燃氣聚乙烯管道熱熔接頭無損檢測技術綜述

李 陳 曹彬彬王 維

江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院（江蘇南通 226011）

聚乙烯管道被廣泛應用于城鎮燃氣壓力管道。2000年以后，我國開始大規模在新建城鎮中低壓燃氣壓力管道工程中使用聚乙烯管道。2010年前，聚乙烯熱熔接頭的焊機多為半自動，大量聚乙烯管道并未開展相應的監督檢驗工作，且當時施工工藝不成熟，相關規范不完善，操作人員無需考核，這些因素導致熱熔接頭的熔接質量難以保證。參照金屬管道焊接質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安全運行具有積極意義。

1 熱熔接頭內部缺陷形式的探討

目前，對聚乙烯管道熱熔接頭的缺陷形式分類，業內暫未形成一致的意見。根據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、不規則焊縫翻邊的寬度、光亮帶伴有氣泡或塊狀物、結合不良、氣孔和夾雜異物、收縮產生的氣孔或者氣泡[1]。

何慧娟等[2]認為，由工藝參數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]認為聚乙烯管熱熔焊接應稱為熱熔“粘接”，是通過加熱、擠壓、冷卻等實現聚乙烯聚合物大分子之間相互扭結纏繞。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；因為聚乙烯管材料是高分子聚合物，具有很強的塑性和彈性，不可能在殘余應力作用下產生裂紋缺陷。金屬管的未熔合缺陷是因焊縫金屬與母材未充分熔合產生的，但是在聚乙烯管熔接接頭中不應定義為“未熔合”，而應定義為虛（焊）粘。

熱熔熔接時，接頭內部產生缺陷的原因分析如下：（1）氣孔。聚乙烯管道長期在潮濕環境中保存，由于管頭中存在較多水分，若直接進行熱熔焊接，便會在翻邊和焊縫中產生氣孔，尤其是更換長期埋地老管段時，常有發生。需注意，氣孔并非由焊接時聚乙烯端頭遇水導致，端頭的水會在熔接加熱過程中被蒸發。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，未見氣孔產生。用同批PE80管與已在戶外存放3年的管帽熔接，產生了氣孔。（2）夾雜。早期使用半自動熱熔焊機時，由于施工環境較惡劣，且機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間較長，時有塵土、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、各工藝過程實施的時間）未有效控制，進而產生虛粘、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。

結合工程經驗，認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JB/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，切割及搬運過程中，聚乙烯母材上的劃痕、割傷及與尖銳金屬物撞擊產生的撞傷。

2 熱熔接頭無損檢測方法綜述

聚乙烯管道熱熔接頭的質量與全面質量管理中的人、機、料、法、環因素均相關，每個因素的失控都可能導致接頭失效，進而導致管道安全事故。因此，國內外工程技術人員均在嘗試采用無損檢測手段控制接頭質量。

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《燃氣聚乙烯管道工程技術標準》及TSG D2002—2006《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》，質量檢驗要求包括卷邊對稱性檢驗、接頭對正性檢驗、卷邊切除檢驗。JB/T 12530.2—2015將目視檢測的結果分為I、II、III級，目視檢測的缺陷分為11類，同時對缺陷進行了描述，并對缺陷成因進行了分析。目視檢測中如果發現缺陷可以參考標準中的缺陷成因，可調整工藝、環境、材料、焊機等因素。

目前，運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、衍射時差法超聲波檢測技術、微波測試技術、相控陣超聲檢測技術、X射線檢測技術。張琳[4]利用超聲波測試典型熱熔接頭內焊接缺陷，包括空洞類缺陷和面積型缺陷，結果表明超聲波檢測結果與力學性能檢測具有較好關聯性，可以采用制作距離-波幅曲線，設定靈敏度評判標準進行缺陷的質量分級評價。王少軍等[5]利用超聲相控陣設備，提出采用動態聚焦和S掃成像技術對聚乙烯熱熔接頭進行檢測，并將該技術用于聚乙烯管道，取得良好效果。伍樹坤[6]將X射線技術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界面時，由于聲阻抗不同，會產生反射，脈沖反射法超聲檢測技術即利用該原理，其優點是操作便捷。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備檢驗方法第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重，且聚乙烯管材質不均勻，會導致超聲波檢測盲區較大、靈敏度低及定位不準確[7]。

聚乙烯材料衍射時差超聲檢測依靠缺陷端部在超聲波作用下產生的衍射波進行檢測數據的分析和判讀。該技術可記錄，且靈敏度較高。但存在較多局限性，對數據判讀人員要求較高，數據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。該方法暫時未見有國家標準及地方標準。

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進入另一種介質時，兩種不同介質介電常數的差異會使微波反射，微波反射信號與發射信號產生干涉，經微波探頭接收轉變為微波掃描圖像[7]。當結構中存在與周圍材料不同的介電常數缺陷時，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，其介電常數與周圍材料無差異，容易漏檢。該方法暫時未見有國家標準及地方標準。

超聲相控陣檢測是依據預先設定的延遲法則激發相控陣陣列探頭的各獨立陣元，合成超聲聲束，并實現聲束的移動、偏轉和聚焦等功能，再按相應延遲法則對所接收超聲信號實施信號處理，并以彩色圖像方式顯示檢測對象的內部。通過聲束的聚焦對聚乙烯管道熱熔接頭的內部缺陷實施超聲相控陣檢測，可以實現相控陣檢測分辨率與靈敏度的提高。而超聲波聲束的偏轉以及聚焦點位置變化，可以實現同一個位置上多角度大范圍的掃查，克服傳統超聲波檢測聲速衰減大導致能量損耗嚴重的問題。目前將超聲相控陣法檢測用于聚乙烯管道熱熔接頭的標準有：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《燃氣用聚乙烯（PE）管道焊接接頭相控陣超聲檢測》、DB15/T 1819—2020《燃氣用埋地聚乙烯管道焊接接頭超聲相控陣檢測技術規范》。上述第一個標準未給出典型的缺陷圖譜，后兩個標準雖給出孔洞、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射線檢測技術是根據X射線穿透聚乙烯管道熱熔接頭時，由于密度和厚度的差異導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行X射線檢測時，按GB/T 33488.3—2017《化工用塑料焊接制承壓設備檢驗方法第3部分：射線檢測》，要求控制管電壓在30 kV以下。射線檢測中，焦點越大缺陷影像越不清晰，因此檢測時應選用小焦點。采用大電流可以提高同面積下X射線束的密度，進而提高圖像的細膩度。因此采用X射線檢測時，應選用低電壓、大電流、小焦點的射線工藝。標準中使用的像質計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計。該技術的局限性是具有輻射、效率比其他檢測技術低，在人群密集區域較難實施。

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準包括：ASTM E101-2018《聚乙烯熱熔接頭微波檢測操作規程》、ISO/TS 22499：2019《聚乙烯熱熔接頭超聲相控陣檢測標準》、ASTME3044/E3044M-16《Standard Practice for Ultrasonic Testing of Polyethylene Butt Fusion Joints》。

3 結語

國內外工程技術人員對燃氣聚乙烯管道熱熔接頭無損檢測的研究，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地對接頭中的各類缺陷進行有效檢測，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，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系，形成系統有效的熱熔接頭無損安全評價方法。