燃气聚乙烯管道热熔接头无损检测技术综述
时间：2023-06-05 15:25:14 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李 陈 曹彬彬王 维
江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院（江苏南通 226011）
聚乙烯管道被广泛应用于城镇燃气压力管道。2000年以后，我国开始大规模在新建城镇中低压燃气压力管道工程中使用聚乙烯管道。2010年前，聚乙烯热熔接头的焊机多为半自动，大量聚乙烯管道并未开展相应的监督检验工作，且当时施工工艺不成熟，相关规范不完善，操作人员无需考核，这些因素导致热熔接头的熔接质量难以保证。参照金属管道焊接质量管理方法对聚乙烯热熔接头开展无损检测，对保障聚乙烯管道平稳安全运行具有积极意义。
目前，对聚乙烯管道热熔接头的缺陷形式分类，业内暂未形成一致的意见。根据JB/T 12530—2015《塑料焊缝无损检测方法 第2部分：目视检测》，聚乙烯热熔接头缺陷分为11类：裂纹、焊接表面不匹配、缺口和划痕、形成不良、焊接表面角度不匹配、焊缝呈闪光型、焊缝翻边量太大或太小、不规则焊缝翻边的宽度、光亮带伴有气泡或块状物、结合不良、气孔和夹杂异物、收缩产生的气孔或者气泡[1]。
何慧娟等[2]认为，由工艺参数引起的热熔接头焊接缺陷有过焊、冷焊、焊缝窄小和卷边焊，由操作不当引起的焊接缺陷有不对中，其他缺陷有气孔、未熔合、夹渣、未焊透和裂纹。
董守江[3]认为聚乙烯管热熔焊接应称为热熔“粘接”，是通过加热、挤压、冷却等实现聚乙烯聚合物大分子之间相互扭结缠绕。其工艺与金属焊接工艺完全不同，因此聚乙烯管“粘接”过程中，不存在气孔、夹杂和未焊透；
因为聚乙烯管材料是高分子聚合物，具有很强的塑性和弹性，不可能在残余应力作用下产生裂纹缺陷。金属管的未熔合缺陷是因焊缝金属与母材未充分熔合产生的，但是在聚乙烯管熔接接头中不应定义为“未熔合”，而应定义为虚（焊）粘。
热熔熔接时，接头内部产生缺陷的原因分析如下：（1）气孔。聚乙烯管道长期在潮湿环境中保存，由于管头中存在较多水分，若直接进行热熔焊接，便会在翻边和焊缝中产生气孔，尤其是更换长期埋地老管段时，常有发生。需注意，气孔并非由焊接时聚乙烯端头遇水导致，端头的水会在熔接加热过程中被蒸发。用泡水15天的DN160的PE80管，在管端涂水，采用正常热熔工艺焊接，未见气孔产生。用同批PE80管与已在户外存放3年的管帽熔接，产生了气孔。（2）夹杂。早期使用半自动热熔焊机时，由于施工环境较恶劣，且机器的自动化程度较低，甚至加热后拆除加热板和挤压成型的过程也由工人控制，加热完毕到挤压开始的间隔时间较长，时有尘土、草根等夹杂物混入接头中。（3）虚粘、假粘、过焊及冷焊。由于焊接聚乙烯管的热熔（焊接）粘接3个控制要素（即聚乙烯管材的熔融加热温度、管口的对接压力、各工艺过程实施的时间）未有效控制，进而产生虚粘、假粘、过焊及冷焊未充分熔合缺陷。（4）不存在夹渣、未焊透。热熔粘接均为母材相融合，不存在焊材，因此不存在焊药皮，更不存在夹渣。热熔粘接也不存在坡口，因此不存在未焊透。
结合工程经验，认为目前在用聚乙烯管道热熔对接接头外部目视缺陷可以参照JB/T 12530—2015中第2部分目视检测的方法。主要存在于热熔对接接头内部的缺陷为气孔、夹杂、虚粘、假粘、过焊、冷焊缺陷，鉴于聚乙烯熔接特性、材料特性，不存在金属焊接意义上的夹渣、未焊透、未熔合、裂纹缺陷。需要特别注意的是，切割及搬运过程中，聚乙烯母材上的划痕、割伤及与尖锐金属物撞击产生的撞伤。
聚乙烯管道热熔接头的质量与全面质量管理中的人、机、料、法、环因素均相关，每个因素的失控都可能导致接头失效，进而导致管道安全事故。因此，国内外工程技术人员均在尝试采用无损检测手段控制接头质量。
与金属焊接无损检测类似，热熔接头无损检测前也需外观检测，按照CJJ63—2018《燃气聚乙烯管道工程技术标准》及TSG D2002—2006《燃气用聚乙烯管道焊接技术规则》，质量检验要求包括卷边对称性检验、接头对正性检验、卷边切除检验。JB/T 12530.2—2015将目视检测的结果分为I、II、III级，目视检测的缺陷分为11类，同时对缺陷进行了描述，并对缺陷成因进行了分析。目视检测中如果发现缺陷可以参考标准中的缺陷成因，可调整工艺、环境、材料、焊机等因素。
目前，运用在热熔接头上较为成熟的无损检测手段有：脉冲反射法超声检测技术、衍射时差法超声波检测技术、微波测试技术、相控阵超声检测技术、X射线检测技术。张琳[4]利用超声波测试典型热熔接头内焊接缺陷，包括空洞类缺陷和面积型缺陷，结果表明超声波检测结果与力学性能检测具有较好关联性，可以采用制作距离-波幅曲线，设定灵敏度评判标准进行缺陷的质量分级评价。王少军等[5]利用超声相控阵设备，提出采用动态聚焦和S扫成像技术对聚乙烯热熔接头进行检测，并将该技术用于聚乙烯管道，取得良好效果。伍树坤[6]将X射线技术用于聚乙烯管道热熔接头检测，夹杂、气孔缺陷可以有效检出，冷焊及过焊检测效果较差。
超声波通过不同的介质界面时，由于声阻抗不同，会产生反射，脉冲反射法超声检测技术即利用该原理，其优点是操作便捷。脉冲反射法检测可参考GB/T 33488.4—2017《化工用塑料焊接制承压设备检验方法第4部分：超声检测》4.4.2.3部分：探头采用纵波换能器，所选的换能器要使缺陷灵敏度最大化，并不影响信噪比性能，因此聚乙烯材料超声检测需使用纵波检测。但聚乙烯材料的超声波声速较低，纵波声速为2 000～2 300 m/s，超声波在聚乙烯材料中的衰减非常严重，且聚乙烯管材质不均匀，会导致超声波检测盲区较大、灵敏度低及定位不准确[7]。
聚乙烯材料衍射时差超声检测依靠缺陷端部在超声波作用下产生的衍射波进行检测数据的分析和判读。该技术可记录，且灵敏度较高。但存在较多局限性，对数据判读人员要求较高，数据判读和图像识别较为困难；
难以完成对近表面缺陷、横向缺陷以及未充分熔合等不能产生衍射波缺陷的检测，容易漏检；
对缺陷定性比较困难。该方法暂时未见有国家标准及地方标准。
微波检测是利用高频电磁波检测接头的无损检测方法，原理是微波从一种介质进入另一种介质时，两种不同介质介电常数的差异会使微波反射，微波反射信号与发射信号产生干涉，经微波探头接收转变为微波扫描图像[7]。当结构中存在与周围材料不同的介电常数缺陷时，热熔焊接接头中的缺陷通过微波检测原理就能检测出。但热熔接头中危害性较大的过焊、冷焊缺陷，其介电常数与周围材料无差异，容易漏检。该方法暂时未见有国家标准及地方标准。
超声相控阵检测是依据预先设定的延迟法则激发相控阵阵列探头的各独立阵元，合成超声声束，并实现声束的移动、偏转和聚焦等功能，再按相应延迟法则对所接收超声信号实施信号处理，并以彩色图像方式显示检测对象的内部。通过声束的聚焦对聚乙烯管道热熔接头的内部缺陷实施超声相控阵检测，可以实现相控阵检测分辨率与灵敏度的提高。而超声波声束的偏转以及聚焦点位置变化，可以实现同一个位置上多角度大范围的扫查，克服传统超声波检测声速衰减大导致能量损耗严重的问题。目前将超声相控阵法检测用于聚乙烯管道热熔接头的标准有：GB/T 32563—2016《无损检测 超声检测 相控阵超声检测方法》、DB31/T 1058—2017《燃气用聚乙烯（PE）管道焊接接头相控阵超声检测》、DB15/T 1819—2020《燃气用埋地聚乙烯管道焊接接头超声相控阵检测技术规范》。上述第一个标准未给出典型的缺陷图谱，后两个标准虽给出孔洞、夹杂、未熔合、正常焊接的图谱，但未给出冷焊缺陷图谱[8]。主要原因是至今仍无有效检测出冷焊的相控阵检测方法。
X射线检测技术是根据X射线穿透聚乙烯管道热熔接头时，由于密度和厚度的差异导致胶片上形成缺陷影像的检测方法。聚乙烯材料的密度为0.91～0.96 g/cm3，密度较小，X射线穿过聚乙烯后衰减非常小。对聚乙烯热熔接头进行X射线检测时，按GB/T 33488.3—2017《化工用塑料焊接制承压设备检验方法第3部分：射线检测》，要求控制管电压在30 kV以下。射线检测中，焦点越大缺陷影像越不清晰，因此检测时应选用小焦点。采用大电流可以提高同面积下X射线束的密度，进而提高图像的细腻度。因此采用X射线检测时，应选用低电压、大电流、小焦点的射线工艺。标准中使用的像质计包装材料并非聚乙烯材料，影响了底片的黑度，建议采用聚乙烯材料包装像质计。该技术的局限性是具有辐射、效率比其他检测技术低，在人群密集区域较难实施。
为给热熔接头无损检测人员提供参考，检索查阅到的国外聚乙烯检测标准包括：ASTM E101-2018《聚乙烯热熔接头微波检测操作规程》、ISO/TS 22499：2019《聚乙烯热熔接头超声相控阵检测标准》、ASTME3044/E3044M-16《Standard Practice for Ultrasonic Testing of Polyethylene Butt Fusion Joints》。
国内外工程技术人员对燃气聚乙烯管道热熔接头无损检测的研究，尚未如对金属焊接接头无损检测研究一样成熟，还未有一种方法能够系统地对接头中的各类缺陷进行有效检测，特别是亟需攻克热熔接头冷焊缺陷的检测难题，并可以此为基础，建立聚乙烯热熔接头缺陷类型、失效模式及无损检测方法选择的关系，形成系统有效的热熔接头无损安全评价方法。
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