Page 78 - 无损检测2024年第五期
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张 琦, 等:

   燃气 PE管热氧老化的非线性超声评价方法

   管在外部应力或复杂环境作用下, 热氧老化会加速,                            由于高次谐波的能量占比很小, 非线性超声检
   严重时导致管道的无预期破裂和爆炸, 造成巨大的                           测中一般只考虑二次谐波的成分, 对于同组超声检
   损失  [ 3 ] 。因此, 有必要通过无损检测技术对热氧老                    测中由不同试件得到的同一处回波信号而言, 其传



   化引起的管道力学性能退化进行定期检测                     [ 4-5 ] 。然  播距离 x 、 基波频率          及波速c 一般不会改变         [ 15 ] ,
                                                                       f 1
   而, PE 管老化程度主要采用破坏性方法( 如静液压                        则有
   试验法、 拉伸试验法、 热稳定性试验法等) 进行检测。                                               /  2               ( 3 )
                                                                      β ∝A 2 A 1
   YUAN 等   [ 6 ] 基于力学性能试验分析了管道的破坏                     定义检测信号特征参数为基波幅度、 二次谐波
   机理。王洋      [ 7 ] 对不同热氧老化程度的燃气聚乙烯管                 幅度、 非线性系数, 分析比较各特征参数在管材老化
   道进行了拉伸性能试验, 建立了基于拉伸测试的燃                           前后的变化情况。其中, 非线性系数                β    定义为
   气聚乙烯管道承压热氧老化预测模型。无损检测技                                                   A 2
                                                                         β=                     ( 4 )
                                                                              2
   术主要用于 PE 管焊缝的缺陷检测, 如微波检测可                                                A 1
   判断出 PE 管的热熔接头是否含有缺陷, 但较难区                         2 试件制备
   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                           所用 PE 管材选择规格为 DN110SDR11HD-


   因素的影响; 端点衍射时差法( TOFD ) 的缺陷定性                      PE100XSC-50 的燃气管材, 检测试件结构尺寸如


   较复杂、 横向缺陷检出率较低; 超声相控阵技术对面                         图1所示, 管材外径为110mm , 壁厚为10mm , 长

   积型和体积型的缺陷都有较好的检测效果                    [ 8-10 ] 。非  为150mm , 沿直径剖取一半制成检测试件。
   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                                                         图1 试件结构

     材料的非线性声学响应程度一般采用有限幅度                                 依据高温高湿环境老化试验要求制备加速老化
   法进行评估。非线性超声检测原理为: 激励产生的                           试件。将多个聚乙烯管道试件置于热老化箱内, 保

   超声波信号在材料内传播时与其微观组织产生反                             持恒温 80 ℃ , 老化时间分别为 0 , 108 , 276 , 432 ,

   应, 导致超声回波出现波形的畸变( 频谱分析中出现                         580 , 700 , 828 , 932 , 1063 , 1200 , 1440h 。
   高次谐波), 通过分析此现象来对材料实施非线性检
                                                     3 非线性超声检测方法

   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       采用一发一收双探头布置方式, 发射探头中心


   成, 即u =u +u 。设发射端激发正弦波, 将两                        频率为1.25MHz , 接收探头中心频率为2.5MHz ,
                    ( 1 )
               ( 0 )
   个位移解的结果合并表示为             [ 14 ]                   提取由管材底面反射的特征信号; 对检测信号进行
                 ( 1 )
      u ( u ( 0 ) + u ) A 1 sin [ 2π f 1 xc- t )] +  傅里叶变换, 将检测信号的基波和谐波分离并计算
                                 (/
                    =

            A 2 cos [ 4 π f 1 xc ) t )] …     ( 1 )  二次 非 线 性 系 数     [ 16-17 ] 。基 于 RITEC-RAM-5000
                        (/
                                   +
                             -
           为二次谐波的幅值; x 为传播距离;                  为     SNAP型非线性高能发射接收仪搭建聚乙烯老化检
   式中: A 2
                                           f 1
                        为基波幅值。                       测系统。系统工作过程为: 脉冲周期为 4 、 幅度为
   基波频率; c 为波速; A 1

          可表示为                                       720V 的 正 弦 波 激 励 信 号 经 阻 抗 匹 配 后 进 入
       A 2
                              2
                                   2
                     2       )/( 2c )         ( 2 )  1.25MHz低通滤波组合以滤除系统高频谐波干
               A 2=A 1 β x ( π f 1
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          2024年 第46卷 第5期
          无损检测
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