聚乙烯燃?xì)夤艿篮附淤|(zhì)量無損檢測技術(shù)的應(yīng)用

上海海賢能源股份有限公司 周思君

聚乙烯(PE)管道因其質(zhì)量輕、可回收、使用壽命長和耐腐蝕等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)。目前上海海賢能源股份有限公司(以下簡稱公司)運(yùn)行的PE 燃?xì)夤艿乐饕褂迷诘蛪喝細(xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)中，運(yùn)行壓力為2 kPa，長度約為753 km，占燃?xì)夤艿揽傞L的53%。據(jù)2021 年1 月—9 月公司搶維修記錄報(bào)告，有60 起各類埋地燃?xì)夤苄孤妒鹿手蠵E 管占36 起，其中8 起為PE 管自然損壞。

1 PE 管道焊接方式

目前PE 燃?xì)夤艿涝试S使用的兩種焊接方式分別是熱熔對(duì)接和電熔套接。熱熔對(duì)接是把表面處理干凈的PE 管用加熱裝置將要熔焊的兩根管材端面加熱至規(guī)定的溫度下，將兩根管材對(duì)接熔合，熔合要在一定的壓力下進(jìn)行。電熔套接就是先用直徑與管材匹配的電熔套接接頭將兩根管材套住，然后將接頭里熱阻絲通電發(fā)熱對(duì)管材表面的聚乙烯分子加溫至熔合狀態(tài)，使套接接頭與管材熔合。不管采用何種焊接方式，都是根據(jù)PE 管材的直徑及管材配件來選擇的，但對(duì)于公稱外徑小于90 mm 或壁厚小于6 mm 的應(yīng)采用電熔套接。

PE 材料焊接時(shí)由于不需要焊條，在焊接時(shí)保證了焊合處材料和母材一致，管材熔合處端面如果處理干凈和焊接工藝達(dá)到了要求，熔合處基本不會(huì)產(chǎn)生缺陷。一旦焊接時(shí)沒達(dá)到相關(guān)工藝要求，如加熱時(shí)溫度過高或過低時(shí)就會(huì)使焊接接頭產(chǎn)生過焊、冷焊等缺陷。尤其在焊接環(huán)境較為惡劣的施工現(xiàn)場，泥土、污水等會(huì)吸附在PE 管材端面，若未及時(shí)清理干凈，這些污染物會(huì)一起熔合到管材端面處，在熔合焊縫處出現(xiàn)氣孔、未熔合、夾雜物等焊接缺陷，從而影響PE 管道的焊接質(zhì)量[1]。

2 PE 管道焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

2.1 檢驗(yàn)方法

燃?xì)夤こ蘌E 管道焊接質(zhì)量檢驗(yàn)現(xiàn)在采用的是外觀檢查、現(xiàn)場檢查和焊接數(shù)據(jù)分析檢查。CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：燃?xì)夤艿拦こ痰尿?yàn)收包括管道連接的驗(yàn)收和管道工程的試驗(yàn)。管道連接驗(yàn)收中，電熔接頭應(yīng)滿足管材和管件相互對(duì)、觀察孔內(nèi)物料頂起、接縫處物料和電阻絲未被擠出等要求；熱熔接頭應(yīng)通過卷邊對(duì)稱性試驗(yàn)、接頭對(duì)正性檢驗(yàn)和部分接頭卷邊切除檢驗(yàn)。管道工程的試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行管道吹掃、強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)。上述這些要求主要是對(duì)施工過程進(jìn)行質(zhì)量控制，并不能直觀展現(xiàn)焊接質(zhì)量。

電熔接頭超聲檢測的量化評(píng)級(jí)技術(shù)趨于成熟，主要有GB/T 29461—2012《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》和GB/T 29460—2012《含缺陷聚乙烯管道電熔接頭安全評(píng)定》。熱熔接頭超聲檢測通過改善耦合聚焦技術(shù)，大大提高了檢測靈敏度和信噪比。上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的DB31/T 1058—2017《燃?xì)庥镁垡蚁?PE)管道焊接接頭相控陣超聲檢測》作為檢驗(yàn)層面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將超聲相控陣檢測方式作為標(biāo)準(zhǔn)檢測方法。

2.2 超聲相控陣檢測

傳統(tǒng)超聲檢測使用單一的探頭，采用機(jī)械掃查的方式移動(dòng)探頭對(duì)工件進(jìn)行掃查。受工件的形狀和耦合程度的限制，這種檢測模式速度慢、靈敏度較低，僅能在儀器上顯示掃描波形圖，測量結(jié)果顯示不具體，無法根據(jù)需要靈活改變聚焦深度等參數(shù)，難以滿足檢測需求。

超聲相控陣檢測技術(shù)是基于脈沖反射法檢測技術(shù)發(fā)展起來的一種新型檢測方法。超聲相控陣探頭是由若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的陣元組成，相當(dāng)于一個(gè)單陣元用晶片分割法分成若干小陣元，其中每個(gè)小陣元都能獨(dú)立發(fā)射聲波，按照不同的延時(shí)法則(Delay laws)控制每個(gè)陣元發(fā)射聲波的時(shí)間順序，使不同陣元發(fā)射的超聲波束疊加形成超聲波陣面，改變聲束聚焦點(diǎn)和聚焦方向合成相控陣波束，最終生成掃描圖像。與脈沖反射法相比，超聲相控陣檢測技術(shù)的聲束偏轉(zhuǎn)角可任意改變、聚焦深度在試驗(yàn)過程中可調(diào)節(jié)、檢測的靈敏度高。采用超聲相控陣技術(shù)，可以通過計(jì)算機(jī)靈活地控制超聲波束的入射角度、焦點(diǎn)及焦距，且超聲波束可在探頭內(nèi)快速平移調(diào)整，同時(shí)保證接收信號(hào)有良好的分辨率和信噪比。這也使超聲相控陣技術(shù)檢測接頭的適用性大大增強(qiáng)[2]。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

水域春岸雅苑配套燃?xì)馀殴芄こ添?xiàng)目位于奉賢區(qū)大型居住社區(qū)內(nèi)，在賢浦路以東、北行路南北兩側(cè)，分為南北區(qū)，住宅建筑面積15.66 萬m2，住戶1 592 戶，屬較大型住宅配套建設(shè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目于2019 年8 月26 日開工，先行施工中壓燃?xì)夤艿?，?021 年4 月中旬開始實(shí)施低壓PE 管敷設(shè)工作，管材材質(zhì)為SDR11、PE80，供應(yīng)商均為航天能源，口徑包括dn250、dn200、dn160、dn110、dn63、dn50及dn40，檢測工作與現(xiàn)場敷設(shè)同步實(shí)施。

3.2 檢測評(píng)定依據(jù)

檢測評(píng)定依據(jù)為DB 31/T 1058—2017，首先判斷接頭中存在的缺陷，然后根據(jù)接頭中存在的缺陷性質(zhì)、數(shù)量和密切程度，其質(zhì)量等級(jí)可劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)。

熱熔接頭缺陷性質(zhì)包括：孔洞、熔合面夾雜(如夾砂、灰塵、金屬等)、未熔合及裂紋。其中，熔合面夾雜缺陷的質(zhì)量分級(jí)的評(píng)定見表1。

表1 熔合面夾雜缺陷的質(zhì)量分級(jí)

電熔接頭缺陷性質(zhì)包括：接頭中的孔洞、熔接面夾雜(如夾物、油污、氧化皮未刮等)、冷焊、過焊、電阻絲錯(cuò)位及管材承插不到位。其中，冷焊缺陷和孔洞缺陷的質(zhì)量分級(jí)的評(píng)定見表2、表3。

表2 冷焊缺陷的質(zhì)量分級(jí)

表3 孔洞缺陷的質(zhì)量分級(jí)

3.3 檢測結(jié)果與分析

本項(xiàng)目采用的超聲相控陣檢測設(shè)備為海驕BAMBOO-300E 型，符合GB/T 27664.1—2011《無損檢測 超聲檢測設(shè)備的性能與檢驗(yàn) 第1 部分：儀器》，耦合劑為PE 專用耦合劑，符合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》。設(shè)備經(jīng)中國特種設(shè)備檢測研究院通過性能測試并出具合格評(píng)價(jià)報(bào)告。

根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度，共分11 天(跨度從4 月到9 月)對(duì)現(xiàn)場PE 管道焊接作業(yè)進(jìn)行超聲相控陣現(xiàn)場檢驗(yàn)，其中電熔接頭100%檢測，計(jì)141 個(gè)；熱熔接頭按10%抽樣檢測，計(jì)29 個(gè)。按DB31/T 1058—2017 對(duì)不同類型缺陷進(jìn)行定量評(píng)級(jí)，接頭質(zhì)量等級(jí)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)，達(dá)到Ⅰ、Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可評(píng)定合格，Ⅲ級(jí)及以上評(píng)定不合格，需要返修后再行檢測。最終檢驗(yàn)結(jié)果為：熱熔接頭質(zhì)量一次合格率為96.55%，1 個(gè)接頭夾雜類缺陷Ⅲ級(jí)，除此以外均為Ⅰ級(jí)；電熔接頭質(zhì)量一次合格率為92.20%，10 個(gè)接頭Ⅲ級(jí)，缺陷類型為夾雜和孔洞類，除此以外，共有34 個(gè)接頭Ⅱ級(jí)，具體缺陷類型的數(shù)量見表4。

表4 電熔Ⅱ、Ⅲ級(jí)缺陷類型的接頭數(shù)量

對(duì)有特征缺陷的焊接質(zhì)量具體分析如下：

(1) 熔合面夾雜。熱熔接頭編號(hào)R-003 的超聲相控陣顯示如圖1 所示，測得缺陷高度4.27 mm，該dn200 管段壁厚為18.18 mm，計(jì)算得出缺陷高度占壁厚的23.49%。對(duì)照表1，該接頭在熔合面中夾雜缺陷長度≥15%壁厚，質(zhì)量評(píng)定為Ⅲ級(jí)。

圖1 R-003 超聲相控陣顯示

分析原因?yàn)楹笝C(jī)加熱板表面粘有泥土灰塵，焊接時(shí)黏附在管材端面形成熔合面夾雜缺陷。

(2) 冷焊缺陷。本次檢測結(jié)果電熔接頭有9 處冷焊缺陷Ⅲ級(jí)，數(shù)量最多。如編號(hào)D-068 的超聲相控陣測得其底面信號(hào)缺失長度9 mm，該電熔管件口徑dn63 的熔合區(qū)長約27 mm，可知缺陷占比達(dá)33.33%。對(duì)照表2，冷焊缺陷占比大于30%，質(zhì)量評(píng)定為Ⅲ級(jí)。該接頭安裝現(xiàn)場如圖2 所示，分析原因?yàn)楹附訒r(shí)管材管件不同軸，部分管材管件之間存在間隙，使得電阻絲熱量不能傳遞至管材，管材管件不能熔合在一起，造成冷焊。此類缺陷在超聲相控陣檢測時(shí)表現(xiàn)為底面信號(hào)缺失。

圖2 D-068 安裝現(xiàn)場

(3) 孔洞缺陷。編號(hào)D-004 口徑為dn63 的管段安裝現(xiàn)場和超聲相控陣顯示如圖3 圖4 所示，測得孔洞長度4.7 mm，計(jì)算得出孔洞長度占熔合區(qū)長度的17.41%。對(duì)照表3，孔洞長度大于10%，質(zhì)量評(píng)定為Ⅲ級(jí)。分析原因?yàn)楣懿墓芗b配時(shí)不同軸，造成局部間隙過大，形成嚴(yán)重孔洞缺陷。

圖3 D-004 安裝現(xiàn)場

圖4 D-004 超聲相控陣顯示

綜上可知熔合面夾雜、冷焊、孔洞等缺陷生成主要與現(xiàn)場施工操作規(guī)范與否相關(guān)。電熔套接安裝時(shí)一旦存在不同軸、插入不到位等情況，極易引起冷焊、孔洞焊接缺陷。熱熔對(duì)接時(shí)加熱板溫度、管材表面清潔度、安裝錯(cuò)邊量和焊接冷卻壓力等不滿足工藝要求時(shí)，會(huì)產(chǎn)生未熔合、過焊、熔合面夾雜、孔洞等缺陷。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目超聲相控陣質(zhì)量檢測工作是在各參建單位重視及聚焦的情況下進(jìn)行，檢測結(jié)果Ⅱ級(jí)缺陷占比20.5%、Ⅲ級(jí)缺陷占比7%。如沒有第三方檢測監(jiān)督工作，相信焊接總體質(zhì)量可能會(huì)更低。從公司年度安全管理運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，PE 泄露占比60%，其中PE 接頭處屬自然泄露為13.3%，因此需要分析PE 燃?xì)夤艿篮附赢a(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，并提出有針對(duì)性的工作舉措，加強(qiáng)管理、提高意識(shí)、規(guī)范操作，從而提升現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制效果。

超聲相控陣檢測技術(shù)對(duì)于PE 燃?xì)夤艿篮附佑绕涫菍?duì)電熔接頭的質(zhì)量控制具體良好的效果。考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素，建議在相對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目中如學(xué)校、商場等項(xiàng)目中推行，對(duì)于住宅項(xiàng)目有條件逐步實(shí)施。