高密度聚乙烯管材是一种以聚乙烯为原材料的高分子有机材料，被普遍应用在市政给排水、管材修复、室外埋地给水、水处理工程管道等系统中，是一种比较成熟的塑料压力管道材料。在天然气输送管道的建设中，近年来高密度聚乙烯管道也得到了十分广泛的使用，而且由于这类管道相比金属更耐腐蚀，所以在海水淡化、核电站冷却水循环等方面也得到了广泛使用。但是这类管材的使用热熔焊接可能存在缺陷，为了能够确定缺陷的位置，需要使用有关检测技术进行检测，开展对缺陷的控制和质量验证。
一、高密度聚乙烯管道的热熔焊接
在使用高密度聚乙烯管道时，需要使用焊接工艺进行管材的连接，焊接方式包括电熔和热熔两种，其中热熔方式中会将两根高密度聚乙烯管道同时设置在热熔器夹具上，让管材的断面和热熔板贴合，在达到预设温度之后将加热板抽出，对管材施加压力让两个管材充分贴合，最终完成焊接[1]。在焊接过程中，周围的各种条件因素都会影响最终的焊接质量，包括焊接过程中的熔合效果，是否存在夹渣、气孔等，都会导致缺陷的出现。
二、PAUT检测和TOFD检测
高密度聚乙烯材料具有声速小，衰减系数大的升学特点，管道内纵波的声速一般在2100-2670m/s的范围内变化，同时检测频率不同衰减系数也会有比较大的区别。由于高密度聚乙烯声学性质的影响，以及焊接中其他因素的原因，使用常规超声波检测法会比较困难，为此通过使用相控阵超声法（PAUT）和衍射时差检测法（TOFD）检测热熔焊缝是否存在缺陷具有比较好的效果[2]。
（一）PAUT检测
PAUT检测的全称是相控阵超声检测技术，该技术使用多阵元换能器激发和接收超声波，通过控制换能器阵列中的阵元发射和接收脉冲的时间，改变声波到达物体内某一点的相位关系，最终完成超声波波束的扫描、偏转和聚焦，通过将机械扫描和电子扫描结合，可以满足多种不同的成像需求。目前使用相控阵超声可以同时进行多组A扫描、S扫描、B扫描和C扫描，而且可以根据需要生成组合视图[3]。C扫描的图像在扫描的过程中就可以观察，获得的扫描数据还能进行可视化数据生成，方便进行观察和分析，同时利用多个信号来分析被检测物体的特征，也能对缺陷的分析提供比较全面的支持。
在进行高密度聚乙烯管道进行检测时，一般使用2.25MHz频率的探头开展检测工作，以超声声速为2345m/s、超声波衰减系数为1.2dB/mm的焊接测试件为例。检测中需要结合管材的壁厚设定聚焦，并且要在检测之前进行相控阵声场模拟，确定激发的晶片数量和角度，确定聚焦的法则和具体参数。对于25mm壁厚的管材，在检测工作中需要使用频率为2.25MHz的超声波，以及64晶片探头和倾斜角为35°的水耦合砌块，检测时，一次性激发20个晶片，起始晶片为第4个晶片，用聚焦法则设置纵波扇形稍差，探头的步进偏移控制为2mm，最终获得45°到89°的扇扫角度，声束的入射电在步进方向需要尽可能和焊缝靠近，从而减小表面的盲区，下图为声场模拟[4]。
图1 对壁厚25mm的高密度聚乙烯管材相控阵检测聚焦法则声场模拟
（二）TOFD检测原理
TOFD使用两个相同宽频带窄脉冲探头进行检测，一个探头负责发射脉冲，另一个探头负责接收脉冲，检测时需要将两个探头相对于焊缝的中心进行对称布置[5]。发射探头会产生非聚焦波纵波波束，并在一定的角度范围入射到被检测工件中，部分波束会沿着表面传播，被接收探头接收，还有一部分在被底面反射之后被探头接收。超声波波束经过缺陷的尖端时会产生衍射，而接受探头就可以通过接收产生的衍射信号确定缺陷的位置，以及缺陷的深度，完成缺陷的定位以及对缺陷的尺寸的判断。使用TOFD技术可以进行A扫描、B扫描，使用B扫描的时候，可以观察到焊缝的截面图，所有的检测数据可以被储存起来，用于后续的进一步的缺陷分析[6]。
检测时使用频率为2.25MHz频率进行检测，使用晶片直径为6mm的探头，以及倾斜角度为32°的水楔块，结合管材25mm的壁厚，设置聚焦为16.7mm，使用TOFD技术检测的声场模拟如下图所示。
图2 高密度聚乙烯管材TOFD检测探头聚焦法则声场模拟
三、PAUT和TOFD的检测过程
分别进行尺寸为110mm×10.5mm、115mm×17mm、168mm×25mm三种规格的管件进行检测，按照PAUT方法设置编码记录器的位置，在检测时，使用水作为耦合介质，并以一定的角度入射超声波波束，之后通过楔块的偏转进入到工件中，结合现场的声场模拟确定工艺和调试设备，并利用链式扫查器对探头进行固定，检测时调整探头的偏移值，最终将检测的结果储存。其中管件1有12个人工缺陷，管件2有7个人工缺陷，管件3有9个人工缺陷。检测中发现，对于以上三个管件的28处缺陷，使用PAUT技术和TOFD技术都能获得检测结果，但是检测位置的准确性还有待提升，使用PAUT技术获得的缺陷长度相对更长。
结束语
高密度聚乙烯材料的声速低，而且具有非常大的衰减，对其热熔焊缝进行检测时，可以使用TOFD和PAUT两种技术进行检测，可以获得较为直观的检测结果，其中TOFD技术能实现A/B显示，使用PAUT技术可以实现A/B/C/S等多视图显示。两种方法都能获得缺陷的位置，但是在对缺陷进行准确定位上还存在一定的不足，所以很难进行定量、定性分析，需要继续对检测技术进行完善，以满足管道施工的需要。随着高密度聚乙烯管材使用不断变得更加广泛，以及施工要求的提升，需要综合使用多种技术进行管材的检测工作，确定热熔焊缝是否存在缺陷，并不断继续完善焊接和检测工艺。
参考文献：
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[4]金颂勤,郑莉虹. 在聚乙烯燃气管道接口上推行无损检测[C]//中国城市燃气协会安全管理工作委员会.2022年第五届燃气安全交流研讨会论文集（上册）.2022年第五届燃气安全交流研讨会论文集（上册）,2023:79-82.
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[6]陈宝龙,李宝超.高密度聚乙烯热熔焊缝的PAUT和TOFD检测[J].无损检测,2019,41(06):60-63.
