钱盛杰 应家仪 高 星 沈成业 王 杜

（宁波市特种设备检验研究院）

塑料具有质量轻、耐蚀性好、使用寿命长且易于安装的优势，塑料板材和管材已大量应用于非金属压力容器和燃气管道的制造中，工程上常采用的材料有聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯塑料（ABS）及高密度聚乙烯（HDPE）等热塑性塑料。 塑料在特种设备领域中的应用正在不断地普及，如：压力容器、压力管道、钢制容器和管道的衬里。 由于塑料制品的生产工艺和技术水平还不够完善，在生产过程中容易产生制造缺陷，影响其使用安全［1］。无损检测等手段可以对塑料产品质量进行有效地检测，有助于及时发现和处理安全隐患。 因此，对塑料的无损检测研究具有重要的意义。

国内对塑料设备的无损检测已有一定研究，但无损检测手段还不够成熟、完善，而且相对缺乏经验。 随着在聚乙烯燃气管道、塑料容器等方面推出了一些可行的无损检测技术，获得了不少试验和应用数据，制定了我国塑料设备的一系列标准，如JB/T 10662—2013《无损检测 聚乙烯管道焊缝超声检测》、GB/T 33488—2017《化工用塑料焊接制承压设备检验方法》等。 塑料设备的常见检测方法有超声检测、射线检测、声发射检测及红外热成像检测等。 其中，超声检测因具有检测灵敏度高、效率高及安全无害等优点，被许多学者深入研究。 沈振等利用超声波无损检测对无规共聚聚丙烯（PP-R）塑料管道进行测厚，发现该方法具有精度更高、误差更小等优点，能满足塑料管道壁厚的测量［2］。 王卉等研究了超声聚焦检测技术对PE管电熔接头各类缺陷的检测能力，采用相控阵超声技术和B扫描实时成像超声检测技术对大量含缺陷接头进行检测，发现该方法具有较高的检测灵敏度和精度［3］。目前，针对塑料的超声检测的主要手段有常规超声检测和相控阵检测， 而利用TOFD技术进行塑料设备的检测还鲜有报道。

TOFD技术最早始于20世纪70年代， 由英国原子能管理局国家无损检测研究中心的Silk M G率先提出［4］。TOFD检测技术已广泛应用于石油化工行业，它能满足多种缺陷的识别、定位和定量要求。 TOFD检测方法比常规的超声脉冲反射法测量精度高，TOFD检测缺陷端点的衍射信号可以清晰地呈现在TOFD检测图谱中。 因此，能够精确测量缺陷的埋藏深度及其自身高度，工程实际检测精度可达到1mm，实验室检测人工缺陷的精度最高可达0.1mm［5］。为此，笔者将TOFD技术应用于HDPE和PVC两种塑料材料的检测中，并进行了CIVA仿真研究。

1 TOFD检测基本原理

衍射时差法，简称TOFD，是一种采用由被检工件内部结构的端角和端点处得到的衍射信号来检测缺陷的方法［6］。 该方法采用探头的一发一收工作方式，检测时发射探头和接收探头按一定的间距相向放置， 入射角的范围一般为45～70°，两个探头为两个频率、 尺寸相同的纵波斜探头。发射探头产生的纵波斜入射到工件中，一部分波沿着工件表面传播并被另一个探头所接收（称为直通波）、一部分波是经底面反射（底面反射波），若工件中存在缺陷，在上述两个回波之间还会接收到缺陷上、下两个端点的衍射波。 TOFD检测与回波信号的幅值无关，而是根据衍射波的传播时间来实现缺陷的定位和定量。 如图1所示，两个探头的中心间距（PCS）为2S，缺陷上端点的埋藏深度为d1［7］，缺陷自身高度为h，纵波的波速为c，超声传播总时间为T， 探头楔块中的超声传播时间为t0。

图1 计算缺陷深度的平面几何图形

由图1中的几何关系可知：

由式（1）可计算出缺陷上端点的埋藏深度d1，假设缺陷下端点的埋藏深度为d2， 同理可计算得到d2，则缺陷的自身高度h为：

若缺陷刚好处于两个探头的中心线上，则x=0，化简式（1）可得缺陷上端点的埋藏深度d1为：

2 CIVA仿真研究

2.1 塑料特性及探头设置

在氯碱制造行业中， 常采用PVC管道代替金属管道输送强酸和强碱介质。 HDPE管道具有极强的防腐和防锈性能，在石油化工、电力及采矿等行业中， 这种材料已取代部分钢管。 近年来，HDPE管道应用于核能相关的冷却水系统， 为了保证核能设备的安全使用，该管道的无损检测尤为重要。

塑料材料与金属材料的声学特性差异较大，HDPE和PVC的声学参数列于表1， 其声学特性会使检测难度增大。 如果两种塑料材料的声学阻抗和声速与常用于超声楔块中的材料相似，要使声束在界面上产生适当的折射就很困难。 楔块内材料的声速大小会影响TOFD图谱的判读， 若楔块内材料声速大于工件声速， 则在TOFD图谱中无法形成直通波信号， 对缺陷的定位也会造成困难。 常见的两种塑料楔块材料——ABS和PS的声速分别为2 050m/s和2 250m/s，显然ABS的声速小于HDPE和PVC的声速，而PS的声速介于HDPE和PVC之间。 因此，采用PS材料作为楔块检测HDPE时会产生直通波丢失现象。 此外，HDPE和PVC两种材料与金属相比，具有很高的声衰减性，因此在这两类材料的检测中通常不能使用较高的超声频率。 为了克服这些困难， 笔者采取频率为10MHz、 带宽为70%的探头安装在ABS楔块上完成检测。

表1 HDPE和PVC两种材料的声学参数

2.2 试块的制作

采用TOFD对HDPE和PVC材料制作的3块对比试块分别进行检测，并对其缺陷（表2）进行仿真。 通过模拟4种缺陷的TOFD检测图谱，确定采用的TOFD探头布置参数。 图2为4种缺陷类型在CIVA对比试块中的建模图。

2.3 HDPE材料检测仿真

10mm 厚HDPE 板 选 用10MHz 探 头，PCS 为13.33mm，楔块材料为ABS，角度为60°，增益为底波满屏后再加21dB。 如图3所示，缺陷信号从左到右分别为表面开口裂纹、横孔和底面开口裂纹。 表面开口裂纹直通波断开；横孔的缺陷信号和上、下尖端的信号均能看到； 底面开口裂纹底面波有明显变化，能看到底面开口裂纹的上端衍射信号。

图2 CIVA对比试块建模

20mm 厚HDPE 板 选 用10MHz 探 头，PCS 为38.00mm，楔块材料为ABS，角度为60°，增益为底波满屏后再加30dB。 如图4所示，缺陷信号从左到右分别为表面开口裂纹、14mm深横孔、8mm深横孔和底面开口裂纹。 表面开口裂纹直通波断开；两个横孔的缺陷信号和上、下尖端的信号均能看到；底面开口裂纹底面波有明显变化，能看到底面开口裂纹的上端衍射信号。

图3 10mm厚HDPE材料仿真

40mm 厚HDPE 板 选 用10MHz 探 头，PCS 为60.00mm，楔块材料为ABS，角度为60°，增益为底波满屏后再加42dB。 如图5所示，缺陷信号从左到右分别为表面开口裂纹、30mm深横孔、10mm深横孔和底面开口裂纹。 表面开口裂纹处的直通波有明显变化， 但在此参数设置下无法测量深度；两个深横孔的缺陷信号均能看到；能发现底面开口裂纹。 另外，若要具体测量缺陷信息，则需要更换参数，该材料大厚度的工件应做分区检测。

2.4 PVC材料检测仿真

10mm 厚PVC 板 选 用10MHz 探 头，PCS 为13.33mm，楔块材料为ABS，角度为60°，增益为底波满屏后再加30dB。 如图6所示，缺陷信号从左到右分别为表面开口裂纹、 横孔和底面开口裂纹。表面开口裂纹直通波断开，但是看不到下尖端衍射信号；横孔的缺陷信号和上、下尖端的信号均能看到，可以测量深度；底面开口裂纹能看到上端衍射信号和底面断开部位，可以测量深度。

图4 20mm厚HDPE材料仿真

图5 40mm厚HDPE材料仿真

图6 10mm厚PVC材料仿真

20mm 厚PVC 板 选 用10MHz 探 头，PCS 为38.00mm，楔块材料为ABS，角度为60°，增益为底波满屏后再加30dB。 如图7所示，缺陷信号从左到右分别为表面开口裂纹、8mm深横孔、 底面开口裂纹和14mm深横孔。 表面开口裂纹能清晰看到表面波的断开，但无法看到下端衍射信号，无法测量深度；两个横孔的缺陷信号可以发现并能测量深度，能看到上、下端衍射信号。 底面开口裂纹可以看到底面断开和上端衍射信号，缺陷信号可以发现并能测量深度。

图7 20mm厚PVC材料仿真

40mm 厚PVC 板 选 用10MHz 探 头，PCS 为38.00mm，楔块材料为ABS，角度为55°，增益为底波满屏后再加36dB。 如图8所示，缺陷信号分别为表面开口裂纹、10mm深横孔、 底面开口裂纹和30mm深横孔。 所有缺陷均能发现，但在此参数设置下无法测量深度。 因此，检测此厚度工件时，应进行分区检测：小PCS检测上半部分；大PCS检测下半部分。

图8 40mm厚PVC材料仿真

2.5 仿真总结

TOFD检测技术能有效地检测出一定范围内的上、 下表面缺陷和埋藏缺陷，HDPE和PVC材料的对比试块缺陷检出情况列于表3。 对于塑料材料来说， 工件内外表面缺陷可由TOFD技术进行检测，厚度大的工件需要分区进行检测。 另外，本次仿真是在底波满屏后再增加30～50dB不等的增益，但这与实际检测的噪声水平和仪器的增益范围有关，如不能满足，则可能导致部分缺陷无法检出。

表3 对比试块缺陷检出情况

3 结论

3.1 TOFD 检测技术能有效地检测出HDPE 和PVC两种塑料材料一定范围内的上、 下表面缺陷和埋藏缺陷，并能实现缺陷的精确定位和定量检测。

3.2 TOFD检测塑料材料时，应选择合理的楔块，使楔块声速小于被检塑料的声速，以免发生直通波丢失的现象。

3.3 CIVA软件中可以设置不同厚度、 不同类型缺陷的塑料TOFD检测对比试块， 并能模拟其超声波、人工缺陷和工件结构的作用，形成TOFD图谱。