聚乙烯管道电熔焊接接头超声检测特征线的形成机理研究

Cold welding is one of the most common and hazardous defects in polyethylene (PE) pipe system. The Eigen-line method, which was invented by our research group, is the only available nondestructive detection method to detect cold welding in PE pipe system currently. Eigen-line is ultrasonic reflection signal line in the ultrasonic phased array B-scan image, demonstrating the exact location of the fusion zone boundary. In this project, the formation mechanism of Eigen-line in electrofusion joint of PE pipes will be studied. By applying the technology of numerical simulation of welding process and thermal analysis, microscopic observation, immersion ultrasonic inspection, etc for polymer, we plan to predict the thermal history in different region of electrofusion joint precisely, and utilize the theory of crystalline kinetics to analyze the microstructure of PE under different thermal histories. The relationship between microstructure of PE and acoustic properties such as acoustic impedance will also be investigated in detail. Then, an acoustic model will be developed to analyze the reflected acoustic pressure of ultrasonic signal on the fusion zone boundary, and to reveal the formation mechanism of Eigen-line. By solving the key fundamental problems of the ultrasonic inspection method when inspecting cold welding defect in the welding joint of plastic pipe, the significance of this project will be shown for the improvement of the instinct safety and the development of the security techniques for plastic pipe system.

冷焊是聚乙烯管道焊接接头中最常见、最危险的缺陷之一。申请人等发明的基于特征线的冷焊超声检测方法是目前国内外唯一有效可行的冷焊无损检测方法。特征线是超声相控阵B扫描实时成像图中能准确反映熔融区边界位置的超声反射信号线。本项目拟以聚乙烯管道电熔焊接接头为研究对象，综合运用聚合物焊接温度场数值模拟、聚合物热分析和显微观测、液浸聚焦超声检测等技术，对焊接接头中不同位置处材料经历的温度-时间历程进行精确预测，应用结晶动力学理论分析不同温度-时间历程下聚乙烯的微观组织结构，研究其对声速、声阻抗等声学性能参数的影响规律，建立超声波在声阻抗连续不均匀聚乙烯薄层中传播的声学模型，分析超声波在熔融区边界处的反射声压，从而揭示超声检测特征线的形成机理。通过本项目研究，解决塑料管道应用过程中冷焊缺陷超声检测技术的关键性基础问题，对提高塑料管道的本质安全性，推动塑料管道安全保障技术的发展具有重要意义。

冷焊是聚乙烯管道焊接接头中最常见、最危险的缺陷之一。本项目负责人等发明的基于特征线的冷焊超声检测方法是目前国内外唯一有效可行的冷焊无损检测方法。特征线是焊接接头的“指纹”。利用超声方法检测特征线的形状、位置可以对聚合物焊接结构的焊接时间、焊接输入热量以及熔焊程度等进行判断，从而对聚合物焊接接头进行无损结构安全评定。本项目研究解决了聚合物冷焊缺陷超声检测技术中特征线形成机理的关键性基础问题，对提高聚合物焊接结构的本质安全性具有重要意义。项目完成的工作主要有：.1. 建立了电熔焊接过程温度场数值模拟求解方法，并研究了其影响因素。分析测量聚乙烯材料导热系数、密度随温度的变化规律并考虑到温度场模型中，分析了计算网格、材料参数等因素对计算结果精度的影响，通过测试电熔焊接中实际温度，验证了模型有效性；.2. 模拟了电熔接头熔融区、非熔融区、特征线处的材料，并通过电镜观测其微观结构差异。基于温度场模型，得到电熔焊接接头内不同位置材料的温度-时间历程，结合结晶动力学理论和差示扫描量热分析技术，分析了聚乙烯在经历不同温度-时间历程的升温-熔融-降温-结晶过程后，其结晶度和晶粒大小等微观组织特征的变化；.3. 测量了声阻抗的重要决定因素：弹性模量，并得到了弹性模量在特征线附件的变化规律。采用显微压痕仪测量了接头试样各区域的弹性模量，结果表明弹性模量在热熔焊接接头特征线处材料相较熔融区和非熔融区沿径向方向增大，沿环向方向不变，该结果说明特征线处材料很可能发生了沿流动方向的取向；.4. 根据超声波垂直入射到界面的反射理论，结合特征线的移动规律，确定特征线处为异质薄层界面反射，并通过光学显微镜和倾斜试样的方法对特征线的宽度首次进行了测量。特征线处形成异质薄层的可能原因主要有界面形成微晶和沿界面取向。沿界面取向导致弹性模量在特征线处变化，引起特征线处声阻抗与其他区域存在差异，形成异质薄层界面，从而反射超声信号。