聚乙烯(PE)管具有韧性好、耐腐蚀、抗积垢、使用寿命长等优势,已在核电站核级输水管线中使用。应用现有的相控阵超声检测技术对核电站厚壁PE电熔接头(厚度大于40mm)进行无损检测时,聚焦能量不足,信噪比和分辨力不能满足检测要求。厚壁PE管超声检测技术的缺失严重制约了 PE管在核电站中的推广和应用,引起了各核能发达国家的密切关注。与金属不同,受黏弹性材料PE声衰减和声频散特性的影响,超声波在PE介质中传播时会发生波形畸变。波形畸变在传播方向的积累影响了聚焦声束的合成,进而对缺陷识别与成像产生干扰。因此,考虑PE黏弹性的相控阵聚焦声场的研究是开发厚壁PE管电熔接头超声检测技术的前提。本文在国家自然科学基金青年基金项目“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”(项目编号:51305394)和国家自然科学基金面上项目“基于粘弹性损伤模型的聚乙烯管材慢速裂纹扩展机理研究”(项目编号:51575480)的支持下,以核电站用厚壁PE管电熔接头为研究对象,从PE声波动方程理论、PE相控阵聚焦声场模拟、厚壁PE管电熔接头检测参数设计三个方面展开研究,主要完成的工作有:(1)考虑PE黏弹性,基于Szabo模型在时域上建立了声场数值分析模型:首先通过时域有限差分法,将连续问题转化为离散问题;再对PE声波动方程的差分格式进行修正,以消除超奇异性、改善稳定性、提高计算精度;然后结合工程实际,建立吸收边界条件,将空间无限问题转变为在有限空间上的求解;最终利用数值分析方法求得PE声场中任意质点在任意时刻的声压。本文对比了数值模型求解结果与超声显微镜试验值,在频域和时域上验证了模型的有效性,并确定了时空四阶空间3层逼近差分算法为最优模型。(2)基于相控阵超声检测技术原理,建立了平面波与辐射波声波动方程的理论关系,进而提出了 PE中相控阵聚焦声场数值分析模型。本文提供了在PE中实现相控阵聚焦声场所需延迟时间的计算方法,并讨论了现有超声检测设备延迟时间确定方法的有效性。同时,本文分析了不同孔径下聚焦声场轴线声压分布和聚焦直径的变化规律,确定采用“聚焦直径减小到接近稳定值”作为备选检测参数的判断依据。(3)讨论了探头孔径、阵元间距和扫描方式对厚壁PE管电熔接头(聚焦位置80mm)检测聚焦性能的影响。结合检测空间、探头加工难度、检测便利性等因素,提供了 5组备选检测参数,并最终在现有检测条件下实现了核电站厚壁PE管电熔接头的超声检测。同时,基于一个综合了灵敏度、分辨力、信噪比、穿透力和精度的检测效果指标,对采用现有技术实地检测时使用的不同检测参数进行评价,获得了与理论分析结果一致的最优参数,从而验证了基于PE相控阵聚焦声场分析模型提出的检测参数和判断依据有效。