聚乙烯燃氣管道熱熔接頭微波檢測

李曼曼, 梁雪蓮, 馬旭卿, 陳慶璽, 邸 鑫, 程韋豪

(1.北京市燃氣集團研究院, 北京 100011; 2.北京市燃氣集團有限責任公司, 北京 100035)

1 概述

目前,國內外聚乙烯燃氣管道普遍采用熱熔對接連接和電熔連接,其中,熱熔對接連接是最常用的。聚乙烯燃氣管道焊接接頭是影響管道系統完整性和使用壽命的關鍵。現有焊接質量檢查手段以外觀檢查為主,有些缺陷外觀檢查無法發現,卻嚴重危害管道的長期安全運行,如冷焊缺陷,由于熔合面已經發生熔合,外觀上難以判斷,但是熔接強度較低,在一定壓力下運行一段時間后可能失效。

為進一步提高聚乙烯管道系統的可靠性和安全性,在外觀檢查基礎上,進行無損檢測,可以有效彌補外觀檢查的不足,降低管道運行風險。針對電熔接頭的無損檢測技術,目前較成熟的是超聲波相控陣技術,該技術已經具備施工現場應用的條件,并且已經頒布實施了相應標準。而針對熱熔接頭的焊接質量,一直缺乏有效的無損檢測手段,相關標準僅規定了對接頭外觀進行檢查,無法掌握接頭內部實際的焊接情況。

微波無損檢測(簡稱微波檢測)作為新興的無損檢測技術,為聚乙烯管道熱熔接頭檢測提供了解決方案。聚乙烯屬于介電材料,微波能穿透,檢測出材料的內部結構、界面缺陷、材料老化等問題,并且能精確測定缺陷類別和尺寸[1],以此來評價產品內部結構的完整性、連續性,以評價其質量狀況。目前,微波檢測技術已經在美國廣泛應用,2016年成為ASNT(美國無損檢測學會)手冊中認可的標準檢測方法,2018年被ASTM(美國材料與試驗協會)標準采納。

本文通過制作熱熔接頭試件結合破壞性試驗的方式,對微波檢測技術的檢測效果進行分析和驗證,并通過開展施工現場實際應用對其適用性進行探討。

2 微波檢測

2.1 檢測原理

微波檢測技術基于微波在介電材料中的傳播特性,被檢介電材料中的氣孔、分層、裂紋、夾雜等缺陷會引起該位置介電常數變化,這類變化會導致微波在傳播過程中發生反射,相關裝置通過接收反射信號以及有關位置信息,經過復雜的運算處理,可得到被檢材料內部的結構情況。

微波檢測原理見圖1。探頭由1個微波發射器和A、B兩個接收傳感器組成,兩個接收傳感器間隔1/4波長的距離。微波發射器向被檢工件發射一組微波,微波行進中遇到缺陷,由于缺陷介電常數與被檢工件介電常數不同,微波在介電常數不同的界面(即缺陷邊界)上發生反射,反射的微波與發射的微波產生干涉,干涉微波信號由接收傳感器接收。兩個接收傳感器接收的干涉微波信號存在差異,經EVISIVE專用微波檢測軟件處理生成掃描圖像,給出缺陷的尺寸、形狀等信息。在發射微波的錐形區域(圖1中虛線所示區域)內,所有缺陷邊界反射的微波信號都會被探測到[2]。

圖1 微波檢測原理

2.2 技術特點

微波可在介電材料中自由傳播,材料存在任何微小不連續都會導致該處介電常數變化,微波對介電常數變化非常敏感,因此微波檢測技術對任何微小缺陷都有非常高的檢測靈敏度。微波檢測技術使用的微波具有較低的光子能量,不會像X射線產生有害的光致電離[3]。

由于微波檢測產生數字信息,通過EVISIVE專用微波檢測軟件可以實現檢測圖像可視化,如選擇色彩、灰度等。檢測過程中,需要將探頭與焊接接頭直接接觸,不需要耦合劑,探頭在自動掃查工裝的帶動下沿著接頭表面連續移動。微波檢測聚乙烯管道熱熔接頭見圖2。在役管道也可進行微波檢測。

圖2 微波檢測聚乙烯管道熱熔接頭

3 熱熔接頭微波檢測與破壞性試驗

3.1 熱熔接頭缺陷類型

熱熔接頭缺陷分為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、接頭過短、翻邊錯位或不對稱。工藝缺陷是主要缺陷,約占缺陷總數的80%以上[4]。

① 工藝缺陷

工藝缺陷的形成通常與焊接工藝參數選取不當有關。未焊透通常是由焊接熱量不足、焊接壓力過小或過大、熔合面夾雜導致,嚴重的未焊透稱為未熔合。焊接熱量不足或焊接壓力過小,可能導致熔合面上的高分子未充分擴散纏結,焊接強度會低于正常焊接。焊接壓力過大,會造成熔融物被擠出熔合面,同樣導致焊接強度較低。熔合面夾雜會隔離熔合面,影響高分子的擴散纏結,如果夾雜的是泥水,焊接過程中水分蒸發會帶走一部分熱量,導致焊接熱量不足,造成未焊透。

冷焊也屬于未焊透的一種,是分子層面的微觀缺陷,存在這類缺陷的焊接接頭外觀合格,早期能夠通過壓力試驗,但是會過早地以脆性破壞方式失效。

過焊通常由焊接熱量過多引起,如加熱板溫度過高。過焊危害在于溫度過高會導致聚乙烯材料熱氧化破壞,析出揮發性產物,使聚乙烯材料結構發生變化,導致焊接接頭強度降低。全自動焊機具備加熱板溫度自動監測功能,可以在較大程度上避免過焊缺陷的產生。

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表征,通常是由焊接操作不當、焊機設備故障或工況不良、焊接環境不適宜等因素導致[5]。

3.2 試件制作、微波檢測及拉伸試驗

① 試件制作

本文選取正常焊接工藝參數(加熱溫度220 ℃、加熱時間179 s、焊接壓力2.8 MPa、切換時間8 s、冷卻時間24 min)制作了正常熱熔接頭試件。另外,模擬施工過程中可能導致熱熔接頭產生缺陷的情況,使用全自動焊機采用異常焊接工藝制作了缺陷熱熔接頭試件,異常焊接工藝包括加熱溫度過低、加熱時間過短、焊接壓力過小、加熱時間過長、切換時間過長、冷卻時間過短、熔合面夾雜(水、油、土)。

② 微波檢測

對熱熔接頭試件進行微波檢測,沿接頭圓周方向全自動掃查,最大程度減小人為操作的誤差。

檢測發現,微波檢測可以檢測出由于焊接工藝異常導致的未焊透。由于熱熔接頭微波檢測尚無標準,本文采用分級方法對缺陷程度進行描述,缺陷分級見表1。表1中,l為接頭缺陷長度,L為接頭長度。

表1 熱熔接頭微波檢測缺陷分級

③ 拉伸試驗

拉伸試驗是公認的判斷接頭質量合格與否的驗證方法,直觀體現接頭的熔接強度。完成微波檢測后,對試件進行拉伸試驗,以對比驗證微波檢測結果的可靠性。拉伸試驗執行GB/T 19810—2005《聚乙烯(PE)管材和管件熱熔對接接頭拉伸強度和破壞形式的測定》,將熱熔接頭試件加工成啞鈴狀試樣,試驗溫度(23±2) ℃,拉伸試樣直至完全破壞。拉伸試驗見圖3。按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》對試驗結果進行判定:韌性斷裂,則通過拉伸試驗;脆性斷裂,則未通過拉伸試驗。

圖3 熱熔接頭試樣拉伸試驗

3.3 微波檢測結果與拉伸試驗結果比對

3.3.1總體比對

試件焊接工藝、微波檢測結果、拉伸試驗結果見表2。所有試件的公稱外徑均為315 mm,壁厚均為17.8 mm。若試件存在Ⅰ級、Ⅱ級缺陷,認為風險較低,可以通過拉伸試驗;若存在Ⅲ級缺陷,認為風險較高,無法通過拉伸試驗。

表2 熱熔接頭試件焊接工藝、微波檢測結果和拉伸試驗結果

關于拉伸試驗結果,現行標準只給出了兩種情況:韌性斷裂和脆性斷裂,但在本文研究過程中,發現一些斷面存在韌性斷裂和脆性斷裂混合的形貌,通過向相關領域專家咨詢,將這種韌性斷裂和脆性斷裂混合的形貌歸為韌性斷裂。

將檢測圖像顯示的異常稱為缺陷。

從表2可以看出,除1#和13#試件外,其余12個試件的微波檢測結果與拉伸試驗結果均符合,即微波檢測結果與拉伸試驗結果的符合率為86%。

3.3.2典型試件比對

① 1#試件

1#試件使用正常焊接工藝,焊接后外觀檢查符合CJJ 63—2018。該試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比見圖4。

圖4 1#試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比

圖4a中,微波檢測圖像橫軸代表接頭周長,約990 mm,縱軸代表熱熔接頭軸向檢測區域,長約152 mm。白色虛線框中,深藍色或洋紅色具有一定寬度的色帶為熱熔接頭。由于熱熔接頭區域的材料經過加熱、冷卻再結晶過程,其介電性能與母材產生差異,因此微波檢測圖像可表征熱熔接頭與其周圍母材的介電差異。

微波檢測圖像下方的綠色色條,代表對應位置接頭清晰、規則,平直無波動,未間斷,是焊接良好的圖像特征,經測量該熱熔接頭寬約4 mm;黃色色條代表對應位置接頭顯示不清晰,說明焊接質量不良,可能存在未焊透缺陷;紅色色條代表對應位置接頭顯示中斷,說明焊接質量較差,可能存在未熔合缺陷。

分別選取相應的位置取樣進行拉伸試驗,試樣編號為Ⅰ～Ⅵ,對應的拉伸斷裂形貌見圖4b。圖4b下方的綠色色條代表韌性斷裂形貌,黃色色條代表韌性、脆性混合斷裂形貌,紅色色條代表脆性斷裂形貌。由圖4b可以看出,Ⅰ～Ⅲ試樣為韌性斷裂;Ⅳ、Ⅴ試樣也呈現韌性斷裂形貌,但是斷裂形貌與Ⅰ～Ⅲ試樣有所不同,存在局部微小的脆性斷裂形貌,為韌性、脆性混合斷裂;Ⅵ試樣為脆性斷裂。

由此可知,微波檢測與拉伸試驗結果有較好的一致性,微波檢測結果直觀,檢測靈敏。在該試件檢測分析過程中,也發現了如下問題:a.現行拉伸試驗標準對試驗結果的描述和判定尚不完善,缺少對韌性、脆性混合斷裂形貌的判斷;b.該試件采用了正常焊接工藝,卻出現脆性斷裂情況。該試件采用全自動焊機焊接,因此推測由于加熱板溫度不均勻或者溫度傳感器漂移導致出現焊接缺陷。由此可知,全自動焊機一定要定期校準。

圖5～7中的色條代表意義同圖4。

② 3#試件

在3#試件的焊接工藝中,加熱溫度過低,為180 ℃,焊接后外觀檢查符合CJJ 63—2018。該試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比見圖5。

圖5 3#試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比

從圖5a可以看出,微波檢測圖像下方黃色色條對應位置接頭顯示有波動,不平直,有輕微中斷,判斷可能存在未焊透缺陷;綠色色條對應位置接頭焊接質量較好,判斷合格。

沿接頭圓周方向對應位置取樣進行拉伸試驗,試樣編號為Ⅰ～Ⅵ,均為韌性斷裂形貌。由此可知,微波檢測靈敏度較高,存在一定誤判率。

③ 5#試件

在5#試件的焊接工藝中,加熱時間過短,為正常焊接時間的30%,焊接后外觀檢查符合CJJ 63—2018。該試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比見圖6。

圖6 5#試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比

從圖6a可以看出,該試件的接頭寬度與1#試件相比明顯變窄,微波檢測圖像下方紅色色條對應位置接頭有中斷,判斷可能存在未熔合缺陷。需要注意的是,編號Ⅰ的位置,有一段較深色帶位于接頭上方,可能是表面缺陷,后經確認,該位置確實存在表面缺陷。綠色色條對應位置接頭偏窄,但清晰、平直、無中斷,符合焊接良好的圖像特征,判斷為合格。黃色色條對應位置接頭顯示不清晰,判斷存在未焊透缺陷。

沿接頭圓周方向在對應位置取樣進行拉伸試驗,試樣編號為Ⅰ～Ⅵ,Ⅰ試樣呈現脆性斷裂,Ⅱ～Ⅴ試樣呈現韌性斷裂,Ⅵ試樣主要呈現韌性斷裂,但是局部存在脆性斷裂。微波檢測結果與拉伸試驗結果對應較好,同時,也可看出微波檢測技術能檢測出管材表面缺陷。

④ 14#試件

14#試件模擬熔合面夾雜土的情況,微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比見圖7。

圖7 14#試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比

從圖7a可以看出,微波檢測圖像下方黃色色條對應位置的接頭有輕微中斷,判斷存在未焊透缺陷;綠色色條對應位置的接頭焊接完好,判斷合格。

對應位置的拉伸試驗結果顯示,Ⅰ～Ⅵ試樣均為韌性斷裂形貌,但Ⅱ、Ⅵ試樣的拉伸斷裂形貌并不是典型的韌性斷裂,放大圖見圖8。

圖8 Ⅱ、Ⅵ試樣拉伸斷裂形貌放大圖

Ⅱ試樣位置的微波檢測圖像顯示缺陷,但拉伸后斷口為韌性,可以看到內卷邊內有大量沙子,可能是灑在熔合面的沙子,在焊接過程中被擠入了內卷邊。因此盡管斷口呈韌性,但是內卷邊內的沙子在微波檢測圖像中顯示缺陷。Ⅵ試樣位置的微波檢測圖像顯示缺陷,拉伸發現該斷口呈現韌性與脆性混合。這些進一步表明了微波檢測的靈敏性。

4 施工現場驗證

為驗證微波檢測技術在施工現場的適用性,在施工現場對新施工聚乙烯管道熱熔接頭進行了檢測,檢測的聚乙烯管道公稱外徑分別為315、200、110 mm,是比較有代表性的3種規格。

微波檢測對環境沒有特殊要求,與正常焊接環境要求一致。檢測前需要切除熱熔接頭外卷邊,管道周圍需要寬50 cm的檢測空間。掃查方式為全自動掃查,公稱外徑315、200、110 mm的聚乙烯管道熱熔接頭掃查用時分別為15、8、6 min,可實時成像,檢測結果直觀。微波檢測設備使用220 V交流電。

檢測發現12個熱熔接頭微波檢測圖像存在缺陷,但外觀檢查均合格。存在缺陷的熱熔接頭屬于同一工程、同時期由同一批工人使用同一臺全自動焊機進行焊接。由此可見,外觀檢查存在一定局限性,無法看到接頭內部的實際焊接情況,無損檢測可以彌補外觀檢查的不足,同時也說明全自動焊機的焊接一致性較好。

經過驗證可知,微波檢測技術具備現場應用的可行性,但是缺陷判定指標仍需通過大量實踐確定。

5 結論

① 聚乙烯熱熔接頭試件的微波檢測結果與拉伸試驗結果一致性較高,驗證了微波檢測技術對熱熔接頭內部缺陷的檢測準確性。

② 盡管采用正常工藝焊接熱熔接頭,但是微波檢測結果顯示存在局部缺陷,缺陷位置的拉伸試驗斷口呈現脆性斷裂,說明正常工藝焊接過程中也存在不確定因素,會導致接頭局部缺陷。

③ 合格的熱熔接頭微波檢測圖像顯示為寬度及色彩均勻的條帶。采用熔合面夾雜的焊接工藝,其微波檢測圖像表現為接頭波動與局部缺陷,缺陷部位的拉伸試驗結果為脆性斷裂或脆性、韌性混合斷裂。

④ 微波檢測技術具備施工現場應用的可行性,但是缺陷判定指標仍需通過大量實踐確定。