聚乙烯燃氣管道焊接接頭無損檢測及質(zhì)量評價

曹偉燁

摘要：焊接接頭是聚乙烯管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，也是影響管道系統(tǒng)完整性的關(guān)鍵因素。本文從焊接接頭缺陷的產(chǎn)生機理分析入手，對缺陷檢測技術(shù)進行了介紹。其中，較為成熟的缺陷檢測手段有超聲波相控陣技術(shù)和微波技術(shù)，兩種技術(shù)分別在電熔接頭和熱熔接頭的無損檢測方面有明顯優(yōu)勢。焊接質(zhì)量評價研究目前尚處于起步階段，實現(xiàn)真正的焊接質(zhì)量評價需要大量的實踐驗證。

關(guān)鍵詞：焊接接頭;缺陷;檢測;焊接質(zhì)量評價

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。現(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。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。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 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。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。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。

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。

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;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、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。

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。

3.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。

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。

參考文獻：

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