燃氣用聚乙烯管道熱熔接頭冷焊缺陷檢測

郭 濤 石 潔 蔡 勤 朱國苗 王 軍 趙星波 韓佩城 劉英和

（1. 紹興市特種設備檢測院，浙江 紹興 312071；2. 紹興市特種設備智能檢測與評價重點實驗室，浙江 紹興 312071；3. 廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，廣東 珠海 519002；4. 北京欣盟電子技術有限公司，北京 100041；5. 北京科安特無損檢測公司，北京 100041）

0 引言

聚乙烯管（Polyethylene，簡稱PE）屬于高分子聚合物，以乙烯為主要原料經聚合反應制得的一種熱塑性樹脂，具有耐腐蝕、抗震好、壽命長等優點，廣泛應用在天然氣、核電廠安全三級與非安全級的用水系統等管道系統[1,2]。PE連接方式以熱熔連接和電熔連接為主，CJJ 33-2005《城鎮燃氣輸配工程施工及驗收規范》，DN>90的管道一般采用熱熔連接。熱熔連接是利用熱塑性塑料隨溫度變化而呈現不同的物態變化，在外力和適當溫度范圍，將PE管兩端面加熱到粘流態（熔融溫度）后停止加熱，移去加熱裝置在一定壓力作用下兩側管端粘流態斷面充分接觸，聚合物分子之間發生遷移、擴散、扭結或纏繞后形成熔接接頭[3]。具體制作過程如圖1所示。

圖1 PE管工藝制作過程

1 熱熔接頭缺陷種類

由于PE管熱熔接頭連接模式和金屬焊接方式有本質的區別，其失效模式與金屬焊接方式不同，金屬焊縫中常見的氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等缺陷，在PE管熔接接頭中缺陷不可能有完全相同的存在。董守江[4]認為PE管對接接頭中存在的“虛焊”、“假焊”缺陷，秦永泉[5]將熱熔接頭缺陷分為裂紋、孔洞、熔合面夾雜和工藝缺陷四類，工藝缺陷分為四種：冷焊、過焊、焊縫過短、不對中。DB31/T 1162-2019《燃氣聚乙烯管道定期檢驗技術規則》認為熱熔接頭存在外觀不良、裂紋、夾雜、冷焊、過焊等缺陷。閔文[6]根據缺陷的形貌和成因，將熱熔焊接接頭缺陷分為宏觀缺陷和工藝缺陷兩大類，宏觀缺陷細化成不對中、裂紋、孔洞、熔合面夾雜和熔合面熔合不良5類，工藝缺陷分為冷焊、過焊和焊縫過短3類。GB/T 33488.3-2017《化工用塑料焊接制承壓設備檢驗方法》和JB/T 12530.3-2015《塑料焊縫無損檢測方法》熱熔接頭存在裂紋、未熔合、未焊透、條形缺陷和圓形缺陷五類。T/CASEI 006-2022《在役聚乙烯燃氣管道檢驗與評價》將焊接缺陷分為熔合面夾雜、孔洞、結構畸變、冷焊、過焊、承插不到位、焊縫過短。認為焊接接頭受熱不足造成冷焊。焊接接頭受熱過大容易造成過焊。何慧娟[7]將熱熔接頭分為工藝缺陷、不對中、其他缺陷三類。DB34/T 3193-2018《燃氣用PE管道對接焊縫X射線檢測與評定》中缺陷按性質和形狀分為裂紋、未熔合、條形缺陷、圓形缺陷四類。目前國內相關標準和研究機構認定的失效模式不盡相同，但是都認為冷焊是熱熔接頭最危險的缺陷，因此本文重點圍繞熱熔接頭冷焊缺陷檢測進行研究。

2 冷焊缺陷檢測方法

2.1 接頭質量評價方法

PE熱熔接頭現場制作完成后，應對接頭質量檢測合格之后方可進入下一道工序。檢測方法分為破壞性和非破壞性檢測，具體檢測分類如表1所示。比如CJJ 63-2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》熱熔對接連接接頭的質量檢驗規定：（1）熱熔對接連接完成后，應對接頭進行100%卷邊對稱性和接頭對正性檢驗，并應對開挖敷設不少于15%的接頭進行卷邊切除檢驗，水平定向鉆非開挖施工應進行100%接頭卷邊切除檢驗，當抽樣檢驗的全部接口合格時，應判定該批接口全部合格。當抽樣檢驗的接口出現不合格的情況時，應判定接口不合格，并按一定規則加倍抽樣檢驗。

表1 標準關于PE接頭質量評價方法

2.2 熱熔接頭無損檢測研究進展

蔡勤[8-10]介紹了熱熔接頭常見的無損檢測方法，如超聲檢測、X射線技術、紅外成像、微波檢測，模擬施工現場制作了正常熱熔接頭和冷焊缺陷熱熔接頭,通過專門的X射線機進行射線檢測能直觀而且有效發現熱熔接頭的冷焊缺陷；施建峰[11]重點介紹超聲相控陣和微波技術的國內外標準，以及存在的不足。李滄等[12,13]提出一種非金屬壓力管道的檢驗方法，得出DR檢測能夠作為一種可靠檢驗手段對聚乙烯焊接接頭進行內部缺陷探傷。王壽超[14]分別采用工業CT檢測、X射線數字成像檢測技術以及超聲波檢測3種檢測方法對聚乙烯燃氣管道焊縫進行檢測，并對3種檢測方法的效果進行比較。何慧娟[7]參考金屬管道X射線數字成像檢測參數的確定方法，研究X射線數字成像檢測方法應用于聚乙烯管熱熔焊接接頭的缺陷檢測。針對典型的聚乙烯管熱熔接頭缺陷分析各方面影響因素，得出了檢測效果最佳的X射線數字成像檢測參數。伍樹坤[15]對比了常規超聲波檢測和X射線檢測相同聚乙烯熱熔接頭缺陷的檢測結果，得出X射線檢測時采用較低的曝光能量兩種檢測方法都可以檢測出缺陷，缺陷的位置、大小基本吻合。韓光明[16]等認為聚乙烯管道熱熔熔接接頭中嚴重的危害性缺陷是“未充分熔合”，這種缺陷具有“透聲”的聲學性能。對利用A型超聲波、TOFD、超聲相控陣等檢測設備檢測聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭存在的問題進行了分析。

2.3 存在的問題

（1）冷焊缺陷的接頭外翻邊檢測是合格的，所以外觀檢測一般是很難發現，需要采用無損檢測手段實現，所以真正檢測冷焊缺陷前，宏觀檢查發現翻邊量不合格的接頭就已經被排除；

（2）現有的熱熔接頭用射線檢測方法，事先預制一定種類的缺陷，一般都是夾雜、孔洞之類的，但是真正檢測冷焊缺陷的并不多；

（3）按照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》：射線檢測和JB/T 12530.3-2015《塑料焊縫無損檢測方法第3部分 射線檢測規定》，宜選用管電壓30kV或以下的X射線探傷機，其基本性能應符合GB/T 26387的規定。現有的射線機通過在機頭上添加不同材質和厚度的金屬板材，如銅、鉛等，表面上看，穿透后的射線電壓值降低了，但同時改變了射線的波長，使其不具備穿透PE管大分子結構的能力，不能有效區分缺陷；

（4）現階段冷焊檢測手段還比較少，研究的重點還是圍繞如何檢出，缺乏不同方法的相互驗證，使其更具備說服力。

3 試樣檢測及工藝

3.1 檢測儀器

在多個單位的共同努力下，研制一種PE專用射線機，如圖2所示，射線機能量范圍：至少覆蓋8～30kV，焦點尺寸：≤0.5mm，電流范圍：最大電流不低于20mA，輻射方式：定向輻射，靶材：Mo（鉬），固有過濾精度/mm（Be）：0.3mm，頻率：不低于50KHz。

圖2 PE專用射線機結構圖

3.2 試樣參數

依據TSG D2002-2006《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》制作熱熔接頭，主要考慮加熱板溫度和吸熱時間，以規定的焊接能量的60%制作全周向熱熔焊縫，如圖3所示，規格為Φ355×21.1mm，檢測前已清除外卷邊。

圖3 PE熱熔接頭冷焊試樣

3.3 檢測工藝

3.3.1 電壓的選擇

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：射線檢測規定》，宜選用管電壓30kV或以下的X射線探傷，基于射線檢測原理，提高管電壓，射線強度增加，但管電壓提高的同時，也會降低射線的衰減系數，降低對比度。鋼密度7.8g/cm3，PE材料密度（0.92～0.96）g/cm3。隨著管電壓的升高，X射線的平均波長變短，不利于穿透低密度材料[17]。高電壓使PE材料不能對X射線有效吸收，X射線穿透材料到達接收射線的膠片或數字成像器件，過量的X射線將使膠片或數字成像器件無法顯現材料內部真實影像，所以PE管材熱熔接頭檢測的管電壓小于30kV，考慮到電壓波動會引起X射線波長的變化，建議選用高頻恒壓X射線機。

3.3.2 電流的選擇

PE熱熔接頭中冷焊缺陷X射線影像顯白色顆粒狀分布、形狀類似于金屬焊縫中的鏈狀氣孔，且未充分熔合區密度約1.26g/cm3，與母材密度（0.92～0.96）g/cm3相差太小，對低密度材料只有采用大毫安電流、低電壓時，才能更好的表現出材料的密度分布、細微缺陷等內部結構，因此應該選用大毫安電流X射線機。

3.3.3 焦點的選擇

圖4 中AB為焦點尺寸，射線接收器件為膠片或數字成像器件。假設前焦距L1為600mm，焦點尺寸越大缺陷F在膠片或數字成像器件上投影越大，缺陷影像越不清晰。反之焦點尺寸越小缺陷F在膠片或數字成像器件上投影越小，缺陷影像越清晰。因此，PE管熱熔接頭X射線檢測選用的焦點尺寸為（0.2×0.2）mm。

圖4 X射線透照示意圖

3.3.4 透照方式的選擇

（1）據咨詢部分射線機生產廠家和向部分機構市場調研，目前還沒有低電壓（小于30KV）、大電流(30mA)、小焦點（0.2×0.2mm）周向X射線管，因此PE管熱熔環形接頭不能采用圖5（a）的內透方式；

圖5 X射線成像技術透照布置圖

（2）鑒于PE管熱熔環形接頭形式、熔合區寬度及翻邊形狀的特殊性，如采用圖5（b）方法透照內翻邊影像將與熔合區缺陷影像重合，影響缺陷分辨；

（3）鑒于PE管熱熔環形接頭形式、熔合區寬度及翻邊形狀的特殊性，只能采用圖5（c）方法透照，并且最好清除外翻邊。

3.3.5 其他需要注意的問題

在選擇暗袋時，應采用PE專用暗袋，一般是PE材料制造，否則會在底片上顯現出粗大的顆粒，影響缺陷判斷；膠片宜采用GB/T 19348.規定的T2或性能更好的T1膠片，以細顆粒型膠片為佳；在增感屏的選擇上，由于射線機電壓較低，如果在前屏放金屬增感屏，射線無法穿透前屏，進而感光到膠片上，所以只能使用后增感屏；關于像質計的選用，最好與受檢接頭母材相同的材料或具有相似吸收系數容差為±10%的材料制造，將不同絲徑的絲線直接放置在被檢工件表面，建議不要用塑料材質封裝，會增加透照厚度。影響絲號的識別。

4 射線檢測結果分析

按照設定的檢測工藝，在實驗室對試樣進行射線檢測，檢測結果如圖6所示，熔合線上有白色顆粒狀物質出現（圖6中矩形框處），從圖像上看白色顆粒密度大于母材密度，符合冷焊缺陷的特征。由于吸熱時間不足，致使熔融部分不能充分吸收變形，焊接時產生了硬碰硬，母材僅表皮一定厚度區域的分子產生了纏繞，并且在擠壓力的作用下，造成分子團被擠壓后體積不能還原，在焊口處形成由密度變化而產生的白色形狀的線條，吸熱越多，其顆粒狀密度越接近母材的密度。顆粒狀物質在X射線照射下，它能在影像上顯現出特別亮的、不特別亮的和特別不亮的三種白點圖像。

圖6 射線檢測圖像

5 微波檢測驗證

微波檢測是發射裝置發射單一頻率微波，使微波在非金屬材料中傳播，材料本體和缺陷處的介電性能不一樣，從而引起微波參量的變化，通過采集和分析微波的特定參量，實現非金屬內部結構和缺陷的檢測結果成像[18]。微波檢測結果如圖7所示，由圖中可看出，焊縫寬度約4mm，和試樣一致，圖中有1#（長約8inch）和2#（長約10inch）兩處異常點，沒有藍色區域的部位，判定為未充分熔合區域，也就是冷焊缺陷處，這和射線檢測中發現的白色顆粒處的位置完全吻合，從微波角度證實當前的射線檢測設備和工藝能有效發現冷焊缺陷。

圖7 微波檢測成像結果圖

6 結語

（1）現有的一種新型射線機采用小電壓、大電流、小焦點的情況下，配以適當的射線檢測工藝，可以用膠片照相技術檢測出冷焊缺陷；

（2）冷焊特征表現為在熔合線上出現白色的顆粒狀物質；

（3）和微波檢測技術相比，未充分熔合區域和膠片中冷焊特征區域位置基本一致，驗證兩種檢測技術的有效性。

7 不足

（1）研究機構對缺陷分類認定不統一，有些缺陷在實際檢測中根本不可能存在，缺少缺陷檢測圖譜，而且沒有缺陷評判標準；

（2）目前冷焊檢測基本上在實驗室階段，在現場制作和在役管線的檢測上，工程應用尚不成熟。