燃?xì)饩垡蚁┕艿罒崛劢宇^無損檢測技術(shù)綜述

李 陳 曹彬彬王 維

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院（江蘇南通 226011）

聚乙烯管道被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃?xì)鈮毫艿馈?000年以后，我國開始大規(guī)模在新建城鎮(zhèn)中低壓燃?xì)鈮毫艿拦こ讨惺褂镁垡蚁┕艿馈?010年前，聚乙烯熱熔接頭的焊機(jī)多為半自動，大量聚乙烯管道并未開展相應(yīng)的監(jiān)督檢驗(yàn)工作，且當(dāng)時(shí)施工工藝不成熟，相關(guān)規(guī)范不完善，操作人員無需考核，這些因素導(dǎo)致熱熔接頭的熔接質(zhì)量難以保證。參照金屬管道焊接質(zhì)量管理方法對聚乙烯熱熔接頭開展無損檢測，對保障聚乙烯管道平穩(wěn)安全運(yùn)行具有積極意義。

1 熱熔接頭內(nèi)部缺陷形式的探討

目前，對聚乙烯管道熱熔接頭的缺陷形式分類，業(yè)內(nèi)暫未形成一致的意見。根據(jù)JB/T 12530—2015《塑料焊縫無損檢測方法 第2部分：目視檢測》，聚乙烯熱熔接頭缺陷分為11類：裂紋、焊接表面不匹配、缺口和劃痕、形成不良、焊接表面角度不匹配、焊縫呈閃光型、焊縫翻邊量太大或太小、不規(guī)則焊縫翻邊的寬度、光亮帶伴有氣泡或塊狀物、結(jié)合不良、氣孔和夾雜異物、收縮產(chǎn)生的氣孔或者氣泡[1]。

何慧娟等[2]認(rèn)為，由工藝參數(shù)引起的熱熔接頭焊接缺陷有過焊、冷焊、焊縫窄小和卷邊焊，由操作不當(dāng)引起的焊接缺陷有不對中，其他缺陷有氣孔、未熔合、夾渣、未焊透和裂紋。

董守江[3]認(rèn)為聚乙烯管熱熔焊接應(yīng)稱為熱熔“粘接”，是通過加熱、擠壓、冷卻等實(shí)現(xiàn)聚乙烯聚合物大分子之間相互扭結(jié)纏繞。其工藝與金屬焊接工藝完全不同，因此聚乙烯管“粘接”過程中，不存在氣孔、夾雜和未焊透；因?yàn)榫垡蚁┕懿牧鲜歉叻肿泳酆衔?，具有很?qiáng)的塑性和彈性，不可能在殘余應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋缺陷。金屬管的未熔合缺陷是因焊縫金屬與母材未充分熔合產(chǎn)生的，但是在聚乙烯管熔接接頭中不應(yīng)定義為“未熔合”，而應(yīng)定義為虛（焊）粘。

熱熔熔接時(shí)，接頭內(nèi)部產(chǎn)生缺陷的原因分析如下：（1）氣孔。聚乙烯管道長期在潮濕環(huán)境中保存，由于管頭中存在較多水分，若直接進(jìn)行熱熔焊接，便會在翻邊和焊縫中產(chǎn)生氣孔，尤其是更換長期埋地老管段時(shí)，常有發(fā)生。需注意，氣孔并非由焊接時(shí)聚乙烯端頭遇水導(dǎo)致，端頭的水會在熔接加熱過程中被蒸發(fā)。用泡水15天的DN160的PE80管，在管端涂水，采用正常熱熔工藝焊接，未見氣孔產(chǎn)生。用同批PE80管與已在戶外存放3年的管帽熔接，產(chǎn)生了氣孔。（2）夾雜。早期使用半自動熱熔焊機(jī)時(shí)，由于施工環(huán)境較惡劣，且機(jī)器的自動化程度較低，甚至加熱后拆除加熱板和擠壓成型的過程也由工人控制，加熱完畢到擠壓開始的間隔時(shí)間較長，時(shí)有塵土、草根等夾雜物混入接頭中。（3）虛粘、假粘、過焊及冷焊。由于焊接聚乙烯管的熱熔（焊接）粘接3個(gè)控制要素（即聚乙烯管材的熔融加熱溫度、管口的對接壓力、各工藝過程實(shí)施的時(shí)間）未有效控制，進(jìn)而產(chǎn)生虛粘、假粘、過焊及冷焊未充分熔合缺陷。（4）不存在夾渣、未焊透。熱熔粘接均為母材相融合，不存在焊材，因此不存在焊藥皮，更不存在夾渣。熱熔粘接也不存在坡口，因此不存在未焊透。

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為目前在用聚乙烯管道熱熔對接接頭外部目視缺陷可以參照J(rèn)B/T 12530—2015中第2部分目視檢測的方法。主要存在于熱熔對接接頭內(nèi)部的缺陷為氣孔、夾雜、虛粘、假粘、過焊、冷焊缺陷，鑒于聚乙烯熔接特性、材料特性，不存在金屬焊接意義上的夾渣、未焊透、未熔合、裂紋缺陷。需要特別注意的是，切割及搬運(yùn)過程中，聚乙烯母材上的劃痕、割傷及與尖銳金屬物撞擊產(chǎn)生的撞傷。

2 熱熔接頭無損檢測方法綜述

聚乙烯管道熱熔接頭的質(zhì)量與全面質(zhì)量管理中的人、機(jī)、料、法、環(huán)因素均相關(guān)，每個(gè)因素的失控都可能導(dǎo)致接頭失效，進(jìn)而導(dǎo)致管道安全事故。因此，國內(nèi)外工程技術(shù)人員均在嘗試采用無損檢測手段控制接頭質(zhì)量。

與金屬焊接無損檢測類似，熱熔接頭無損檢測前也需外觀檢測，按照CJJ63—2018《燃?xì)饩垡蚁┕艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》及TSG D2002—2006《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》，質(zhì)量檢驗(yàn)要求包括卷邊對稱性檢驗(yàn)、接頭對正性檢驗(yàn)、卷邊切除檢驗(yàn)。JB/T 12530.2—2015將目視檢測的結(jié)果分為I、II、III級，目視檢測的缺陷分為11類，同時(shí)對缺陷進(jìn)行了描述，并對缺陷成因進(jìn)行了分析。目視檢測中如果發(fā)現(xiàn)缺陷可以參考標(biāo)準(zhǔn)中的缺陷成因，可調(diào)整工藝、環(huán)境、材料、焊機(jī)等因素。

目前，運(yùn)用在熱熔接頭上較為成熟的無損檢測手段有：脈沖反射法超聲檢測技術(shù)、衍射時(shí)差法超聲波檢測技術(shù)、微波測試技術(shù)、相控陣超聲檢測技術(shù)、X射線檢測技術(shù)。張琳[4]利用超聲波測試典型熱熔接頭內(nèi)焊接缺陷，包括空洞類缺陷和面積型缺陷，結(jié)果表明超聲波檢測結(jié)果與力學(xué)性能檢測具有較好關(guān)聯(lián)性，可以采用制作距離-波幅曲線，設(shè)定靈敏度評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺陷的質(zhì)量分級評價(jià)。王少軍等[5]利用超聲相控陣設(shè)備，提出采用動態(tài)聚焦和S掃成像技術(shù)對聚乙烯熱熔接頭進(jìn)行檢測，并將該技術(shù)用于聚乙烯管道，取得良好效果。伍樹坤[6]將X射線技術(shù)用于聚乙烯管道熱熔接頭檢測，夾雜、氣孔缺陷可以有效檢出，冷焊及過焊檢測效果較差。

超聲波通過不同的介質(zhì)界面時(shí)，由于聲阻抗不同，會產(chǎn)生反射，脈沖反射法超聲檢測技術(shù)即利用該原理，其優(yōu)點(diǎn)是操作便捷。脈沖反射法檢測可參考GB/T 33488.4—2017《化工用塑料焊接制承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法第4部分：超聲檢測》4.4.2.3部分：探頭采用縱波換能器，所選的換能器要使缺陷靈敏度最大化，并不影響信噪比性能，因此聚乙烯材料超聲檢測需使用縱波檢測。但聚乙烯材料的超聲波聲速較低，縱波聲速為2 000～2 300 m/s，超聲波在聚乙烯材料中的衰減非常嚴(yán)重，且聚乙烯管材質(zhì)不均勻，會導(dǎo)致超聲波檢測盲區(qū)較大、靈敏度低及定位不準(zhǔn)確[7]。

聚乙烯材料衍射時(shí)差超聲檢測依靠缺陷端部在超聲波作用下產(chǎn)生的衍射波進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的分析和判讀。該技術(shù)可記錄，且靈敏度較高。但存在較多局限性，對數(shù)據(jù)判讀人員要求較高，數(shù)據(jù)判讀和圖像識別較為困難；難以完成對近表面缺陷、橫向缺陷以及未充分熔合等不能產(chǎn)生衍射波缺陷的檢測，容易漏檢；對缺陷定性比較困難。該方法暫時(shí)未見有國家標(biāo)準(zhǔn)及地方標(biāo)準(zhǔn)。

微波檢測是利用高頻電磁波檢測接頭的無損檢測方法，原理是微波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，兩種不同介質(zhì)介電常數(shù)的差異會使微波反射，微波反射信號與發(fā)射信號產(chǎn)生干涉，經(jīng)微波探頭接收轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉⊕呙鑸D像[7]。當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在與周圍材料不同的介電常數(shù)缺陷時(shí)，熱熔焊接接頭中的缺陷通過微波檢測原理就能檢測出。但熱熔接頭中危害性較大的過焊、冷焊缺陷，其介電常數(shù)與周圍材料無差異，容易漏檢。該方法暫時(shí)未見有國家標(biāo)準(zhǔn)及地方標(biāo)準(zhǔn)。

超聲相控陣檢測是依據(jù)預(yù)先設(shè)定的延遲法則激發(fā)相控陣陣列探頭的各獨(dú)立陣元，合成超聲聲束，并實(shí)現(xiàn)聲束的移動、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能，再按相應(yīng)延遲法則對所接收超聲信號實(shí)施信號處理，并以彩色圖像方式顯示檢測對象的內(nèi)部。通過聲束的聚焦對聚乙烯管道熱熔接頭的內(nèi)部缺陷實(shí)施超聲相控陣檢測，可以實(shí)現(xiàn)相控陣檢測分辨率與靈敏度的提高。而超聲波聲束的偏轉(zhuǎn)以及聚焦點(diǎn)位置變化，可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)位置上多角度大范圍的掃查，克服傳統(tǒng)超聲波檢測聲速衰減大導(dǎo)致能量損耗嚴(yán)重的問題。目前將超聲相控陣法檢測用于聚乙烯管道熱熔接頭的標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 32563—2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》、DB31/T 1058—2017《燃?xì)庥镁垡蚁≒E）管道焊接接頭相控陣超聲檢測》、DB15/T 1819—2020《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕艿篮附咏宇^超聲相控陣檢測技術(shù)規(guī)范》。上述第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)未給出典型的缺陷圖譜，后兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雖給出孔洞、夾雜、未熔合、正常焊接的圖譜，但未給出冷焊缺陷圖譜[8]。主要原因是至今仍無有效檢測出冷焊的相控陣檢測方法。

X射線檢測技術(shù)是根據(jù)X射線穿透聚乙烯管道熱熔接頭時(shí)，由于密度和厚度的差異導(dǎo)致膠片上形成缺陷影像的檢測方法。聚乙烯材料的密度為0.91～0.96 g/cm3，密度較小，X射線穿過聚乙烯后衰減非常小。對聚乙烯熱熔接頭進(jìn)行X射線檢測時(shí)，按GB/T 33488.3—2017《化工用塑料焊接制承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法第3部分：射線檢測》，要求控制管電壓在30 kV以下。射線檢測中，焦點(diǎn)越大缺陷影像越不清晰，因此檢測時(shí)應(yīng)選用小焦點(diǎn)。采用大電流可以提高同面積下X射線束的密度，進(jìn)而提高圖像的細(xì)膩度。因此采用X射線檢測時(shí)，應(yīng)選用低電壓、大電流、小焦點(diǎn)的射線工藝。標(biāo)準(zhǔn)中使用的像質(zhì)計(jì)包裝材料并非聚乙烯材料，影響了底片的黑度，建議采用聚乙烯材料包裝像質(zhì)計(jì)。該技術(shù)的局限性是具有輻射、效率比其他檢測技術(shù)低，在人群密集區(qū)域較難實(shí)施。

為給熱熔接頭無損檢測人員提供參考，檢索查閱到的國外聚乙烯檢測標(biāo)準(zhǔn)包括：ASTM E101-2018《聚乙烯熱熔接頭微波檢測操作規(guī)程》、ISO/TS 22499：2019《聚乙烯熱熔接頭超聲相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)》、ASTME3044/E3044M-16《Standard Practice for Ultrasonic Testing of Polyethylene Butt Fusion Joints》。

3 結(jié)語

國內(nèi)外工程技術(shù)人員對燃?xì)饩垡蚁┕艿罒崛劢宇^無損檢測的研究，尚未如對金屬焊接接頭無損檢測研究一樣成熟，還未有一種方法能夠系統(tǒng)地對接頭中的各類缺陷進(jìn)行有效檢測，特別是亟需攻克熱熔接頭冷焊缺陷的檢測難題，并可以此為基礎(chǔ)，建立聚乙烯熱熔接頭缺陷類型、失效模式及無損檢測方法選擇的關(guān)系，形成系統(tǒng)有效的熱熔接頭無損安全評價(jià)方法。