蔡 勤 郭欣欣 黃 彬 韓佩城

（1. 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院， 廣東 珠海 519002；2. 珠海市廣華燃?xì)庀拦こ逃邢薰?，廣東 珠海 519002；3. 北京欣盟電子技術(shù)有限公司，北京 100041）

0 引言

聚乙烯是一種具有非極性長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)的乙烯共聚生成的線性非晶態(tài)高聚物，具有卓越的耐腐蝕性、優(yōu)越的焊接性、突出的力學(xué)性能、較長(zhǎng)的使用壽命和良好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用環(huán)保性，因而被廣泛用于天然氣和液化氣的輸送。2000年以后，我國(guó)燃?xì)夤艿来笠?guī)模使用聚乙烯管，目前超過90%以上的新建中低壓城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿蓝际褂镁垡蚁┕躘1]?，F(xiàn)在，國(guó)家規(guī)定允許使用的兩種聚乙烯燃?xì)夤苓B接方式分別是熱熔連接和電熔連接，一般DN90 以上的聚乙烯燃?xì)夤苓B接采用熱熔連接。聚乙烯管材熱熔接頭是通過在溫度和壓力共同作用下，先將兩管端端面加熱一段時(shí)候后熔融，然后將兩端面加壓擠在一起一定時(shí)間，兩端面就連接成具有一定強(qiáng)度的熱熔接頭。在聚乙烯管道熱熔焊接過程中，由于操作人員的焊接水平、焊接設(shè)備工況、管材質(zhì)量、焊接工藝和焊接環(huán)境有的關(guān)系，使焊接接頭容易產(chǎn)生各種缺陷，直接影響到管道系統(tǒng)的安全和壽命。聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^常見的主要缺陷形式有未熔合、孔洞、工藝缺陷（包括冷焊、過焊、不對(duì)中、焊縫過短）等。針對(duì)這些缺陷，工程施工上主要是通過非破壞性的檢驗(yàn)，包括外觀檢測(cè)和無損檢測(cè)，目前一般最常使用的是外觀檢測(cè)。現(xiàn)階段聚乙烯熱熔接頭的無損檢測(cè)研究?jī)H僅停留在試驗(yàn)研究階段，無法真正應(yīng)用到實(shí)際的工程檢測(cè)中，更談不上沒有像金屬材料焊接接頭那樣有完善的相關(guān)檢測(cè)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。如何實(shí)施有效的無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于控制工程的聚乙烯燃?xì)夤艿篮附咏宇^質(zhì)量，并形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，成為保證燃?xì)夤芫W(wǎng)安全運(yùn)行的當(dāng)務(wù)之急。

1 聚乙烯燃?xì)夤軣崛圻B接的外觀檢測(cè)

目前，按照CJJ33-2005《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范》和TSG D2002-2006 《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》等規(guī)定要求，聚乙烯燃?xì)夤艿腊惭b工程驗(yàn)收時(shí)需對(duì)熱熔接頭進(jìn)行外觀檢測(cè)，以確保熱熔接頭質(zhì)量符合要求。聚乙烯燃?xì)夤軣崛酆附咏宇^的外觀檢測(cè)，主要從三個(gè)方面檢查接頭的質(zhì)量：接頭外觀特征、接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、卷邊切除檢驗(yàn)：（1）良好的接頭外觀特征：接頭兩邊存在均勻圓形卷邊、兩邊卷邊尺寸應(yīng)該相近、卷邊的表面應(yīng)該平滑、均勻、對(duì)稱、接頭兩側(cè)管材端面錯(cuò)邊量不應(yīng)大于管材壁厚的10%；（2）接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：卷邊融合線的最低處不應(yīng)低于管道外表面、接口兩側(cè)的外圓任何一處錯(cuò)邊量不應(yīng)超過管道壁厚的10%；（3）卷邊切除檢驗(yàn)：卷邊應(yīng)是實(shí)心圓滑、根部較寬，卷邊切割面不應(yīng)有夾雜物、小孔、扭曲和損壞。

2 聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^的無損檢測(cè)

尋找有效、可靠的無損檢測(cè)方法對(duì)聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^進(jìn)行檢測(cè)是保證聚乙烯燃?xì)夤芫W(wǎng)在設(shè)計(jì)壽命里正常安全使用的重要途徑。因此，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展對(duì)聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^的無損檢測(cè)研究，主要有超聲波檢測(cè)、超聲相控陣檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)、微波掃描法檢測(cè)、射線檢測(cè)等檢測(cè)技術(shù)。

2.1 聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^的超聲檢測(cè)

聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^的超聲波檢測(cè)由無錫市蘇臺(tái)工業(yè)檢測(cè)技術(shù)所率先開始研究，并已形成了JB/T 10662-2013《無損檢測(cè) 聚乙烯管道焊縫超聲檢測(cè)》檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。以浙江大學(xué)鄭津洋團(tuán)隊(duì)為代表的其他國(guó)內(nèi)學(xué)者也針對(duì)超聲波檢測(cè)聚乙烯管道焊接接頭開展了大量的研究。國(guó)外各國(guó)中，德國(guó)于20世紀(jì)70年代、美國(guó)、英國(guó)于80年代都開展聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^的超聲檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備研究。國(guó)內(nèi)外的超聲波檢測(cè)研究表明，對(duì)某些缺陷的檢測(cè)靈敏度到不到檢測(cè)要求，檢測(cè)局限性較大[2]。

聚乙烯管道熱熔接頭超聲檢測(cè)的耦合聚焦檢測(cè)技術(shù)是使用特別的耦合劑作為液浸超聲波檢測(cè)的載體，檢測(cè)時(shí)使超聲波探頭的聲束會(huì)聚，使聲束能檢測(cè)到整個(gè)熱熔接頭區(qū)域，并采集到缺陷信號(hào)。郭偉燦等將表面張力較大的水、甘油、水玻璃和海藻酸鈉按一定比例配置成聲速和聲阻抗與聚乙烯相相近的耦合劑作液浸檢測(cè)的載體，采用球形曲晶片聚焦探頭使聲束在原焦點(diǎn)位置附近會(huì)聚，通過液浸超聲波檢測(cè)法，使超聲波聲束在檢測(cè)中不產(chǎn)生折射或折射很小，減少反射聲能損失，提升檢測(cè)靈敏度，并能覆蓋整個(gè)熱熔接頭的熔合區(qū)。通過大量帶有典型缺陷試樣的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證該方法能可靠地檢出熱熔接頭中1mm的體積型缺陷、1mm高的面積型缺陷，滿足工程檢測(cè)的需要[3]。

2.2 聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^的超聲相控陣檢測(cè)

超聲相控陣檢測(cè)是基于脈沖反射法檢測(cè)聚乙烯管道熱熔接頭內(nèi)部缺陷，利用相控陣實(shí)現(xiàn)聲束聚焦，提高檢測(cè)的分辨力和靈敏度。超聲相控陣檢測(cè)通過超聲波聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦點(diǎn)位置變化，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)位置上多角度大范圍掃查，克服了傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)衰減和能量損耗嚴(yán)重的不足。

解俊煒等利用超聲相控陣技術(shù)，使用水楔塊，通過改變探頭的頻率對(duì)定制的聚乙烯試塊中不同深度、直徑的橫通孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)和分析，并進(jìn)行了檢出率定量分析。研究結(jié)果表明：采用較低頻率的探頭，不僅能檢測(cè)到較深較大的缺陷，而且有更高的檢出率[4]。

張曉寶以研究相控陣檢測(cè)探頭的聲場(chǎng)特性為基礎(chǔ)，仿真研究模擬接頭缺陷對(duì)探頭各個(gè)參數(shù)的檢測(cè)影響，從仿真結(jié)果中優(yōu)化設(shè)計(jì)了探頭參數(shù)組合。通過設(shè)計(jì)若干校準(zhǔn)試塊對(duì)儀器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)置，對(duì)制備的試樣進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)，最后對(duì)試樣進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。研究結(jié)果表明：超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)垡蚁┕芙宇^焊縫中的缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)[5]。

王少軍等對(duì)針對(duì)聚乙烯材料聲學(xué)特性和接頭形狀對(duì)超聲波檢測(cè)有較大影響，提出了采用超聲相控陣動(dòng)態(tài)聚焦和S掃查成像技術(shù)來檢測(cè)聚乙烯管道熱熔接頭的方法。通過該方法對(duì)無缺陷試件和含有典型缺陷試件的檢測(cè)對(duì)比，可以得出該方法可以有效檢測(cè)出熱熔接頭中的各種典型缺陷，并在實(shí)際工程檢測(cè)中得到驗(yàn)證[6]。

竺哲明等設(shè)計(jì)了一套針對(duì)熱熔接頭檢測(cè)的超聲波相控陣檢測(cè)裝置，該裝置以相控陣聚焦和超聲實(shí)時(shí)成像技術(shù)為基礎(chǔ)，采用液浸耦合技術(shù)解決了超聲波檢測(cè)聚乙烯材料的各種局限難點(diǎn)問題。通過使用該裝置對(duì)典型缺陷的聚乙烯接頭缺陷試樣檢測(cè)和實(shí)物解刨對(duì)比，驗(yàn)證了該裝置可以可靠的發(fā)現(xiàn)聚乙烯熱熔對(duì)接接頭中的氣孔、熔合面夾雜等各類典型缺陷[7]。

2.3 聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^的紅外熱成像檢測(cè)

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)通過獲取目標(biāo)表面的紅外輻射能量，經(jīng)過計(jì)算、處理，將目標(biāo)表面溫度場(chǎng)分布轉(zhuǎn)換為人眼能識(shí)別的熱像圖，從而識(shí)別目標(biāo)內(nèi)部缺陷。聚乙烯管道缺陷的紅外熱成像無損檢測(cè)的透射法是將熱源置于管內(nèi)，在管外用紅外熱像儀獲取聚乙烯管道外表面的溫度分布云圖（即紅外熱像圖），對(duì)紅外熱像圖進(jìn)行分析便能診斷出聚乙烯管道的內(nèi)部缺陷。

朱志彬研究了熱熔接頭的形狀特征和聚乙烯材料的熱物理特性，然后采用持續(xù)熱激勵(lì)雙面透射方式對(duì)聚乙烯管熱熔接頭紅外熱像檢測(cè)，通過有限元模擬接頭內(nèi)部缺陷的溫度場(chǎng)，對(duì)比分析了模擬與試驗(yàn)熱像圖，得出了從紅外檢測(cè)熱像序列圖中可以清晰地識(shí)別出缺陷位置和相對(duì)大小。驗(yàn)證了持續(xù)激勵(lì)紅外熱像透射檢測(cè)法可作為一種對(duì)聚乙烯管進(jìn)行無損檢測(cè)評(píng)價(jià)和健康監(jiān)測(cè)的可行性和有效性[8]。

邱旭通過瞬態(tài)熱傳導(dǎo)有限元模型來研究不同激勵(lì)方式的主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)對(duì)聚乙烯管熱熔接頭缺陷的檢測(cè)效果，以及聚乙烯管道缺陷圖像自動(dòng)識(shí)別方法。從研究結(jié)果可以得出主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)可以有效檢測(cè)出缺陷，而且缺陷越大越深，越容易被識(shí)別；外部激勵(lì)源的強(qiáng)度越強(qiáng)，檢測(cè)效率越高[9]。

2.4 聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^的微波檢測(cè)

微波檢測(cè)是利用一種波長(zhǎng)在1～1000mm之間，頻率在0.3～300GHz之間的波長(zhǎng)短、頻率高、頻帶寬的高頻電磁波進(jìn)行檢測(cè)的無損檢測(cè)方法。當(dāng)微波從一種介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)中時(shí)，由于兩種不同介質(zhì)的介電常數(shù)的差異而使微波發(fā)生反射，反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)發(fā)生干涉，經(jīng)微波探頭接收并轉(zhuǎn)變成掃描圖像[10]。當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在缺陷時(shí)，缺陷的介電常數(shù)與周圍材料不同，通過微波檢測(cè)原理就能檢測(cè)出熱熔焊接接頭中的缺陷。

祝新偉等采用先對(duì)無缺陷的熱熔接頭進(jìn)行微波掃描檢測(cè)作為參考圖像，然后微波掃描檢測(cè)裂紋、熔接壓力過大、冷焊以及未熔合 4 種缺陷圖像進(jìn)行對(duì)比，分析不同缺陷的顯著特征。最后，利用拉伸力學(xué)測(cè)試或者利用真密度方法對(duì)不同熱熔接頭進(jìn)行了測(cè)試的結(jié)果，初步驗(yàn)證了微波掃描方法對(duì)聚乙烯管道熱熔接頭缺陷檢測(cè)的有效性[11,12]。

2.5 聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^的X射線檢測(cè)

由于聚乙烯材料的密度較小，穿過聚乙烯后X射線衰減很小，如對(duì)聚乙烯燃?xì)夤軣崛劢宇^進(jìn)行X射線檢測(cè)時(shí)，按《GB/T 33488.3-2017 化工用塑料焊接制承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法 第3部分：射線檢測(cè)》等標(biāo)準(zhǔn)要求管電壓應(yīng)在30kV以下。對(duì)聚乙烯管道熱熔接頭的X射線檢測(cè)結(jié)果同樣可以發(fā)現(xiàn)，接頭中的線形和面積形缺陷難以發(fā)現(xiàn)，體積形缺陷比較好發(fā)現(xiàn)且檢出率高。

何慧娟在研究含有典型缺陷的聚乙烯管熱熔接頭力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，參考了金屬管道X射線數(shù)字成像檢測(cè)參數(shù)的確定方法，研究X射線數(shù)字成像檢測(cè)方法應(yīng)用于聚乙烯管熱熔焊接接頭的缺陷檢測(cè)。針對(duì)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(cè)效果最佳的X射線數(shù)字成像檢測(cè)參數(shù)[13]。

伍樹坤對(duì)比了常規(guī)超聲波檢測(cè)和X射線檢測(cè)相同聚乙烯熱熔接頭缺陷的檢測(cè)結(jié)果，得出X射線檢測(cè)時(shí)采用較低的曝光能量（最低的管電壓可以調(diào)至100KV或更低，曝光時(shí)間控制在0.5～1min之間），顯影時(shí)間一般控制在2min以內(nèi)的方法對(duì)聚乙烯管熱熔接頭進(jìn)行X射線檢測(cè)，可以獲得具有合適的對(duì)比度和黑度的較清晰底片。兩種檢測(cè)方法都可以檢測(cè)出缺陷，缺陷的位置、大小基本吻合[14]。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)金屬管道比較，聚乙烯燃?xì)夤艿谰哂懈玫哪透g性、優(yōu)越的焊接性、突出的力學(xué)性能、長(zhǎng)達(dá)50年使用壽命和更環(huán)保便宜，被廣泛用于天然氣和液化氣的輸送。聚乙烯燃?xì)夤艿赖臒崛劢宇^容易出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，是聚乙烯燃?xì)夤艿老到y(tǒng)最為薄弱的環(huán)節(jié)，接頭的優(yōu)劣直接關(guān)系到燃?xì)夤芫W(wǎng)能否安全運(yùn)行。美國(guó)國(guó)際管道研究委員會(huì)（PRCI）曾統(tǒng)計(jì)和歸納了歐美各國(guó)聚乙烯燃?xì)夤艿腊l(fā)生事故，其中因?yàn)榫垡蚁┕芙宇^破壞引起的事故占63%[15]。因此，如何對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿肋B接接頭實(shí)施有效的檢測(cè)，監(jiān)控接頭內(nèi)部質(zhì)量狀況以控制工程質(zhì)量，對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿膽?yīng)用和安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。