本发明涉及聚乙烯管检测技术，具体涉及一种考虑聚乙烯声衰减和频散效应的相控阵超声检测方法。
背景技术：
相比传统的金属管道，PE管具有优越的耐腐蚀性能，在油气输送领域已有数十年的应用经验。近年来，PE管逐渐被应用于核电站外围冷却水输送系统，如美国Callaway、中国三门等核电站。接头是PE管线上最薄弱的环节，根据焊接工艺其可分为热熔对接接头和电熔接头。在焊接过程中，PE管接头可能会产生缺陷，进而影响核电站的安全运行。因此，ASME规范案例N-755规定核电站PE管在投入使用前需进行目视检验和水压试验。然而，目视检验只能检测表面缺陷，水压试验只能检测出贯穿裂纹。因此需要借助无损检测技术检测PE管内部埋藏缺陷。
在现有无损检测手段中，相控阵超声检测具有便携、实时成像和灵敏度高等优点，已被成功应用于公称直径为40-400mm的燃气、给水PE管的缺陷检测，形成了相应的无损检测和安全评定的国家标准，分别为GB/T 29461-2012和GB/T 29460-2012。核电PE管相控阵超声检测通常采用阵元线性排列的探头，每个阵元均可独立发射超声波。相控阵聚焦通过设置延迟时间激励相控阵探头各个阵元，改变由各阵元发射声波到达物体内某点时的相位关系，实现多个波的相干叠加，使检测区域超声能量更强、成像更清晰。因此，相控阵超声检测的核心是确定阵元延迟时间，现有的相控阵超声检测仪器假设材料中超声传播速度恒定，传播过程波形不发生变化，进而以声程差与声速的比值作为阵元延迟时间的确定依据。
由于PE为黏弹性材料，超声波在PE管中传播时会发生衰减和频散，表现为声衰减系数和相速度随超声频率变化而变化。申请人前期针对PE声学性能进行研究，在理想波动方程的基础上增加衰减项，得到了符合超声在PE中传播规律的波动方程，并通过数值计算解析出了超声在PE中传播时的声压时空分布。通过观察声压时空分布可以发现，衰减会导致声强降低，频散会使信号周期变长、波峰偏移，且衰减和频散效应会随传播距离增加而累积。现有的相控阵超声检测技术忽略了PE的声学特性，采用的延迟时间计算方法无法实现波的相干叠加，进而影响声束聚焦，导致焦点处声强降低，影响检测效果。
出于操作效率和安全性能的考虑，核电站PE管具有大直径、大壁厚的特点。管道壁厚的增加会导致衰减和频散效应不断累积，相控阵聚焦声束无法覆盖PE管内部较深位置处，检测灵敏度和准确性都会下降。因此，需考虑PE声学特性，提出核电站PE管相控阵超声检测方法，改善聚焦进而提高成像精度和灵敏度。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种核电站PE管相控阵超声检测方法。
为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种核电站PE管相控阵超声检测方法，包括以下步骤：
(1)确认待测的PE管电熔接头或热熔接头的表面质量符合检测要求，清除PE管表面污物以避免对后续超声检测产生影响；
(2)将相控阵探头与相控阵超声波检测仪连接，在待检的PE管上涂覆耦合剂，将相控阵探头放置在PE管上；
(3)设置超声波检测仪的声速、声衰减常数、聚焦深度、扫查模式、孔径阵元数参数，通过计算各阵元延迟时间实现相控阵聚焦和偏转，进一步调整检测参数以获得目标检测区域的最佳成像效果；
考虑衰减和频散效应，各阵元延迟时间通过以下方式计算获得：
步骤A、计算各阵元基础延迟时间τ'i
式中，c0为PE管中超声波声速；li为各阵元中心距离焦点的距离；F为聚焦深度，即焦点与孔径中心的距离；τ0为延迟时间常数，目的是为了避免负的延迟时间出现；
步骤B、计算各阵元补偿延迟时间Δτi
Δτi＝-k(li-F) (2)
式中，k为考虑衰减和频散效应后的延迟时间补偿系数，单位s/m，其表达式如下式所示：
k＝3.91×10-4α0-1.23×10-6 (3)
式中，α0为声衰减常数，通过超声显微镜实验获得，对于PE管通常取0.17-0.26dB/(mm·MHz)；
步骤C、计算各阵元延迟时间τi
τi＝τ'i+Δτi (4)
基于上述计算获得的各阵元延迟时间τi，在超声波检测仪中设置为各阵元的延时时间并对阵元进行激励，改善设定焦点处的声束聚焦；
(4)在PE管上的某一位置处获得最佳检测参数后，沿PE管的截面周向移动相控阵探头实现PE管的全方位检测，在发现缺陷时记录缺陷方位和检测结果。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
本发明利用超声波检测仪和相控阵探头对核电站PE管进行检测，仪器采用的延迟法则考虑了PE的声衰减和频散效应，在传统延迟法则的基础上进行延迟补偿。克服了超声波传统延迟法则在PE中聚焦不佳的缺点，改善了检测效果。
附图说明
图1为核电站PE管电熔接头相控阵超声检测装置示意图；
图2为核电站PE管热熔接头相控阵超声检测装置示意图；
图3为延迟法则计算示意图；
图4为聚乙烯检测试块结构图；
图5为基于基础延迟时间聚乙烯相控阵超声检测结果；
图6为基于修正延迟时间聚乙烯相控阵超声检测结果。
附图标记：1相控阵超声波检测仪、2相控阵探头、3电熔接头、4热熔接头；
图3中各符号：N孔径阵元数、O孔径中心、li为各阵元中心距离焦点的距离、F为聚焦深度、θ为偏转角度。
具体实施方式
本发明提供一种核电站PE管相控阵超声检测方法，用于PE管的无损检测。
如图1(或图2)所示，核电站PE管电熔接头或热熔接头相控阵超声检测装置包括超声波检测仪1、相控阵探头2、电熔接头3(或热熔接头4)。通过在超声波检测仪1中设置检测参数，依据考虑PE声衰减和频散特性的延迟法则可计算出阵元延迟时间并激励相控阵探头2；相控阵探头2发射聚焦或偏转声束扫查电熔接头3或热熔接头4，接收PE管反射信号并传输至超声波检测仪1；超声波检测仪1处理接收的信号实现PE管内部可视化。
本发明中，相控阵超声检测装置的搭建与设置、PE管的缺陷识别或判断方式可分别参考2011与2014年浙江大学博士论文《聚乙烯管道电熔接头冷焊形成机理及其检测和评定方法》和《聚乙烯管道热熔接头超声检测技术研究及设备研制》。基于上述文献的说明，本领域技术人员能够知晓检测过程中的所有具体操作。本发明对此不再赘述。
具体测试与评判方法的步骤如下：
(1)检验待测的PE管电熔接头3或热熔接头4表面质量，清除PE管表面可能影响超声检测的污物。选择合适频率的相控阵探头2，按设备要求与相控阵超声波检测仪1进行连接。
(2)在待检的核电站PE管电熔接头3或热熔接头4表面涂覆耦合剂，将相控阵探头2放置在PE管上。检测PE管电熔接头3时，扫查模式可选择线性扫查扫或扇形扫查；检测PE管热熔接头4时，扫查模式选择扇形扫查。在超声波检测仪1中设置声速、声衰减常数、聚焦深度、孔径阵元数等参数，通过计算阵元延迟时间实现相控阵聚焦和偏转，从而进一步调整检测参数以便在超声波检测仪1上获得目标检测区域最佳成像效果。
如图3所示，考虑PE管中声衰减和频散效应，相控阵探头2孔径内阵元延迟时间τi可通过以下方式获得：
步骤A、计算各阵元基础延迟时间τ'i
各阵元基础延迟时间是以声速恒定的假设进行计算的，以聚焦深度作为参考点，利用声程差与声速的比值可得到各阵元基础延迟时间为
式中，c0为超声波声速；li为各阵元中心距离焦点的距离；F为聚焦深度；τ0为延迟时间常数，目的是为了避免负的延迟时间出现。
步骤B、计算各阵元补偿延迟时间Δτi
考虑衰减和频散效应，需在基础延迟时间上进行补偿。在PE管中，补偿延迟时间与传播距离呈线性关系，以聚焦深度作为参考点，可得到各阵元补偿延迟时间为
Δτi＝-k(li-F) (2)
式中，k为延迟时间补偿系数，其表达式如下式：
k＝3.91×10-4α0-1.23×10-6 (3)
式中，α0为声衰减常数，可通过超声显微镜实验获得，对于PE管通常取0.17-0.26dB/(mm·MHz)。
步骤C、计算各阵元延迟时间τi
τi＝τ'i+Δτi (4)
基于上述计算获得的各阵元延迟时间τi，在超声波检测仪1设置为各阵元的延时时间并激励相控阵探头2中的相应阵元，改善设定焦点处的声束聚焦；该操作是本领域技术人员均熟知的调整手段，本发明不再赘述。
(3)在核电站PE管电熔接头3或热熔接头4表面某一位置处获得最佳检测参数后，沿PE管的截面周向移动相控阵探头2实现PE管的全方位检测。发现缺陷时记录缺陷方位和检测结果。
实施例：
根据本发明提供的核电站PE管相控阵超声检测方法，可对核电站PE管实施无损检测。以某核电站外围冷却水输送PE管为例，该段PE管检测深度需达50mm，根据该要求加工聚乙烯检测试块，其结构如图4所示。某公司生产的相控阵超声检测仪，具有线性扫查、扇形扫查两种模式；可实现32通道接收，独立128通道发射，最大可支持128阵元的相控阵探头；同时还支持A/S/B/C等多种显示方式。相控阵探头中心频率2.0MHz，具有32阵元，阵元间距1.0mm，阵元宽度0.9mm，聚焦深度50mm、最大偏转角度45°，声衰减常数设置为0.20dB/(mm·MHz)，超声波纵波在PE中的传播速度为2450m/s。依据本发明提供的检测方法，可得到超声检测图谱，用于评估PE管系统安全。取延迟时间常数τ0＝4.0μs，根据以上参数计算得到各阵元的基础延迟时间和补偿延迟时间。当偏转角度为30°时，各阵元延迟时间计算过程如下。
步骤A、计算各阵元基础延迟时间τ'i
式中，c0＝2450m/s，τ0＝4.0μs，F＝50mm，li为各阵元中心距离焦点的距离；代入可以得到各阵元基础延迟时间，以前八个阵元为例，计算结果如表1所示。
表1相控阵检测各阵元基础延迟时间
步骤B、计算各阵元补偿延迟时间Δτi
Δτi＝-k(li-F) (2)
式中，F＝50mm，k为延迟时间补偿系数，其表达式如下式：
k＝3.91×10-4α0-1.23×10-6 (3)
式中，α0＝0.20dB/(mm·MHz)，代入得，k＝7.70×10-5s/m。
因此，考虑聚乙烯衰减和频散特性，补偿延迟时间如表2所示。
表2相控阵检测各阵元补偿延迟时间
步骤C、计算各阵元延迟时间τi
τi＝τ'i+Δτi (4)
考虑聚乙烯衰减和频散特性，各阵元延迟时间如表3所示.
表3相控阵检测各阵元补偿延迟时间
经阵元延迟时间修正后，利用基础延迟时间聚焦得到的检测结果如图5所示，利用修正延迟时间聚焦得到的检测结果如图6所示。可以看出，在30°位置处声能增加了5.3％。这说明，本发明的技术应用能够改善核电站聚乙烯管相控阵超声检测成像精度和灵敏度。