聚乙烯燃氣管道焊接接頭無損檢測及質(zhì)量評價

梁雪蓮，李曼曼，陳慶璽，馬旭卿，高觀玲

（1.北京市燃氣集團有限責(zé)任公司，北京 100011；2.北京市燃氣集團研究院，北京 100011）

0 引言

聚乙烯管道抗腐蝕、韌性高、使用壽命長，是一種比較理想的燃氣輸送用管材。在一些地區(qū)，聚乙烯管材在城市埋地燃氣管道中的占有量已達90%以上。

對于聚乙烯管道系統(tǒng)來說，焊接接頭是薄弱環(huán)節(jié)，也是影響管道系統(tǒng)完整性的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有的焊接質(zhì)量控制手段主要以過程控制為主，并通過外觀檢查進行驗收。然而，外觀檢查和壓力試驗均無法觀察到焊口的內(nèi)部缺陷，更無法判斷如果內(nèi)部存在缺陷是否會對接頭強度和使用壽命產(chǎn)生影響[1]。一些事故案例表明，某些潛在的缺陷會隨著燃氣管道在一定壓力下長期運行才暴露出來。因此，聚乙烯管道的焊接質(zhì)量評價已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點和難點。

1 聚乙烯燃氣管道焊接工藝

聚乙烯燃氣管道一般采用熱熔對接連接和電熔連接兩種連接方式。熱熔對接連接的關(guān)鍵焊接參數(shù)是加熱板溫度，焊接壓力和加熱時間直接影響到熱熔對接的質(zhì)量[2]。

電熔連接不同于熱熔對接連接，焊接參數(shù)沒有固定的標準，是由生產(chǎn)廠家自己設(shè)定的，焊接前通過掃描電熔管件上的條形碼，即可按照設(shè)定好的程序進行焊接，這種方式極大地降低了焊接過程中人為因素的影響。

2 聚乙烯燃氣管道焊口缺陷

關(guān)于聚乙烯燃氣管道焊口缺陷的分類，目前行業(yè)內(nèi)尚未達成一致意見，筆者根據(jù)調(diào)研情況進行總結(jié)如下。

2.1 電熔連接缺陷

電熔接頭缺陷概括起來可以分為未焊透、電阻絲錯位和孔洞3類。

2.1.1 未焊透

電熔接頭未焊透是由于管材和套筒界面上的分子未能擴散纏結(jié)或未充分擴散纏結(jié)，使得整個熔合界面強度低于正常焊接接頭熔合界面強度。根據(jù)電熔接頭未焊透的產(chǎn)生原因，又可以將其分為冷焊、夾氧化皮、熔合面夾雜[3]3種。

冷焊是由于接頭焊接熱量不足造成的缺陷。外部環(huán)境、聚乙烯的材料參數(shù)、電源輸入功率和界面接觸熱阻都會影響電熔焊接溫度場，從而引發(fā)電熔接頭冷焊缺陷的產(chǎn)生。冷焊缺陷是危害最大的焊接缺陷[3]。

夾氧化皮是指由于電熔焊接前未刮削或未充分刮削管材表層氧化皮至一定深度而直接焊制的電熔接頭。這類接頭強度遠低于正常焊接接頭。

熔合面夾雜是指電熔焊接過程中有時會在焊接界面引入其他外來物，如熔合界面夾雜了污泥、樹葉等夾雜物將直接導(dǎo)致電熔套筒內(nèi)表面和管材外表面隔離，造成局部未焊透。

2.1.2 電阻絲錯位

電阻絲錯位準確來說是一種焊接操作過程規(guī)范與否的反饋，通常由于過焊、承插不到位或未對中引起。

過焊通常由于電熔焊接過程時間過長或功率過高引起，會造成電阻絲錯位或孔洞。

承插不到位是指待焊接管材沒有完全插入電熔套筒中，導(dǎo)致電熔接頭的電阻絲沒有完全被管材外表面覆蓋，在焊接過程中，電阻絲周圍的聚乙烯熔融后溢出到內(nèi)冷焊區(qū)，帶動電阻絲沿著軸線位移，產(chǎn)生錯位[1]。

管材未對中是指待焊接的兩段管材沒有在同一軸線上，容易造成電阻絲錯位甚至短路等一系列問題[1]。

2.1.3 孔洞

孔洞的形成通常分為3種情況：焊接前存在的孔洞，焊接過程中產(chǎn)生的孔洞和冷卻過程中出現(xiàn)的孔洞[4]。

2.2 熱熔連接缺陷

熱熔接頭可能存在的缺陷可分為兩大類：工藝缺陷和宏觀缺陷。工藝缺陷包括未焊透和過焊，宏觀缺陷包括孔洞、裂紋和焊縫過短。

2.2.1 工藝缺陷

工藝缺陷的形成通常與焊接工藝參數(shù)選取不當(dāng)有關(guān)。未焊透通常是由于焊接熱量不足、焊接壓力過小或過大，熔合面夾雜而導(dǎo)致。焊接熱量不足或焊接壓力過小，都可能造成焊接面上的高分子未進行充分的擴散纏結(jié)，焊接面的強度低于正常焊接的接頭；焊接壓力過大，則會造成熔融物被擠出焊接面，同樣導(dǎo)致焊接強度較低[5]；熔合面夾雜一方面會隔離焊接面，影響高分子的擴散纏結(jié)，另一方面如果夾雜泥水，焊接過程中水分蒸發(fā)會帶走一部分熱量，導(dǎo)致焊接熱量不足，造成未焊透。冷焊屬于未焊透的一種，也是熱熔接頭危害最大的一種缺陷。

過焊通常是由于焊接熱量過多引起的，如加熱板溫度過高。過焊的危害在于溫度過高會導(dǎo)致聚乙烯材料的熱氧化破壞，析出揮發(fā)性產(chǎn)物，使聚乙烯材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致焊接接頭強度降低。

2.2.2 宏觀缺陷

宏觀缺陷不同于工藝缺陷，有比較明顯的缺陷形態(tài)表征，通常是由于焊接操作不當(dāng)、焊機設(shè)備故障或工況不良、以及焊接環(huán)境不適宜等因素導(dǎo)致[6]。

孔洞是由于強制冷卻接頭和寒冷環(huán)境下焊接，導(dǎo)致材料收縮形成。

裂紋的產(chǎn)生主要是由于加熱溫度不夠或切換時間過長，使得被焊接的聚乙烯材料沒有足夠的流動性，因而在焊接接頭中心交界處產(chǎn)生了裂紋。

焊縫過短主要是由于焊接壓力過大，熔融物被大量擠出造成[6]。

3 聚乙烯燃氣管道接頭無損檢測技術(shù)

為了進一步提高聚乙烯管道系統(tǒng)的可靠性和安全性，在外觀檢查的基礎(chǔ)上，進行無損檢測，可以有效地彌補外觀檢查的不足，降低管道運行的風(fēng)險。

國內(nèi)外在無損檢測方面開展大量的研究工作。但是由于聚乙烯材料與金屬材料特性不同，很多在金屬管道上成熟應(yīng)用的無損檢測技術(shù)不能直接移植到聚乙烯管道，因此聚乙烯管道焊接接頭的無損檢測還處于探索階段。

目前，研究較多的無損檢測技術(shù)有超聲波相控陣技術(shù)、衍射時差法超聲波技術(shù)、微波技術(shù)、太赫茲技術(shù)、紅外成像技術(shù)以及射線技術(shù)等。其中，超聲波相控陣技術(shù)和微波技術(shù)分別在電熔接頭和熱熔接頭的無損檢測方面較為成熟。

3.1 電熔接頭無損檢測技術(shù)

3.1.1 超聲波相控陣技術(shù)

超聲波在材料中以一定的速度和方向傳播，當(dāng)遇到聲阻抗不同的界面時，就會產(chǎn)生反射波。超聲波在聚乙烯材料中衰減迅速，采用超聲波相控陣技術(shù)較好地解決了這一問題。超聲波相控陣技術(shù)的基本原理是采用多個陣元聚焦的方法使得超聲波有足夠的能量反射并被接收，在反射波的接收過程中，按一定規(guī)則和時序?qū)Ω麝囋慕邮招盘栠M行合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示，檢測原理示意圖如圖1所示。以孔洞缺陷為例進行說明[3]，如果電熔焊接完好，超聲波可以順利通過熔合面，超聲波圖像中只顯示電阻絲和管材內(nèi)壁的反射波信號；而存在孔洞缺陷的電熔接頭，孔洞也會反射超聲波，因此超聲波圖像除了顯示電阻絲和管材內(nèi)壁的反射波信號，也會在熔合面處顯示孔洞的反射波信號。

圖1 超聲波相控陣技術(shù)檢測原理示意圖[3]

相關(guān)研究結(jié)論表明，超聲波相控陣技術(shù)可以檢測出電熔接頭的孔洞、熔合面夾雜、冷焊、電阻絲錯位等缺陷，但是無法檢測氧化皮未刮的缺陷。該技術(shù)也可以用于熱熔接頭的檢測，但是由于技術(shù)原理本身的限制，存在檢測盲區(qū)，限制了該技術(shù)在熱熔接頭無損檢測方面的應(yīng)用。

超聲波相控陣技術(shù)是目前國內(nèi)外研究最多，最為成熟的無損檢測技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)具備施工現(xiàn)場應(yīng)用的條件，并且建立了相應(yīng)的標準規(guī)范，如國際標準ISO/TS 16943：2019 Therm op lastic p ipes for the conveyance of fluids—Inspection of polyethy lene electrofusion socket joints using phased array ultrasonic testing（ISO/TS 16943：2019《聚乙烯電熔接頭超聲波相控陣檢測》）、國家標準GB/T 29461—2012《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》，行業(yè)標準NB/T 47013.15—2021《承壓設(shè)備無損檢測 第15部分：相控陣超聲檢測》，以及上海市地方標準DB 31/T 1058—2017《燃氣用聚乙烯（PE）管道焊接接頭相控陣超聲檢測》等。

3.1.2 微波技術(shù)原理

微波技術(shù)基本原理如圖2所示，微波發(fā)射器在某特定頻率范圍內(nèi)發(fā)射單一頻率微波，使微波在被檢試件（非金屬材料）中傳播，被檢試件結(jié)構(gòu)的變化和內(nèi)部缺陷會引起非金屬材料介電性能變化，從而引起微波能量的變化。通過接收傳感器采集和分析微波的回波能量變化，實現(xiàn)被檢試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷的檢測結(jié)果成像。

圖2 微波檢測技術(shù)原理示意圖

有研究表明，微波技術(shù)可以檢測出電熔接頭的熔合面污染、未對中、氧化皮未刮缺陷，并且具備較好的可靠性和重復(fù)性，但是誤判率也相對偏高。國內(nèi)尚未開展相關(guān)的研究工作。

3.1.3 射線技術(shù)

目前一些研究機構(gòu)或企業(yè)正在嘗試將射線技術(shù)應(yīng)用于聚乙烯管道焊接接頭的無損檢測。由于需要采取復(fù)雜的防護措施，現(xiàn)階段射線技術(shù)還不能作為檢測聚乙烯焊接接頭的有效方法。

3.2 熱熔接頭非破壞性檢測技術(shù)

3.2.1 卷邊背彎試驗

卷邊背彎試驗是一種操作簡單、結(jié)果直觀、效率高、效果好的非破壞性檢驗手段。有研究表明，卷邊背彎試驗與破壞性試驗結(jié)果的符合率可以達到65%。具體的試驗方法和抽樣檢驗比例在現(xiàn)行行業(yè)標準CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)標準》中有規(guī)定。但是，該試驗無法實現(xiàn)對熱熔接頭內(nèi)部缺陷定性、定量的分析。

3.2.2 微波技術(shù)檢測

微波技術(shù)在熱熔接頭檢測方面相對成熟，國內(nèi)正在開展相關(guān)研究工作。某聚乙烯管道熱熔接頭微波檢測圖譜如圖3所示。

圖3中，虛線框內(nèi)的深藍色色帶為焊縫，焊縫區(qū)域的材料經(jīng)過加熱及冷卻再結(jié)晶的過程，導(dǎo)致其介電性能與母材有差異，從顏色上可以體現(xiàn)出來。綠色區(qū)域顯示單根焊縫，焊縫清晰、平直、規(guī)則，未間斷的是熱熔接頭或局部焊接良好的圖像特征；黃色區(qū)域焊縫顯示不清晰或有間斷，則可能存在冷焊或未熔合缺陷；紅色區(qū)域焊縫中斷，判斷存在未熔合缺陷。經(jīng)過破壞性試驗驗證，與微波檢測結(jié)果吻合。

圖3 熱熔接頭微波檢測圖像

微波技術(shù)可以檢測出熱熔接頭的冷焊、未熔合和熔合面污染缺陷。微波技術(shù)與破壞性試驗結(jié)果的符合率在80%以上。該技術(shù)已被用于實踐并商業(yè)化。

在標準制定方面，美國已經(jīng)頒布了ASTM E3101—18 Standard Practice for M icrow ave Exam ination of Polyethy lene Butt Fusion Joints（ASTM E3101—18《聚乙烯熱熔接頭微波檢測》），ISO的微波檢測標準正在制定當(dāng)中，國內(nèi)尚未制定相關(guān)標準。

3.2.3 衍射時差法超聲波檢測技術(shù)

衍射時差法超聲波檢測技術(shù)相對成熟，可以檢測出聚乙烯管道熱熔接頭的孔洞、未熔合和粗糙的顆粒物污染等缺陷，但是無法檢測出細小的微粒污染物和冷焊缺陷，靈敏度較低。

與超聲波相控陣技術(shù)一樣，衍射時差法超聲波技術(shù)存在檢測盲區(qū)，因此不適用于小管徑的聚乙烯管道熱熔接頭檢測。

3.2.4 太赫茲技術(shù)

太赫茲是一種電磁波，可以檢測出非金屬材料表面及內(nèi)部的雜質(zhì)、錯位、分層、孔洞等缺陷，但是由于黑色聚乙烯管道中的炭黑會吸收太赫茲波，因此太赫茲并不適用于黑色聚乙烯管道的檢測。該技術(shù)在國內(nèi)目前僅在實驗室試用，尚不具備在施工現(xiàn)場應(yīng)用的條件。

3.2.5 其他技術(shù)

射線技術(shù)也可應(yīng)用于熱熔接頭的無損檢測，但現(xiàn)階段該技術(shù)的應(yīng)用面臨著一定的局限性。

紅外技術(shù)借助于紅外熱像儀，通過聚乙烯管道焊接時冷卻溫度梯度的變化反映出冷焊、孔洞、夾雜、未對中等缺陷的產(chǎn)生，目前該研究尚處于起步階段。

盡管上述無損檢測技術(shù)存在著一定的局限性，相關(guān)標準的制定也尚不完善，但是無損檢測技術(shù)的發(fā)展為聚乙烯管道焊接接頭的缺陷檢測提供了手段，使得聚乙烯管道的焊接質(zhì)量評價成為可能。

4 聚乙烯燃氣管道焊接質(zhì)量評價

焊接質(zhì)量評價的最終目的在于通過無損檢測對焊接質(zhì)量進行評價、分級。由于目前破壞性試驗是公認的判斷焊接質(zhì)量合格與否的手段，因此，在開展焊接評價研究工作時，需要借助破壞性試驗對無損檢測的結(jié)果進行驗證，對質(zhì)量的分級指標進行研究和制定。由此可見，無損檢測技術(shù)是實現(xiàn)聚乙烯管道焊接質(zhì)量評價的關(guān)鍵。

開展焊接質(zhì)量評價研究工作，通常采用的方法是通過人工制作某種缺陷類型的試件，采用無損檢測技術(shù)進行檢測，從圖像上找出此種缺陷類型的表征，實現(xiàn)缺陷的定性分析。在此基礎(chǔ)上，進一步控制缺陷的大小、位置分布，依次進行無損檢測和破壞性試驗，分析無損檢測結(jié)果與破壞性試驗結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，驗證無損檢測技術(shù)的可靠性，并以此來實現(xiàn)缺陷的分級，最終實現(xiàn)焊接接頭可靠性的評價。這依賴于大量的實踐驗證。

與鋼管一樣，嚴格的施工質(zhì)量控制可以避免絕大多數(shù)缺陷的產(chǎn)生，但是無損檢測技術(shù)將進一步降低管道潛在的風(fēng)險。對于聚乙烯燃氣管道來說，焊接質(zhì)量評價可以充分發(fā)揮其使用壽命長的優(yōu)勢，保障管道系統(tǒng)的完整性，防患于未然。

5 結(jié)論

1）聚乙烯燃氣管道電熔接頭缺陷類型分為未焊透、電阻絲錯位和孔洞；熱熔接頭缺陷類型分為工藝缺陷和宏觀缺陷，其中工藝缺陷包括未焊透和過焊，宏觀缺陷包括孔洞、裂紋和焊縫過短。

2）目前，聚乙烯燃氣管道焊接接頭的無損檢測技術(shù)有超聲波相控陣技術(shù)、衍射時差法超聲波技術(shù)、微波技術(shù)、太赫茲技術(shù)以及射線、紅外技術(shù)等。這些技術(shù)手段中較為成熟的是超聲波相控陣技術(shù)和微波技術(shù)，分別在電熔接頭和熱熔接頭的無損檢測方面相對成熟。

3）聚乙烯燃氣管道的焊接質(zhì)量評價對于保障管道系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要，目前該項研究還處于起步階段，實現(xiàn)真正的焊接質(zhì)量評價需要大量的實踐驗證。