燃?xì)釶E管道熱熔接頭的微波無損檢測應(yīng)用

車 飛，朱麗麗，王一帆，李曼曼

(1.北京西管安通檢測技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100107；2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100013)

0 引言

近年來，聚乙烯管道由于其抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在城市燃?xì)庑袠I(yè)得到廣泛應(yīng)用。與金屬管道焊接安裝質(zhì)量控制相比較，國內(nèi)的聚乙烯管道焊接質(zhì)量無損檢測方法為目視檢查和水壓測試，對于聚乙烯管道的熱熔接頭焊接質(zhì)量，應(yīng)研究有效的無損檢測技術(shù)，防止聚乙烯等非金屬管道發(fā)生滲漏、泄漏、斷裂等。

非金屬材料也稱為介電材料，微波對這類材料有非常好的穿透能力，極易穿透塑料、橡膠、陶瓷以及其復(fù)合材料。根據(jù)介電材料及結(jié)構(gòu)對微波的反射波幅度、相位以及偏振態(tài)可獲得材料的內(nèi)部缺陷、含水量、纖維排列、分層界面等[1]?；谖⒉ǖ奶攸c(diǎn)開發(fā)的微波無損檢測技術(shù)，在很多領(lǐng)域的非金屬及其復(fù)合材料檢測方面已受到廣泛的關(guān)注與研究應(yīng)用。文中使用微波無損檢測對城市燃?xì)饩垡蚁┕軣崛劢宇^進(jìn)行了檢測，并將微波檢測結(jié)果與破壞性試驗(yàn)結(jié)果相互進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了微波無損檢測對PE管熱熔接頭質(zhì)量控制具有有效的檢測與評價(jià)能力。

1 微波無損檢測原理

微波是電磁波，其頻率為300 MHz～300 GHz，波長為cm級，微波無損檢測的原理基于微波與介電材料之間的相互作用。在微波頻率下，介電材料本體和缺陷處的介電特性存在差異，以微波為載體，借助分析軟件可以將這種介電差異轉(zhuǎn)換為可以讀取的電量值，再經(jīng)過一定的算法可以還原成材料內(nèi)部缺陷及結(jié)構(gòu)的圖像。微波檢測裝置原理圖見圖1，能量發(fā)射裝置內(nèi)的微波發(fā)射器在某特定頻率范圍內(nèi)發(fā)射選定頻率的微波信號，使微波在該介電材料中傳播，材料結(jié)構(gòu)的變化或內(nèi)部缺陷，會體現(xiàn)不同的介電特性。這些細(xì)微的差異會引起微波反射波幅值和相位的變化，測量單元內(nèi)的接收傳感器能識別和采集到反射波的性能參量并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，最終顯示介電材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷形貌的實(shí)時(shí)圖像[2]。

圖1 微波檢測裝置原理圖

微波能夠有效地穿透介電材料，當(dāng)材料中存在任何異常都會導(dǎo)致該處材料介電性能的變化，而微波對介電性能的變化非常敏感，因此微波對任何微小的缺陷都有非常高的檢測靈敏度。微波檢測中用到的微波頻率具有較低的光子能量，不會像在生物組織中產(chǎn)生有害的光致電離。微波能夠在空氣中傳播，因而檢測時(shí)無需耦合。目前在很多領(lǐng)域開始采用微波技術(shù)來研究復(fù)合結(jié)構(gòu)的織物排列、屈曲以及結(jié)構(gòu)缺陷。

2 燃?xì)釶E管道熱熔接頭的微波無損檢測及應(yīng)用

2.1 PE管焊接接頭的微波檢測

城市燃?xì)庵袕V泛使用的PE管道，其主要焊接方式為熱熔焊接。PE屬于高分子材料，熱熔焊接過程中，焊縫區(qū)域的PE材料經(jīng)過加熱和冷卻再結(jié)晶的過程后，熱熔焊縫與母材相比，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，合格的焊接接頭在微觀層面表現(xiàn)為分子結(jié)構(gòu)經(jīng)過再結(jié)晶后形成了足夠數(shù)量的長鏈結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的超聲和X射線等方法不能發(fā)現(xiàn)這類分子層面的異常，不能實(shí)現(xiàn)熱熔接頭焊接質(zhì)量的檢測。但是分子結(jié)構(gòu)的變化會引起介電性能的變化，進(jìn)而能夠被微波探測到，因此微波檢測結(jié)果圖中可表征出焊縫與其周圍母材的介電差異。圖2為一條合格的熱熔焊縫微波檢測結(jié)果圖，該條焊縫為管徑110 mm的高密度聚乙烯管，按照合格工藝進(jìn)行熱熔焊接后，經(jīng)微波檢測熱熔焊縫區(qū)域所獲得的圖像，圖像中央的色帶即為熱熔焊縫，圖中X軸代表焊縫的周向檢測長度(360 mm)，Y軸代表焊縫的軸向檢測長度(150 mm)，從圖2中可見，合格的焊縫在微波圖像上會顯示一條寬度及色彩較均勻的條帶，熱熔焊縫與周圍母材會呈現(xiàn)完全不同的介電差異。

圖2 合格的熱熔接頭焊縫微波檢測結(jié)果圖

研究表明，熱熔接頭在加熱或冷卻的過程中，會受到多種因素干擾或影響，導(dǎo)致接頭熔合區(qū)沒有形成足夠量的分子長鏈，這類接頭經(jīng)目視檢測外觀都是合格的，甚至能夠通過早期的水壓試驗(yàn)，但是在服役的過程中會過早地失效，是一種危害很大的異常(不合格)接頭。微波對介電性能的敏感性能夠檢測出這類分子結(jié)構(gòu)的異常，微波圖像中顯示的熱熔焊縫條帶，如果發(fā)生波動(dòng)或者局部寬度或色彩不均勻，則表示該處存在異常，異常處的微波圖像能夠與其他合格處的微波圖像形成明顯的差異。如果在一條焊縫的合格區(qū)域和異常區(qū)域分別取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，合格區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果不僅有較好的抗拉性能，而且斷口通常呈現(xiàn)明顯的韌性特征，而異常區(qū)域的拉伸結(jié)果則表現(xiàn)出典型的脆性特征[3]。

2.2 PE管現(xiàn)場檢測應(yīng)用實(shí)例

對某城市燃?xì)釶E管線熱熔焊接安裝過程中某段進(jìn)行了接頭的微波無損檢測抽檢，并對其中一道經(jīng)過微波檢測結(jié)果異常的焊縫進(jìn)行了截取及破壞性拉伸試驗(yàn)。

2.2.1 PE管現(xiàn)場微波檢測

受檢管線為高密度聚乙烯PE100材質(zhì)，管徑315 mm，壁厚17.9 mm，焊接方式為熱熔焊接。PE管現(xiàn)場微波檢測見圖3。所有受檢焊縫均經(jīng)過外觀檢測合格，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(a)受檢管線

受檢管線中的一道焊縫微波檢測結(jié)果顯示該條焊縫出現(xiàn)異常，熱熔焊縫微波檢測結(jié)果見圖4，圖4中X軸代表焊縫的周向檢測長度(1 000 mm),Y軸代表與熱熔焊縫垂直的軸向檢測長度(220 mm)，圖4中水平方向深色具有一定寬度的色帶即為熱熔焊縫。從圖4可以確定受檢焊縫有3處位置微波圖像顯示焊縫異常，其中1號異常位于圖4軸向76～101 mm處,該段位置焊縫發(fā)生長度約12.5 mm的輕微中斷，該處異常程度較輕，屬于輕度異常；2號異常位于圖4軸向178～381 mm處, 該段位置焊縫發(fā)生長度約127 mm的大部分缺失，屬于嚴(yán)重異常；3號異常位于圖4軸向960～1 000～40 mm處的位置(尾首連接處)，該段位置焊縫發(fā)生長度約80 mm的大部分缺失，屬于嚴(yán)重異常。

圖4 熱熔焊縫微波檢測結(jié)果

2.2.2 微波檢測結(jié)果與破壞性測試結(jié)果比對

為了進(jìn)一步分析該條焊縫異常處的實(shí)際焊接質(zhì)量及強(qiáng)度，對該條焊縫進(jìn)行了截取，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19810—2005《聚乙烯(PE)管材和管件 熱熔對接接頭拉伸強(qiáng)度和破壞形式的測定》對截取后的環(huán)焊縫取樣，制作了6個(gè)A型拉伸試樣，拉伸試樣編號及信息見表1。將拉伸試樣的取樣位置與微波檢測結(jié)果進(jìn)行了對比，見圖5。

表1 拉伸試樣編號及信息

(a) 熱熔焊縫微波檢測結(jié)果與拉伸試樣對應(yīng)位置

從圖5(b)可以看出，微波檢測結(jié)果表征的2號和3號嚴(yán)重異常對應(yīng)的2#試樣和6#試樣，其拉伸斷口均為脆性斷裂；微波結(jié)果表征的1號異常為輕度異常，其對應(yīng)的1#試樣斷口雖然為韌性斷裂，但是斷口面積與其他合格位置的斷口形貌相比，面積較大且平整。

拉伸試樣曲線圖見圖6，圖6顯示2號和3號嚴(yán)重異常對應(yīng)的2#、6#試樣拉伸曲線力值在上升階段突然降為0，為明顯的脆性失效特征，1號輕度異常對應(yīng)的1#試樣雖然是韌性斷裂，該位置的斷口形貌雖然也呈現(xiàn)韌性,但是曲線無明顯的屈服階段。

圖6 拉伸試樣曲線圖

3 結(jié)論

微波無損檢測技術(shù)對PE管熱熔接頭內(nèi)部異常檢測有優(yōu)勢，熱熔接頭中影響接頭質(zhì)量的焊接異常在微觀層面體現(xiàn)為高分子結(jié)構(gòu)的改變，這類焊接異常將直接導(dǎo)致接頭強(qiáng)度不足，高分子結(jié)構(gòu)的改變不會影響材料體積、密度的變化，因而傳統(tǒng)的超聲、射線等方法不能檢測這類焊接異常，但是分子結(jié)構(gòu)的改變卻會導(dǎo)致材料介電性能的變化，因此微波無損檢測對這類接頭異常具有可檢測性及較高的靈敏度。

通過對某城市燃?xì)獍惭b現(xiàn)場PE管熱熔接頭進(jìn)行微波檢測，并對其中一道焊縫微波檢測結(jié)果表征的異常位置進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)，微波檢測結(jié)果與破壞性試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，驗(yàn)證了微波無損檢測技術(shù)對熱熔接頭內(nèi)部異常的檢測準(zhǔn)確性。

微波無損檢測技術(shù)能夠借助微波對材料介電性能的敏感性，發(fā)現(xiàn)并檢測出熱熔接頭中的焊接異常，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)處理與分析軟件，使微波能夠?qū)⒈粶y材料“透明化”。微波無損檢測將在非金屬及其復(fù)合材料檢測應(yīng)用領(lǐng)域逐漸發(fā)揮重要作用，在城市燃?xì)?、新能源[4](風(fēng)電、核電)、石油石化、航空航天等領(lǐng)域也將展現(xiàn)應(yīng)用前景。