。向上-——控制探頭向上運動。向下——控制探頭向下運動。逆時針——控制探頭逆時針運動。順時針——控制探頭順時針運動。6)夾持裝置為連接聚乙烯管子與周向掃査裝置，本發明還配有聚乙烯管子專用夾持裝置(現有裝置)，如圖12所示。夾持裝置由聯接器32、夾持骨架33、橡膠墊34、快速壓緊螺栓35組成，其中夾持骨架中間帶凹槽，以便插入周向運動掃查裝置的定位杆，從而達到連接聚乙烯管子與周向掃查裝置的目的。7)耦合劑補充裝置為了補充在檢測過程中流失的耦合劑，本發明設計了耦合劑補充裝置(如圖13所示)。耦合劑補充裝置由充氣筒36、耦合劑補充口37、盛裝殼體38、連接軟管40、底架41組成。底架可帶吸盤，可將裝置牢固地安放在被檢管道上；檢測時可用充氣筒使裝置保持一定的正壓，也可打開耦合劑補充口利用耦合劑液體的重力達到補充耦合劑的目的，連接軟管具一定的長度，在檢測過程中可自由地彎轉。8)顯示與軟體系統顯示與軟體系統可由筆記本電腦實現。掃描裝置的控制、超聲波信號的採集、數據的存儲與管理、掃描結果的分析與顯示都由軟體(可外購)來實現，軟體功能穩定性可靠性等直接影響到檢測的結果的準確性和可靠性。為了便於分析，對每個檢測到的回波信號幅值分為不同等級，每一等級對應一種色彩，把所有檢測點的回波幅值進行用顏色值調製處理後，按與點的位置一一對應的方式顯示在屏幕上，可以得到聚乙烯管子對接接頭的掃描圖像，根據圖像可直觀地分析出接頭的外表輪廓以及缺陷的位置和大小，計算機對圖像進行適當處理後，可定量判別接頭質量缺陷數量、缺陷的位置等重要參數。由上述各裝置組成組成耦合聚焦檢測裝置，對聚乙烯管道熱熔對接接頭的超聲檢測，可按以下操作步驟進行O在探傷前把連接好各接線和插頭,打開超聲波探傷儀電源開關，讓其預熱當電源指示上的標線在綠區時，超聲波探傷儀才能正常工作。2)用產品試塊(內含OlX6短橫孔)對靈敏度進行標定，調節增益使檢測0MX6的回波高度調到100%波幅，必須記下此時調定的波幅值標樣管及實測均，按此法調校C掃描調色值標定。對C掃描的調色塊進行標定，對應於滿該度的100%、90%、80%、70%、60°/。、50%、40%、30%、20%、10%的幅值進行調色值標定。3)選擇設置菜單下的文件參數，系統將根據該名稱創建目錄保存數據，設置好探頭的速度掃描區間等參數。4)利用夾持裝置的快速壓緊螺栓將夾持裝置安裝在聚乙烯管子上，在接頭的另一側安裝耦合劑盛裝裝置(連聚焦裝置、上下運動掃查裝置)，利用耦合劑補充裝置的底架將耦合劑補充裝置牢固地安放在檢測管子上，將周向運動掃査裝置的定位杆插入夾持骨架中間的凹槽，從而連接聚乙烯管子與周向掃査裝置。5)在裝置安裝完成之後，將是正式掃描工作，在選擇"控制"菜單下的"自動"命令或者按下手控板上的"自動"按鈕探頭，將自動掃描聚乙烯管道接頭，掃描完成後顯示結果。如果中途要停止掃描按下"ESC"鍵或者手控板上的"手動"按鈕即可。掃描完一個接頭後選擇"控制"菜單下的"復位"命令探頭將提起在復位點。6)自動掃描完成之後就有了掃描圖像可以對圖像進行分析，圖像分析帶有圖像放人、位置測定、尺寸測量等功能。本發明採用組合成像的方法，提供二維C圖像中的各點的詳細信息。通過聚乙烯管道對接接頭的C掃描圖像可以確定接頭中缺陷的位置，並可以根據該圖像大致確定接頭中缺陷的類型。為驗證本發明對聚乙烯熱熔對接接頭缺陷檢測的可靠性，加工了聚乙烯1#超聲檢測對比試塊、2#超聲檢測對比試塊和大量帶有典型缺陷的聚乙烯熱熔對接接頭試樣，解剖缺陷試樣驗證其可靠性。對聚乙烯超聲檢測W對比試塊02X40長橫孔分別採用本發明(耦合聚焦方法)和接觸法斜波技術進行超聲檢測，在同樣的增益設置條件下，檢測靈敏度對比；從圖14可以判斷，採用耦合聚焦方法對①2X40長橫孔反射信號A(圖14中的左圖)比接觸法斜波技術的長橫孔反射信號B(圖14中的右圖)高3倍以上，因此本發明檢測聚乙烯材料時具有較大的靈敏度和信噪比。為驗證本發明對體積型缺陷的靈敏度水平，對2^聚乙烯對比試塊中OlX6短橫孔(模擬體積型小缺陷)進行試驗；圖15中的左圖為深度為5mm時超聲檢測所獲得的反射信號C(36dB增益條件下)和增益下降6dB時得到的超聲波信號DG0dB增益條件下)，可以判斷可見本發明對缺陷的檢測靈敏度高於①lX6-6dB。採用本發明檢測缺陷時焦距基本不變，聲程基本相同，不同位置的聲壓差別主要取決於耦合劑和聚乙烯材料的聲衰減值。經測定，PE80聚乙烯管子45。方向超聲波衰減約為6dB/cm，採用甘油、水、水玻璃混合物配製的耦合劑超聲波衰減約為4dB/cm，兩者衰減值差異約為2dB/cm，如果聚焦探頭採用45°方向入射，兩缺陷在深度位置上相差10mm，其檢測靈敏度差別不到3dB，因此使用本發明對熔合區各位置的檢測靈敏度基本相同。為驗證本發明對不同位置缺陷的靈敏度水平，對2#聚乙烯對比試塊中深度分別為5mm、10mm、15mm的①1X6短橫孔進行試驗，所獲得的超聲反射信號見圖16。從圖16可以得出，5mm深度的①1X6短橫孔超聲反射信號E(圖16的左圖)與10mm深度的OlX6短橫孔超聲反射信號F(圖16的中圖)相差不到2dB，與15mm深度的OMX6短橫孔超聲反射信號G(圖16的右圖)相差約3dB，與理論分析相一致。如果是表面面積型缺陷，可以利用端角反射實現檢測，靈敏度較高，0.3mm、0.5mm自身高度的表面裂紋所得到的端角反射信號分別見圖17中的H(圖17的左圖)和I(圖17的右圖)。可見本發明對表面面積型缺陷有較高的檢測靈敏度。如果是內部裂紋，如果裂紋尺寸較小，裂紋反射波有一定的指向性，聚焦探頭接收裂紋的反射波，從而形成缺陷顯示。本發明對小裂紋有很高的檢測靈敏度，能夠檢出自身高度為1.0mm、位於接頭中間的裂紋；圖18為本發明檢測自身高度為1.0mm的裂紋J(圖18的左圖)所得到的反射信號K(圖18的右圖)。採用本發明還能夠檢測聚乙烯管道熱熔對接接頭未熔合缺陷，檢測原理是利用聚焦探頭捕捉端點衍射信號；圖19為耦合聚焦方法捕捉到的未熔合端點衍射信號L。由於聲能集中，耦合聚焦方法捕捉到的未熔合端點衍射信號要高於TOFD技術，圖20中M(圖20的左圖)是耦合聚焦方法捕捉到的未熔合端點衍射信號，N(圖20的右圖)為TOFD技術捕捉到的端點衍射信號，兩者對比，可見耦合聚焦方法對未熔合缺陷檢測的信噪比要高於TOFD技術。根據聚乙烯超聲檢測對比試塊和大量帶有典型缺陷的聚乙烯熱熔對接接頭試樣的對比試驗，系統比較了耦合聚焦方法、接觸法斜波技術和TOFD技術對200810121786.7聚乙烯熱熔對接接頭缺陷的檢測靈敏度、檢測分辨力、定位精度、定量精度、自身高度測量精度、信噪比、檢測未熔合能力。並通過解剖驗證耦合聚焦方法各個指標均優於傳統的接觸法斜波技術，個別指標(檢測靈敏度、信噪比)甚至優於美國能源部核管理委員會(NRC)採用的TOFD技術。上述三種方法的檢測能力對比結果見表l。表1各方法的檢測能力對比結果tableseeoriginaldocumentpage22權利要求1、聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測方法，按以下方法實現1)採用耦合劑液體，耦合劑的聲速2000-2300m/s，聲阻抗在2.0×106kg/m2.s-2.7×106kg/m2.s；耦合劑直接定位在被檢管道接頭熔合區的外表面；2)超聲波探頭採用球形曲晶片，該超聲波探頭浸沒在耦合劑液體中，使焦點定位於聚乙烯管道接頭熔合區的中線，以使聲束能夠聚焦到原焦點位置或其附近；3)超聲波探頭作兩個方向的掃查運動沿著被檢管道直徑方向進行直線掃查運動以及沿著被檢管道圓周方向進行勻速掃查運動；使探頭焦區始終覆蓋聚乙烯管道接頭熔合區；採用C掃描實時成像設備，按設定的路徑作空間掃描；探頭獲得的超聲信號數據送入計算機進行處理後形成C掃描圖像。2、根據權利要求1所述的聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測方法，其特徵在於所述的耦合劑包括以下成分及體積百分比甘油55-65、水玻璃30-40、水3畫8，消泡劑適量。3、根據權利要求3所述的聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測方法，其特徵在於所述的耦合劑包括以下成分及重量份甘油60、水玻璃35、水5，消泡劑適量。.4、根據權利要求2或3所述的聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測方法，其特徵在於還配有耦合劑補充裝置，以自動補償所損失的耦合劑。5、權利要求1所述的聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測裝置，包括1)超聲波探頭(6);2)機械掃査裝置；包括管道周向勻速運動裝置，該裝置安裝在管道周向外部被檢區域旁邊，以帶動耦合盛裝裝置繞管道周向運動進行超聲掃査；3)信號處理與控制系統；控制掃描裝置和聚焦探頭，並接收掃描位置信息與超聲波信號，以高速處理形成C掃描圖像；4)計算機；實現實時成像並應用軟體對圖像進行分析；其特徵在於該檢測裝置還配有耦合盛裝裝置；耦合盛裝裝置的內腔中密封盛滿耦合劑，並且該裝置的底端部位與被檢區域的外部曲面相適合以達到良好的曲面匹配效果；所述的超聲波探頭(6)採用球形曲晶片(6-1);該探頭定位在耦合盛裝裝置的內腔中，且在耦合劑液體浸沒狀況下發射和接收超聲波，並形成聚焦聲場；所述的機械掃査裝置還包括一上下往復運動機構，該機構包括由直線動力機構帶動的探杆(22)，探頭固定在探杆的一端，以使探頭沿著被檢管道的直徑方向往復運動。6、根據權利要求5所述的聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測裝置，其特徵在於所述的耦合盛裝裝置的底端制有敞口(15-1)，敞口的邊沿與管道被檢區域外部曲面形狀相適合，以使耦合劑直接定位布滿在被檢管道接頭熔合區的外表面；敞口的整個邊沿還固定彈性材料(17)，以堵塞與被檢管道接頭熔合區的外表面的間隙，減少裝置內耦合劑的洩漏。7、根據權利要求6所述的聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測裝置，其特徵在於所述的直線動力機構是直線步進電機(18)。8、根據權利要求7所述的聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測裝置，其特徵在於所述的耦合劑補充裝置包括密閉的盛裝殼體(38)和加壓用的充氣筒(16)。9、根據權利要求8所述的聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測裝置，其特徵在於所述的彈性材料是海綿。全文摘要本發明涉及一種聚乙烯管道熱熔對接接頭焊接質量的檢測方法及檢測裝置。目的是提供的檢測方法及檢測裝置應具有靈敏度高、檢測精度高、可靠性高的特點，且檢測效率較高，操作失誤率低。技術方案是聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲檢測方法，按以下方法實現1)使耦合劑液體定位在管道接頭熔合區外表面；2)採用球形曲晶片的超聲波探頭浸沒在耦合劑液體中，使焦點定位於管道接頭熔合區的中線；3)超聲波探頭沿著管道直徑方向進行直線掃查運動以及沿著管道圓周方向進行勻速掃查運動；獲得的信號數據由計算機處理後形成C掃描圖像。超聲檢測裝置包括耦合盛裝裝置、採用球形曲晶片的超聲波探頭、機械掃查裝置、信號處理與控制系統和計算機。文檔編號G01N29/265GK101393170SQ20081012178公開日2009年3月25日申請日期2008年10月18日優先權日2008年10月18日發明者丁守寶,施建峰,鄭津洋,郭偉燦申請人:浙江省特種設備檢驗研究院;浙江大學