聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测.docx

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聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测

DB××/T×××.1-201×

燃气用聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测

第1部分：

通用要求

（征求意见稿）

DB××/T×××.1-201×

前言

《燃气用聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测》分为三个部分：

——第1部分：

通用要求；

——第2部分：

电熔接头检测；

——第3部分：

热熔接头检测。

本标准按照GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：

标准的结构和编写》给出的规则起草。

本标准为上海市地方标准。

本部分为第1部分：

通用要求。

本部分规定了燃气用聚乙烯管道电熔和热熔接头相控阵超声检测的一般要求。

本标准起草结合我国燃气用聚乙烯管道焊接接头缺陷检测及安全评定研究成果编写而成。

本标准由上海市质量技术监督局标准化技术委员会归口。

本标准起草单位：

本标准主要起草人：

DB××/T×××.1-201×

燃气用聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测

第1部分：

通用要求

1范围

本部分规定了燃气用聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测的一般要求。

焊接接头型式包括电熔连接接头、热熔对接接头。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证

GB/T12604.1无损检测术语超声检测

TSGZ6002-2010特种设备焊接操作人员考核细则

TSGZ8001-2013特种设备无损检测人员考核规则

NB/T47013.3-2015承压设备无损检测第3部分：

超声检测

3术语和定义

GB/T12604.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1晶片间距pitch

两个相邻晶片的同侧边或中心之间的距离（如图1）。

3.2晶片间隙spacebetweenelements/gapbetweenelements

两个相邻晶片间的间隙（如图1）。

图中：

a：

一个晶片的宽度；b：

一个晶片的长度；c：

晶片间距；d：

晶片间隙

图1线阵列相控阵控头参数

3.3激发孔径activeaperture

单次激发晶片组的总长度。

激发孔径长度：

L=n×c-d

式中：

L——激发孔径长度；n——激发晶片数量；c——晶片间距；d——晶片间隙。

3.4聚焦法则focallaw

通过控制激发晶片数量，以及施加到每个晶片上的发射和接收延时，实现波束的偏转和聚焦的程序。

3.5电子扫描electronicscan

也称为E扫描，指以电子方式实现对工件的扫查，即通过聚集法则实现波束的移动或角度偏转，使之扫过工件中被检测区域。

3.6线扫描electroniclinearscan

也称为线形扫描，以相同的聚集法则施加在相控阵探头中的不同晶片组，每组激活晶片产生某一特定角度的声束，通过改变起始激活晶片的位置，使该声束沿晶片阵列方向前后移动，以实现类似常规手动超声波检测探头前后移动的检测效果（如图2）。

图2用相控阵电子线扫描检测焊缝的示意图

3.7扇扫描electornicialsectorialscan

也称为变角度扫描，一般以软件方式实现，用一定的延时法则，激发相控阵探头中的部分相邻或全部晶片，使激发晶片组形成的声束在设定的角度范围内以一定的步进值进行连续角度变换，其数据显示为每一个角度的波束A扫描图像通过延迟和角度校正形成的2D图像（如图3）。

图3用相控阵扇形扫描检测的示意图

3.8机械扫查mechanicalscan

以机械方式实现对工件的扫查，即通过移动探头实现波束的移动，使之扫过工件中的被检测区域。

3.9沿线扫查mechanicalscanningalongtheline

相控阵探头晶片阵列方向与焊缝轴线垂直，前沿与焊缝轴线一定距离S，并保持该距离S不变，沿焊缝轴线方向移动探头扫查，以获得并记录声束覆盖范围内整条焊缝信息（如图4）。

图4沿线扫查示意图

3.10角度增益修正anglecorrectedgain

也称为ACG。

仪器对扇扫描中不同角度波束在同一声程处相同反射体的回波进行增益修正，使之达到相同幅值。

3.11距离增益修正distancecorrectedgain

也称为TCG。

仪器对不同声程处相同尺寸反射体的回波进行增益修正，使之达到相同幅值。

3.12坐标coordinates

相控阵检测规定的检测起参考点O点和X、Y和Z坐标的含义见图5。

图5坐标的定义

O：

设定的检测起始参考点；

X：

沿焊缝长度方向的坐标；

Y：

扫查面上沿焊缝宽度方向的坐标；

Z：

垂直于扫查面沿焊缝厚度方向的坐标；

3.13S型显示S-display

由扇形扫描声束组成的扇面形状的图像显示，图像中横坐标代表离开探头前沿的距离，纵坐标代表深度，沿扇面弧线方向的坐标代表角度。

焊缝检测时，S型显示显示的是探头前方焊缝的横截面信息（如图5）。

3.14B型显示B-display

工件的侧面投影显示方式，图像中横坐标代表声束移动的距离，纵坐标代表深度。

焊缝检测时，B型显示表示检测区域在图5中X-O-Z平面的投影。

3.15C型显示C-display

工件的平面投影显示方式，图像中横坐标代表声束移动的距离，纵坐标代表离开探头前沿的距离。

焊缝检测时，C型显示表示检测区域在图5中X-O-Y平面的投影。

3.16D型显示D-display

工件的与B面和C面都垂直的另一侧面投影显示方式，图像中横坐标代表离开探头前沿的距离，纵坐标代表深度。

焊缝检测时，D型显示表示检测区域在图5中Y-O-Z平面的投影，相当于扫查方向上所有S扫描的重叠。

4方法概要

4.1检测原理与特点

本标准提及的相控阵超声概念为工业探伤用相控阵超声技术，并简称为“相控阵”。

虽然相控阵超声检测技术属于脉冲反射法检测范畴，但是在声场特性、检测应用、信号处理与成像、性能和功能等许多方面，相控阵与常规脉冲反射法有很大不同。

相控阵超声使用的探头是由若干压电晶片组成阵列换能器，通过电子系统控制阵列中的各个晶片按照一定的延时法则发射和接收超声波，从而实现声束的扫描、偏转与聚焦等功能（如图5）。

图5相控阵原理图

利用扫描特性，相控阵技术可以在探头不移动的情况下实现对被检测区域的扫查；利用偏转特性，相控阵技术不仅可以在探头不移动的情况下实现对被检测区域的扫查，而且可以同时激发多角度声束对检测区域进行较大面积覆盖，从而提高检测效率及缺陷检出率；利用聚焦特性，相控阵技术可以提高声场信号强度、回波信号幅度和信噪比，从而提高缺陷检出率，以及缺陷深度、长度的测量精度。

相控阵检测系统是高性能的数字化仪器，能够实现检测全过程信号的记录。

通过对信号进行处理，系统能生成和显示不同方向投影的高质量的图像。

4.2相控阵的声场特性

相控阵声场中除了对检测有利的主瓣外，还包含有可能对检测不利的旁瓣和栅瓣。

主瓣是指主声束指向角的声压分布形成的波束。

旁瓣是指不同给定角度（偏离主瓣）的阵列单元漏射导致的，在主瓣周围对称分布的声压较小的波束，旁瓣声轴与主瓣声轴形成大小不同的角度，最靠近主瓣的旁瓣称为第一旁瓣。

栅瓣是指对阵列单元均匀取样信号叠加产生的声压所致。

栅瓣幅度取决于相邻晶片间距、晶片数、频率及带宽。

通过以下方法可减少栅瓣的影响：

①降低频率；②减小晶片间距；③增加晶片数；④减小扫查范围（加用斜楔）；⑤增大带宽。

M—主瓣；S—旁瓣；G栅瓣

图6主瓣、旁瓣、栅瓣示意图

4.3相控阵探头参数对声场的影响

4.3.1晶片单元宽度a或晶片间距c的影响

晶片单元宽度a或晶片间距c影响声场的主声束波幅、偏转能力，以及栅瓣的产生。

一般要求：

a＜λ/2，并保持c＜0.67λ，以避免偏转角度增大时产生栅瓣。

特殊情况下可以采用c大于波长的设计，但此时扇扫的偏转程度受限制。

4.3.2激发孔径的影响

激发孔径将影响孔径整体的发射强度、近场区长度以及声束的截面形状。

同一探头激发孔径越大需激发的晶片数量越多，则孔径整体的超声发射强度越大，同时近场区长度越大则可聚焦的深度范围越大。

焊缝检测时一般不应在焊缝中产生焦点，因此为减小近场区对缺陷定量的影响，不应选择过大的激发孔径。

但过小的激发孔径使整体发射强度过小而导致灵敏度不够，且使得激发孔径的两个方向的尺寸相差悬殊，使声束截面扁长不利于检测覆盖。

4.3.3阵列类别的影响

相控阵探头分为：

线阵探头（如图7a）、矩阵探头（如图7b）、凸阵探头（如图7c）、凹阵探头（如图7d），除以上四种探头外称为特殊构象探头。

a.线阵b.矩阵c.凹阵d.凸阵

图7相控阵阵列示意图

图8中a、c、d均为一位相控阵探头、b为二维相控阵探头。

通过软件对每个晶片的延时控制，一维相控阵探头可实现声场在一维空间偏转，二维相控阵探头可实现声场在二维空间偏转。

在每个晶片同时激发的情况下，凹阵探头可使声场自然聚焦，凸阵探头可使声场自然发散。

4.4相控阵的扫查

相控阵的扫查包括电子扫描和机械扫查。

电子扫描分为扇扫描、线扫描等，机械扫查分为沿线扫查和手动锯齿扫查，检测过程中电子扫描和机械扫查可结合并同时进行。

沿线扫查一般结合扇扫描或线扫描并配合与探头相连的编码器进行。

其特点是能够快速得到并记录焊缝整体信息，通过数据处理可形成B、C、D型显示，但在单次扫查时焊缝纵剖面上任一点只有一个角度声束覆盖。

手动锯齿扫查一般结合扇扫描进行。

其特点是可实现对某一焊缝截面任一点进行多角度声束覆盖，以得到缺陷表面状态及倾斜角度的信息，但其效率低，不能对焊缝整体进行成像。

5检测人员

5.1检测人员应了解燃气用聚乙烯管道的特性、制造工艺和焊接工艺，通过燃气用聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测专业技术培训和相关的燃气用聚乙烯管道焊接知识专业培训。

5.2从事燃气用聚乙烯压力管道焊接接头相控阵超声检测人员应取得UTⅡ或UTⅡ以上资格，取得特种设备非金属焊接作业人员证。

5.3检测人员应经过聚乙烯管道焊接接头相控超声检测的实践，熟悉所使用的检测设备，具备熟练的操作技能才能独立进行聚乙烯管道焊接接头的超声检测工作。

5.4检测人员得到聘用单位的工作授权。

6检测设备要求

6.1相控阵检测设备包括主机、探头、软件、扫查装置和附件，上述设备应具有产品质量合格证或制造厂出具的合格证明文件。

6.2超声相控阵仪器

6.2.1相控阵仪器应为电脑控制的含有多个独立的脉冲发射/接收通道的脉冲反射型仪器，其放大器的增益调节步进不应大于1dB。

6.2.2-3dB带宽下限不高于1MHz上限不低于15MHz。

6.2.3波幅数字化应不小于8位。

6.2.4仪器的水平线性误差不大于1%，垂直线性误差不大于5%。

6.2.5所有激励通道的发射脉冲电压具有一致性，最大偏移量应不大于设置值的5%。

6.2.6各通道的发射脉冲延迟精度不大于5ns。

6.3软件

6.3.1仪器至少应有A、S、B、C型显示的功能，且具有在扫描图像上对缺陷定位、定量及分析功能，在二维图像中以亮度（或色彩）表示回波幅度。

6.3.2能够存储、调出A、S、B、C图像，并能将存储的检测数据拷贝到外部存储空间中；

6.3.3仪器软件应具有聚焦法则计算功能、角度增益校准功能，以及TCG（或DAC）校准功能；

6.3.4仪器的数据采集和扫查装置的移动同步，扫查步进值应可调，其最小值应不大于0.5mm。

6.3.5仪器应能存储和分辨各A扫描信号之间相对位置的信息，如编码器位置。

6.3.6离线分析软件中应能对检测时关键参数设置进行查看。

6.4相控阵探头

6.4.1相控阵探头应由多个晶片（不少于32个）组成阵列，探头可加装用以辅助声束偏转的楔块或延迟块。

6.4.2探头实测中心频率与标称频率间的误差应不大于10%。

6.4.3探头-6dB频带宽度不小于60%。

6.5仪器的校准

相控阵仪器应定期校准，校准周期为1年。

除另有规定外，相控阵仪器校准结果应符合以下要求：

A）工作频率范围为2.5MHz～10MHz；

B）应具有80dB以上的连续可调的衰减器；

C）水平线性偏差不大于1%；

D）垂直线性偏差不大于5%；

E）增益范围不小于30dB；

F）在达到所探工件的最大检测声程时，其有效灵敏度余量应不小于10dB。

6.6扫查装置

6.6.1探头夹持部分在扫查时应能保证声束朝向与焊缝长度方向夹角不变。

6.6.2导向部分应能在扫查时使探头运动轨迹与拟扫查轨迹保持一致。

6.6.3驱动部分可以采用电机或人工驱动。

6.6.4扫查装置应具有确定探头位置的功能，可通过步进电机或位置传感器实现对位置的探测与控制，位置分辨率应符合工艺要求。

6.7耦合剂

对表面平整的焊接接头，应采用透声性好，且不损伤检测表面的耦合剂，如浆糊、甘油和水等。

对表面不平整的焊接接头，应采用其声速与聚乙烯材料相同或接近，声阻抗与聚乙烯材料相差不大的耦合剂。

推荐使用由甘油、水玻璃等按一定比例混合配制而成的稠状耦合剂。

6.8试块

6.8.1标准试块

应采用与被检焊接接头材料声学性能相同或近似的材料制成，该材料用不得有大于或等于φ1mm平底孔当量的缺陷。

标准试块有PE-Ⅰ、PE-Ⅱ，其规格尺寸和要求分别见附录A、附录B。

6.8.2对比试块

对比试块的外形尺寸应能代表被检工件的特征，试块厚度应与被检工件厚度相对应，也可采用完好的焊接接头作为对比试块，试块中的反射体可以是人工缺陷。

7基本要求

7.1燃气用聚乙烯管道焊接接头的相控阵超声检测前，应当经过持证焊接作业人员按照经评定合格的焊接工艺进行组装、施焊完成，并且经过焊接接头外观质量检验合格。

7.2相控阵检测工艺

7.2.1企业应编写相控阵超声检测工艺规程。

7.2.2检测前，应根据被检工件情况参照本标准及工艺规程编制相控阵超声检测工艺。

7.2.3检测工艺至少应包括如下内容：

A）被检工件情况；

B）检测设备器材；

C）检测准备：

包括确定检测区域、探头及楔块的选取和设置、机械扫查及电子扫描的选择、探头位置的确定、扫查面的确定、扫查面的准备等；

D）检测系统的设置和校准；

E）扫查和数据采集；

F）数据分析、缺陷评定与出具报告。

7.3工艺验证试验

7.3.1工艺验证试验在对比试块上进行，将拟采用的检测工艺应用到对比试块上。

工艺验证试验结果应确保能够清楚地显示和测量对比试块中的缺陷或反射体。

7.3.2对每一种规格的焊接接头，应加工典型焊接缺陷，检测时应能确保对比试块中典型缺陷能可靠检出。

（规范性附录）

附录A

标准试块PE-Ⅰ

A.1标准试块PE-Ⅰ用于声束校准、TCG修正和调整检测灵敏度。

试块应该由与测试试样同质的或声学相似的材料制成，试块的尺寸规格见图A.1，试块的表面粗糙度应与测试样相接近，试块的检测面为平面或带有一定曲率半径的曲面，在试块的不同深度位置上含有6个排列不均匀的预埋金属丝。

图A.1标准试块PE-Ⅰ

试块的型号、相应的曲率半径和适用的焊接接头范围见表A.1的规定。

表A.1试块圆弧曲率半径

试块型号

试块圆弧曲率半径R

（mm）

适用的电熔接头范围（公称直径）

（mm）

适用的热熔接头范围（公称直径）

（mm）

PE-Ⅰ-1

30

40～90

75～110

PE-Ⅰ-2

60

90～180

110～200

PE-Ⅰ-3

平面

＞180

＞200

A.2标准试块加工应符合下列要求：

A.2.1预埋金属丝应该平行于测试表面；

A.2.2试块长度、高度、宽度、金属丝位置应符合图样A.1，尺寸精度为±IT12；

A.2.3金属丝的直径：

φ1±0.05（mm）；

A.3标准试块尺寸精度应符合本部分的要求，并应经计量部门检定合格。

（规范性附录）

附录B

标准试块PE-Ⅱ

B.1标准试块PE-Ⅱ用于相控阵检测系统定位精度测试和ACG修正。

试块应该由与测试样同质的或声学相似的材料制成，试块的尺寸规格见图B.1，试块的表面粗糙度应与测试样相接近，试块的检测面为平面，在以检测面为中心的R25半园弧上均匀预埋35根φ1金属丝。

图B.1标准试块PE-Ⅱ

B.2标准试块加工应符合下列要求：

B.2.1预埋金属丝应该平行于测试表面；

B.2.2试块长度、高度、宽度、金属丝位置应符合图样B.1，相邻金属丝间距为5°，尺寸精度为±IT12；

B.2.3金属丝的直径：

φ1±0.05（mm）；

B.3标准试块尺寸精度应符合本部分的要求，并应经计量部门检定合格。

DB××/T×××.2-201×

燃气用聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测

第2部分：

电熔接头检测

（征求意见稿）

DB××/T×××.2-201×

前言

《燃气用聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测》分为三个部分：

——第1部分：

通用要求；

——第2部分：

电熔接头检测；

——第3部分：

热熔接头检测。

本标准按照GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：

标准的结构和编写》给出的规则起草。

本标准为上海市地方标准。

本部分为第2部分：

电熔接头检测。

本部分起草结合我国聚乙烯管道电熔接头缺陷检测及安全评定研究成果编写而成。

参考GB/T29460-2012《含缺陷聚乙烯管道电熔接头安全评定》和GB/T29461-2012《聚乙烯管道电熔接头超声检测》编制，与GB/T29460-2012和GB/T29461-2012的一致程度为非等效。

本标准由上海市质量技术监督局标准化技术委员会归口。

本标准起草单位：

本标准主要起草人：

DB××/T×××.2-201×

燃气用聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测

第2部分：

电熔接头检测

1范围

本标准规定了燃气用聚乙烯管道电熔接头相控阵超声检测的术语和定义、检测准备、检测系统的设置和校准、检测程序、检测数据的分析、缺陷评定及检测报告。

本标准适用于公称直径为40～400mm的聚乙烯管道电熔接头的相控阵超声检测。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB15558.1燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第1部分：

管材

GB15558.2燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第2部分：

管件

GB/T29460-2012含缺陷聚乙烯管道电熔接头安全评定

GB/T29461-2012聚乙烯管道电熔接头超声检测

TSGD2002-2006燃气用聚乙烯管道焊接技术规则

DB××/T×××.1-201×聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测第1部分：

通用要求

3术语和定义

GB15558.1、GB15558.2、GB/T29460-2012、GB/T29461-2012和DB××/T×××.1-201×界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1冷焊程度Hthedegreeofcoldwelding

冷焊时，电熔接头的特征线与电阻丝的间距小于正常焊接接头。

采用待检接头特征线与电阻丝的间距与正常焊接接头特征线与电阻丝的间距相比较，用变小的百分比来表征。

3.2过焊程度H′thedegreeofover-heatwelding

过焊时，电熔接头的特征线与电阻丝的间距大于正常焊接接头。

采用待检接头特征线与电阻丝的间距与正常焊接接头特征线与电阻丝的间距相比较，用变大的百分比来表征。

3.3电阻丝直径dtheresistancewirediameter

在超声检测图像中，管件上预埋电阻丝显示的直径。

3.4电阻丝错位量xtheresistancewiredisplacement

电阻丝移开正常位置的最大距离。

4检测准备

4.1检测区域

检测区域应包含焊缝本身宽度加上两侧各5mm的母材。

4.2扫查方式选择

选用沿线扫查+线扫描进行检测，线扫描角度为0°。

4.3探头的选择

4.3.1聚乙烯管道电熔接头相控阵超声检测用探头采用一元线阵直探头；

4.3.2探头声束汇聚区范围应能满足检测聚乙烯管道电熔接头内缺陷深度的要求；

4.3.3探头激发孔径长度应大于电熔接头单边熔接区宽度，要求覆盖单边电熔接头的检测区域，探头激发孔径宽度应小于10mm，使探头与管件外圆弧面有良好的耦合；

4.3.4探头频率应根据管件厚度选定。

不同管件厚度范围适用的探头频率见表1。

表1不同管件厚度适用的探头频率

PE管件厚度e（mm）

频率f（MHz）

3＜e≤10

f≥5

10＜e≤20

4＜f＜5

e≥20

2.25≤f≤4

4.4探头的布置及软件设置

4.4.1探头的布置

采用线扫描对焊缝进行覆盖，探头平行于管件轴线，周向移动做沿线扫查（如图1）。

图1探头的布置

4.4.2聚焦设置

焊缝初始扫查一般不聚焦，此时聚焦深度应设置在工件中最大探测声程以外。

在对缺陷进行精确定量时，或对特定区域检测需要获得更高的灵敏度和分辨率时，可将焦点设置在该区域，但应注意聚焦区以外声场劣化问题。

4.5扫查面准备

4.5.1检测时机

聚乙烯管道的电熔接头应在焊接工作完成，自然冷却2h后进行检测。

4.5.2电熔焊接接头

电熔焊接接头应符合以下要求：

A）采用管材应符合GB15558.1的要求，管件应符合GB15558.2的要求；

B）接头应该是持证焊工按经评定合格的焊接工艺进行组装、施焊的；

C）接头外观质量检验合格，接头的表面应尽量平整、干净，不影响探头与工件的声耦合。

4.5.3表面清理

所有影响超声检测的污物等都应予以清除。

4.5.4扫查面标记

检测前应在工件扫查面上予以标记，标记内容至少包括扫查起始点和扫查方向。

4.6耦合剂

4.6.1应采用有效且适用于工件的介质作为耦合剂。

4.6.2选用的耦合剂应在一定的温度范围内保证稳定可靠的检测。

4.6.3实际检测采用的耦合剂应与检测系统设置和校准时的耦合剂相同。

4.7检测温度

4.7.1应确保在规定的温度范围内进行检测。

4.7.2若温度过低或过高，应采取有效措施避免。

若无法避免，应评价其对检测结果的影响。

4.7.3系统校准与实际检测间的温度差应控制在±15℃之内。

4.7.4采用常规探头和耦合剂时，工件的表面温度范围为0℃～40℃。

超出该温度范围，可采用特殊探头或耦合剂，并通过实验验证。

5检测系统的设置和校准

5.1线扫描的校准

5.1.1采用线扫描检测前，应对线扫描角度0°时的声束校准，校准的声程范围应包含检测拟使用的声程范围。

5.1.2校准采用PE-Ⅰ试块；

5.1.3线扫描TCG修正后不同深度处相同反射体回波波幅应一致，且经最大补偿的声束回波的信噪比不应小于6dB。

5.2灵敏度设置

5.2.1采用TCG方式校准灵敏度，使用PE-Ⅰ系列试块进行。

5.2.2扫查灵敏度的确定

扫查灵敏度由工艺验证试验确定，一般将φ1×25-4dB设置为满屏高度的80～95%，作为扫查灵敏度