Nonlinear ultrasonic evaluation method for thermal oxygen aging of gas PE pipe
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摘要:
聚乙烯（PE）管道广泛用于输送城市高压燃气,服役环境恶化引起的加速老化可导致管道的无预期破坏,严重影响人民的生命财产安全。针对此问题,提出了PE管道老化的非线性超声检测方法,构建PE管非线性水浸超声检测系统,并通过试验方法优化了检测参数；提取不同老化程度管材的非线性超声检测特征参数,建立了管材老化程度的非线性超声检测特征表征模型。试验结果表明：适当调整水距可接收到稳定的检测信号,非线性超声检测系数随老化程度的加深显著增大;可据此形成管道老化程度的非线性表征模型,以用于PE管热氧老化的无损检测。
Abstract:Polyethylene pipeline is widely used to transport high pressure gas in cities. The accelerated aging caused by the deterioration of service environment can lead to unexpected damage of the pipeline, which seriously affects the safety of people's lives and property. In this paper, a nonlinear ultrasonic detection method for PE pipe aging was proposed, and a nonlinear ultrasonic detection system for PE pipe flooding was constructed, and the detection parameters were optimized by test method. The characteristic parameters of nonlinear ultrasonic detection of pipes with different aging degrees were extracted, and the characteristic characterization model of nonlinear ultrasonic detection of pipes with different aging degrees was established. The results showed that a stable detection signal can be received by adjusting the water distance properly, and the nonlinear ultrasonic detection coefficient increases significantly with the increased of aging degree, which can be used to form a nonlinear characterization model of aging degree, which can be used for non destructive testing of thermal oxygen aging of PE pipes.
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聚乙烯管道（PE管）因其力学性能优异、耐腐蚀、柔韧性好等优势,在燃气管道以及工程建设等领域中得到了大量应用[1-2]。管道外部温度升高会导致聚合物发生分子链基团的脱落,在氧气环绕的条件下,分子链上的基团发生氧化反应,造成分子链断裂,最终使材料发生脆化、硬化或者折断现象。PE管在外部应力或复杂环境作用下,热氧老化会加速,严重时导致管道的无预期破裂和爆炸,造成巨大的损失[3]。因此,有必要通过无损检测技术对热氧老化引起的管道力学性能退化进行定期检测[4-5]。然而,PE管老化程度主要采用破坏性方法（如静液压试验法、拉伸试验法、热稳定性试验法等）进行检测。YUAN等[6]基于力学性能试验分析了管道的破坏机理。王洋[7]对不同热氧老化程度的燃气聚乙烯管道进行了拉伸性能试验,建立了基于拉伸测试的燃气聚乙烯管道承压热氧老化预测模型。无损检测技术主要用于PE管焊缝的缺陷检测,如微波检测可判断出PE管的热熔接头是否含有缺陷,但较难区分缺陷的种类；红外热成像检测技术可通过工件表面的温度场分布检测缺陷,但易受温度、测量距离等因素的影响；端点衍射时差法（TOFD）的缺陷定性较复杂、横向缺陷检出率较低；超声相控阵技术对面积型和体积型的缺陷都有较好的检测效果[8-10]。非线性超声检测技术对组织结构不均匀、位错堆积及微裂纹萌生非常敏感[11-12]。张世玮等[13]建立了PE管超声非线性系数与力学性能的关系,表明非线性超声与管材老化后的力学性能退化具有相关性。
文章提出PE管道热氧老化程度的非线性超声检测方法,搭建了专用检测系统,分析非线性超声检测特征参数与PE管道老化程度的关联性。结果表明,从老化前后PE管管材提取的非线性超声检测特征参数具有明显的差异,随老化时间的增加而增大,可用于评价PE管道的热氧老化程度。
1. 非线性超声检测原理
材料的非线性声学响应程度一般采用有限幅度法进行评估。非线性超声检测原理为：激励产生的超声波信号在材料内传播时与其微观组织产生反应,导致超声回波出现波形的畸变（频谱分析中出现高次谐波）,通过分析此现象来对材料实施非线性检测。分析时,通过微绕法求解波动方程,设位移u 由线性位移解 u(0) 和非线性位移解 u(1) 两部分组成,即u = u(0) +u(1)。设发射端激发正弦波,将两个位移解的结果合并表示为[14]
(1) 式中：A2为二次谐波的幅值;x为传播距离；f1为基波频率；c为波速；A1为基波幅值。
A2可表示为
(2) 由于高次谐波的能量占比很小,非线性超声检测中一般只考虑二次谐波的成分,对于同组超声检测中由不同试件得到的同一处回波信号而言,其传播距离x、基波频率f1及波速c一般不会改变[15],则有
(3) 定义检测信号特征参数为基波幅度、二次谐波幅度、非线性系数,分析比较各特征参数在管材老化前后的变化情况。其中,非线性系数β 定义为
(4) 2. 试件制备
所用PE管材选择规格为DN110 SDR11 HD-PE100 XSC-50 的燃气管材,检测试件结构尺寸如图1所示,管材外径为110 mm,壁厚为10 mm,长为150 mm,沿直径剖取一半制成检测试件。
依据高温高湿环境老化试验要求制备加速老化试件。将多个聚乙烯管道试件置于热老化箱内,保持恒温80 ℃,老化时间分别为0,108,276,432,580,700,828,932,1 063,1 200,1 440 h。
3. 非线性超声检测方法
采用一发一收双探头布置方式,发射探头中心频率为1.25 MHz,接收探头中心频率为2.5 MHz,提取由管材底面反射的特征信号；对检测信号进行傅里叶变换,将检测信号的基波和谐波分离并计算二次非线性系数[16-17]。基于RITEC-RAM-5000 SNAP型非线性高能发射接收仪搭建聚乙烯老化检测系统。系统工作过程为：脉冲周期为4、幅度为720 V的正弦波激励信号经阻抗匹配后进入1.25 MHz低通滤波组合以滤除系统高频谐波干扰,激励发射探头发射超声波入射至PE管内壁；超声波经管材内壁反射后被中心频率为2.5 MHz的探头接收,经三通管分离成两路电信号,一路为基波信号,另一路为二次谐波信号,后者经1.25~2.50 MHz带通滤波器滤波后经前置放大器放大20 dB输入至接收端,非线性超声检测方法示意如图2所示。设置水距H为10 mm,发射探头入射角度α为30°,发射接收探头的声束入射点间距L为27.6 mm,探头发射超声波经PE管内壁反射后到达接收探头的时间t为
(5) 式中：D为管材壁厚；H为水距；β为管中纵波折射角；CPE为管内纵波声速;Cw为水中声速。
分别提取水距为11.5,12.0,12.5,13.0,13.5,14.0 mm时的特征信号,分析水距对提取非线性超声检测系数的影响。相对非线性系数随水距的变化曲线如图3所示,可知非线性系数随水距的增加而减小。为了能够接收到较高的非线性超声检测特征参数,选用的水距为11.5 mm。
PE管材典型检测信号（基波信号和二次谐波信号）及其幅频分析如图4所示,由式(4)可得PE管内壁反射波的起波时间为29.73 μs,而实测基波信号处于29.85 μs附近,与理论值基本一致；谐波信号位于31.01 μs处、幅值为0.08 V；基波峰值频率和二次谐波峰值频率分别为1.22,2.44 MHz,二次谐波峰值频率约为基波频率的2倍。
4. 检测特征分析
超声波在材料内部的传播特性与材料的物理性质密切相关,当超声波经过材料后会携带其内部信息[18]。PE管材老化试验的检测信号特征图如图5所示,可见,随着老化时间的增加,PE管材的基波幅值下降,二次谐波幅值下降；由于二次谐波频率是基波的2倍,二次谐波在PE管中的衰减会更大。然而,试验结果显示二次谐波的减小程度小于基波的减小程度,非线性系数出现变化,分析其原因为：聚乙烯管道表面及内部出现孔洞、裂纹,超声波出现散射进而导致回波幅值下降；而随着老化程度的增加,聚乙烯的微观组织发生显著变化,超声非线性效应增强,材料内部新增了非线性响应源,致使材料衰减引起的二次谐波降低程度低于基波降低程度,导致非线性系数的增大。
完成非线性超声检测试验后,将试件切割成10 mm×18 mm×10 mm（长×宽×高）的长方体,采用扫描电子显微镜（SEM）对不同热老化时间的试件进行测试,观察其表面形貌的变化[19]。由于聚乙烯导电性能较差,测试前需进行喷金处理。完好试件经热老化后,表面出现随机分布的孔洞,裂纹；随着热老化时间的增加,孔洞和裂纹增多,如图6所示。微观层面来看,聚乙烯分子链在受热时会产生游离的自由基,迅速与氧反应形成过氧化物。过氧化物受热分解后与聚合物链结合形成新的自由基,进而改变聚合物的性质；组织结构的微观变化容易引起聚乙烯管道表面及内部出现无规律的孔洞及裂纹,导致非线性响应增强,即二次谐波增大。然而,孔洞及裂纹增大会使PE管内部的超声波散射增强,而使基波和二次谐波幅值均降低；但非线性响应会导致谐波滋生,使谐波整体的下降幅度小于基波下降幅度,即引起非线性系数增大。因此,非线性系数的增大反映的是老化程度加剧引起的聚乙烯管道组织结构的变化。
拟合算法具有准确度高、稳定性好、过滤性强等特点,被广泛应用于数据公式的合成中[20]。将管道老化时间T进行归一化处理,利用拟合算法拟合出热老化时间与超声非线性系数的关系。归一化管道老化时间TN可表示为
(6) 式中：Ti为材料不同热老化时间,Tmax为材料热老化时间的最大值。
拟合后有
(7) 式中：a的取值为0.231;b 的取值为0.116;c 的取值为0.037。
非线性系数与热老化程度拟合所得曲线如图7所示,其拟合优度为0.93,非线性系数对热老化程度有较高的敏感性。基于拟合处理建立了PE管老化程度的非线性超声表征模型,非线性检测特征参数与老化程度存在良好的关联性,利用非线性系数能检测PE管的热老化组织结构变化,进而可评估老化程度（时间）。
5. 结论
（1）提出了使用一发一收水耦合探头的PE管道老化程度的非线性超声检测方法,提取了PE管老化程度评估的非线性超声检测系数。
（2）非线性超声检测系数与PE管老化后出现的裂纹及孔洞缺陷密切相关,随老化时间及内部缺陷数量的增大而增大。
（3）采用线性回归运算对热老化程度与非线性系数进行拟合,拟合优度为0.93,非线性系数对热老化程度有较高的敏感性,可建立PE管老化程度的非线性超声表征模型,用来评价PE管材的热老化程度。
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