聚乙烯管道接头的超声相控阵检测与缺陷智能化识别研究
来源：成果转化处、省对外科技交流中心
时间：2017-11-08 15:04
本课题来源于2012年福建省质量技术监督局科技计划项目《聚乙烯管道接头的超声相控阵检测与缺陷智能化识别研究》(项目编号：FJQI2012024)。针对聚乙烯管道接头无有效无损检测方法这一工程难题，本课题开展了相关的技术研究工作，主要包括缺陷的检测以及识别技术。
针对聚乙烯管道的超声相控阵检测技术研究，可为聚乙烯管道的接头检测提供一种可靠的检测方法，并弥补目前在接头缺陷的检测与智能化识别方面的不足，对保证聚乙烯管道的接头质量与安全运行具有十分重要的意义。
本项目研究并解决了聚乙烯管道热熔焊与电熔焊接头缺陷的超声相控阵检测与缺陷识别问题，保证了聚乙烯管道的安全可靠运行。项目主要完成如下技术内容：
（1）通过破坏性剥离试验，对聚乙烯管道不对中、裂纹、孔洞和熔合面夹杂和熔合面熔合不良等缺陷形态特征进行表征，将热熔焊接头缺陷分为裂纹、孔洞、熔合面夹杂、工艺缺陷四类，电熔焊接头缺陷分为熔合面缺陷、气泡和孔洞、金属丝错位、冷焊共四类。
（2）分析了影响检测结果的探头设计、楔块材材料和聚焦法则的选用。聚焦技术应考虑材料的声场特性，并综合考虑检测灵敏度要求，减少栅瓣和系统复杂性等多方面因素。
（3）对获取的缺陷图像进行图像滤波预处理，获得高质量的图像信息。对预处理后的图像B分量矩阵取反，按一定阈值将其转化为二值图像，并去除超声波在管道外壁界面上多次反射形成的信号，进行数学形态学处理，去除小的亮点及填充小的空洞。
（4）采用K均值聚类算法和数学形态学相结合的图像处理方法实现了对聚乙烯管道电熔接头超声相控阵检测图像的图像分割和图像处理，实现了对聚乙烯管道电熔接头孔洞缺陷信息、特征线和金属丝的成像和自动识别。将图像矩阵按列水平相加求和并归一化处理，得到一组一维信号，对该信号进行小波分解与重构，根据信号高频分量的幅值特征确定出熔合界面的位置，并以此为参考点，根据信号低频分量的波形特征确定出冷焊特征线的位置，实现冷焊缺陷的自动识别。
（5）根据分割的图像特征，对比分析聚类分析和决策树结合的识别算法、最大类间方差法识别算法，最终采用最大类间方差法识别算法实现对聚乙烯管道热熔接头缺陷的自动识别。利用提取出的圆孔底端信号和内壁反射信号，可计算出圆孔缺陷的深度，最终实现了缺陷的定量分析。
（6）通过对人工缺陷进行自动识别，证明超声相控阵检测技术对于聚乙烯管道的检测效果较为理想，通过数字图像处理技术能够有效识别出缺陷。
（7）设计聚乙烯管道热熔焊接头缺陷自动识别软件，为聚乙烯管道焊接接头的缺陷检测提供了可靠有效的工具；初步探讨了红外热成像在聚乙烯管道接头检测中的应用，研究了其缺陷特征库的建立。
项目的完成，可带来明显的经济与社会效益，弥补聚乙烯管道无损检测方面的技术不足，同时带动相关标准的研究工作。项目实际已超合同规定的指标完成，项目组已发表论文10篇，学术会议投稿4篇，欲提交专利申请1项，已培养本单位工程硕士1人，其研究成果具有很好的实际应用效果。目前，项目成果已在一家聚乙烯管道使用最多的单位应用，近三年对安装阶段和使用阶段的聚乙烯燃气管道焊接接头质量进行检测。
针对聚乙烯管道的超声相控阵检测技术研究，可为聚乙烯管道的接头检测提供一种可靠的检测方法，并弥补目前在接头缺陷的检测与智能化识别方面的不足，对保证聚乙烯管道的接头质量与安全运行具有十分重要的意义。
本项目研究并解决了聚乙烯管道热熔焊与电熔焊接头缺陷的超声相控阵检测与缺陷识别问题，保证了聚乙烯管道的安全可靠运行。项目主要完成如下技术内容：
（1）通过破坏性剥离试验，对聚乙烯管道不对中、裂纹、孔洞和熔合面夹杂和熔合面熔合不良等缺陷形态特征进行表征，将热熔焊接头缺陷分为裂纹、孔洞、熔合面夹杂、工艺缺陷四类，电熔焊接头缺陷分为熔合面缺陷、气泡和孔洞、金属丝错位、冷焊共四类。
（2）分析了影响检测结果的探头设计、楔块材材料和聚焦法则的选用。聚焦技术应考虑材料的声场特性，并综合考虑检测灵敏度要求，减少栅瓣和系统复杂性等多方面因素。
（3）对获取的缺陷图像进行图像滤波预处理，获得高质量的图像信息。对预处理后的图像B分量矩阵取反，按一定阈值将其转化为二值图像，并去除超声波在管道外壁界面上多次反射形成的信号，进行数学形态学处理，去除小的亮点及填充小的空洞。
（4）采用K均值聚类算法和数学形态学相结合的图像处理方法实现了对聚乙烯管道电熔接头超声相控阵检测图像的图像分割和图像处理，实现了对聚乙烯管道电熔接头孔洞缺陷信息、特征线和金属丝的成像和自动识别。将图像矩阵按列水平相加求和并归一化处理，得到一组一维信号，对该信号进行小波分解与重构，根据信号高频分量的幅值特征确定出熔合界面的位置，并以此为参考点，根据信号低频分量的波形特征确定出冷焊特征线的位置，实现冷焊缺陷的自动识别。
（5）根据分割的图像特征，对比分析聚类分析和决策树结合的识别算法、最大类间方差法识别算法，最终采用最大类间方差法识别算法实现对聚乙烯管道热熔接头缺陷的自动识别。利用提取出的圆孔底端信号和内壁反射信号，可计算出圆孔缺陷的深度，最终实现了缺陷的定量分析。
（6）通过对人工缺陷进行自动识别，证明超声相控阵检测技术对于聚乙烯管道的检测效果较为理想，通过数字图像处理技术能够有效识别出缺陷。
（7）设计聚乙烯管道热熔焊接头缺陷自动识别软件，为聚乙烯管道焊接接头的缺陷检测提供了可靠有效的工具；初步探讨了红外热成像在聚乙烯管道接头检测中的应用，研究了其缺陷特征库的建立。
项目的完成，可带来明显的经济与社会效益，弥补聚乙烯管道无损检测方面的技术不足，同时带动相关标准的研究工作。项目实际已超合同规定的指标完成，项目组已发表论文10篇，学术会议投稿4篇，欲提交专利申请1项，已培养本单位工程硕士1人，其研究成果具有很好的实际应用效果。目前，项目成果已在一家聚乙烯管道使用最多的单位应用，近三年对安装阶段和使用阶段的聚乙烯燃气管道焊接接头质量进行检测。
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