ارزیابی فراصوتی جوش‌های سر به سر BF لوله‌های پلی اتیلن HDPE به روش اجزا محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعت نفت، آبادان، ایران،

چکیده

لوله‌­های پلی اتیلن و به طور ویژه لوله­‌های پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، مزیت‌­های ویژه‌ای نسبت به سایر مواد برای لوله­‌کشی در کاربردهای مختلف دارند. استفاده از این مواد به دلیل عدم دسترسی به یک روش بازرسی غیرمخرب قابل اطمینان، خصوصا در کاربردهایی، نظیر خطوط لوله گاز، که نیاز به ایمنی بالا دارند، محدودیت‌­هایی ایجاد می­‌کند. آزمون­های فراصوتی یکی از روش­هایی است که در سال­های اخیر، برای ارزیابی لوله­ها و جوش­های پلی اتیلن مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. با این وجود، استفاده از این آزمون­ها به دلیل پیچیدگی رفتار امواج در پلی اتیلن به عنوان یک ماده‌ی پلیمری با چالش‌­های فراوانی مواجه شده است. استفاده از امواج فراصوتی برای ارزیابی جوش­های BF لوله­‌های HDPE به دلیل دو عامل استهلاک بالا و پاشندگی انتشار امواج در این مواد با چالش مواجه می­‌شود. در پژوهش حاضر با هدف بررسی امکان استفاده از امواج فراصوتی برای ارزیابی مواد HDPE و جوش­های سر به سر (Butt Fusion) اتصال لوله­های پلی اتیلن، مشخصات و رفتار امواج فراصوتی حجمی در مواد HDPE مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته است. بدین منظور روش اجزا محدود برای شبیه سازی انتشار امواج فراصوتی در لوله‌­های HDPE و اتصالات BF این لوله‌­ها به کار گرفته شد. تغییرات سرعت و دامنه‌ی امواج دریافتی جهت شناسایی پاشندگی و استهلاک امواج در HPDE در محدوده‌ی فرکانسی متداول آزمون‌­های فراصوتی 1-5MHz اندازه‌­گیری شده است. همچنین با مدلسازی عیب عدم ذوب جاسازی شده در جوش BF با طول­های مختلف، حساسیت آزمون در اندازه‌گیری عیوب موجود در این جوش­ها ارزیابی شد. نتایج به دست آمده نشان داد که پاشندگی موج طولی با افزایش فرکانس کاهش می‌­یابد. اندازه­گیری عیب عدم ذوب با طول­های مختلف نشان داد که خطای اندازه‌­گیری با استفاده از فرکانس 4MHz، به دلیل کاهش پاشندگی امواج فراصوتی، در محدوده‌ی کمتر از 15% است و حساسیت مناسبی برای ارزیابی اتصال دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

FE-based Ultrasonic Evaluation of HDPE Butt Fusion Joints

نویسندگان [English]

  • Mohammad Taghi Shomalinasab
  • Sina Sodagar
Department of Mechanical Engineering, Petroleum University of Technology, Abadan, Iran.
چکیده [English]

Polyethylene (PE) pipes are widely used in oil and gas industry. Their joints are prone to various flaws e.g., lack of fusion and cold fusion, and are the most problematic part of the pipeline. So, the infrastructure industry requires effective techniques to evaluate the pipes and joints. Butt-fusion (BF) is the most common method of joining PE pipes. Ultrasonic inspections are usually carried out using pulses of finite bandwidth with different frequency components. PE is viscoelastic and its mechanical response at high frequency differs significantly from that of the low frequency. Therefore, when a broadband ultrasound pulse passes through PE pipe, the waveform of the pulse changes as result of attenuation and dispersion of PE. Previously, attenuation was primarily thought of in terms of the reduction of signal amplitude, ultimately limiting the penetration of ultrasound. Actually, one of the major effects of acoustic absorption through PE is wave form distortion. In the present study, with the aim of investigating the possibility of using ultrasonic waves to evaluate HDPE materials and butt fusion of polyethylene pipes, the characteristics and behavior of ultrasonic waves in HDPE materials are studied and researched. For this purpose, the finite element method is used to simulate the propagation of ultrasonic waves in HDPE butt fusion joints. Changes in the wave velocity, and amplitude of the received waves are measured in order to identify the dispersive behavior and attenuation of the waves in HPDE within the effective ultrasonic frequency range of 1-5MHz. Also, by modeling the lack of fusion (LOF) defects embedded in the BF joint with different lengths, the inspection sensitivity, using a 4MHz transducer, for evaluating the LOF defects is evaluated. The numerical results show that the dispersive behavior of longitudinal wave is decreased, as the frequency of transducer increases. Therefore, higher frequency transducers, in the range of 4-5 MHz, can be used for ultrasonic inspection of HDPE butt fusion joints to increase the inspection sensitivity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • High Density Polyethylene (HDPE). Butt fusion
  • ultrasonic evaluation
  • dispersion
  • attenuation
[1] Leinov, E., Lowe, M.J.S. & Cawley, P., (2016),
Ultrasonic isolation of buried pipes, J. Sound Vib.
363, 225–239.
[2] Zheng, J., Zhang, Y., Hou, D., Qin, Y., Guo, W.,
Zhang, C., & Shi, J., (2018), A review of
nondestructive examination technology for
polyethylene pipe in nuclear power plant, Front.
Mech. Eng. 13(4), 535–545.
[3] Munns, I.J. & Georgiou, G.A., (1999), Ultrasonic
and radiographic NDT of butt fusion welded
polyethylene pipes, Insight, 41(5), 520.
[4] Crawford, S.L., Cumblidge, S.E., Doctor S.R., Hall,
T.E, Anderson & M.T., (2008), Preliminary
Assessment of NDE Methods on Inspection of HDPE
Butt Fusion Piping Joints for Lack of Fusion, Technical
Report, Department of Energy, USA.
[5] Sodagar, S., Honarvar, F., Sinclair, S., (2011),
Multiple scattering of an obliquely incident plane
acoustic wave from a grating of immersed cylindrical
shells, Applied Acoustics, 72(1), 1-10.
[6] M. H. Taghipour, (2015), Study and evaluation of
advanced TOFD method for inspection of
polyethylene pipes but welding, J. Phys. Sci.
Appl. 5(5), 349–355.
[7] Shafiei Alavijeh, M., Scott R., Seviaryn, F., &
Maev, R., Gr., (2021), Using machine learning to
automate ultrasound-based classification of buttfused joints in medium-density polyethylene gas
pipes, Journal of Acoustical Society of America,
150(1), 561.
[8] Prowant, M.S., Denslow, K.M., Moran, T.L., Jacob,
R.E., Hartman, T.S., Crawford, S.L., Mathews, R.,
Neill, K.j., & Cinson, A.D., (2016), Evaluation of
ultrasonic phased-array for detection of planar flaws
in high-density polyethylene (HDPE) butt-fusion
joints,” in Proceedings of the ASME 2016 Pressure
Vessels and Piping Conference, Vancouver, Canada.
[9] Fredrich, Porter A., & Zimmerman, D., (2009),
High-density polyethylene piping butt fusion joint
examination using ultrasonic phased array, Pressure
Vessels and piping conference, Czech Republic,
Paper No: PVP2009-77783, pp. 1295-1299.
[10] Sheng, X., Hou, D., & Zheng, J., (2017),
Investigation on acoustic propagation of ultrasound
in polyethylene pipe used in nuclear power plant,
ASME, Paper No. PVP2017-65578, 2017.
[11] Qin Y., Shi, J., Zheng, J., Hou, D. & Guo, W.,
(2019), An improved phased array ultrasonic testing
technique for thick-walled polyethylene pipe used in
nuclear power plant, Journal of pressure vessel
technology, 14, 041403.
[12] Deveci, S., Anthony, N., Nugrohi, S. & Eryigit, B.,
(2019), Effect of carbon black distribution on the
properties of polyethylene pipes, part 2: Degradation of butt fusion joint integrity, Polymer
Degradation and Stability, 162, 138-147.
[13] Hagglund, F., Spicer, M.A., & Troughton, M.J.,
(2012), Phased Array Ultrasonic Testing of Welded
Joints in Plastic (P.E.) Pipes, 6th Middle East
Nondestructive Testing Conference, Bahrain.
[14] Szabo, T.L., (1994), “Time domain wave
equation for lossy media obeying a frequency power
law”, Journal of Acoustical Society of America,
113(6), 3024-3031.
[15] Naserabadi, M.J.R & Sodagar, S., (2017),
Ultrasonic high frequency lamb waves for evaluation
of plate structures, Acoustical Physics, 63 (4), 402-
409.
[16] Naserabadi, M.J.R & Sodagar, S., (2021),
Investigation of High-Frequency Guided Wave
Modes Applicability in Defect Detection Using
Phased Array Ultrasonic Transducer, Russian Journal
of Nondestructive Testing, 57 (9), 762-768.
[17] Risitano, G., Guglielminoa, E., Santonocitoa,
D., (2018), Evaluation of mechanical properties
of polyethylene for pipes by energy approach
during tensile and fatigue tests, Procedia
Structural Integrity, (13), 1663-1669.
[18] Mažeika, L., Šliteris, R., Vladišauskas A.,
(2010), Measurement of velocity and
attenuation for ultrasonic longitudinal waves in
the polyethylene samples, ULTRAGARSAS
Ultragarsas (Ultrasound), Vol. 65 (4), 12-15.