梁雪蓮，李曼曼，陳慶璽，馬旭卿，高觀玲

（1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100011）

0 引言

聚乙烯管道抗腐蝕、韌性高、使用壽命長(zhǎng)，是一種比較理想的燃?xì)廨斔陀霉懿?。在一些地區(qū)，聚乙烯管材在城市埋地燃?xì)夤艿乐械恼加辛恳堰_(dá)90%以上。

對(duì)于聚乙烯管道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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?，F(xiàn)有的焊接質(zhì)量控制手段主要以過(guò)程控制為主，并通過(guò)外觀檢查進(jìn)行驗(yàn)收。然而，外觀檢查和壓力試驗(yàn)均無(wú)法觀察到焊口的內(nèi)部缺陷，更無(wú)法判斷如果內(nèi)部存在缺陷是否會(huì)對(duì)接頭強(qiáng)度和使用壽命產(chǎn)生影響[1]。一些事故案例表明，某些潛在的缺陷會(huì)隨著燃?xì)夤艿涝谝欢▔毫ο麻L(zhǎng)期運(yùn)行才暴露出來(lái)。因此，聚乙烯管道的焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 聚乙烯燃?xì)夤艿篮附庸に?/h2>

聚乙烯燃?xì)夤艿酪话悴捎脽崛蹖?duì)接連接和電熔連接兩種連接方式。熱熔對(duì)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(shí)間直接影響到熱熔對(duì)接的質(zhì)量[2]。

電熔連接不同于熱熔對(duì)接連接，焊接參數(shù)沒(méi)有固定的標(biāo)準(zhǔn)，是由生產(chǎn)廠家自己設(shè)定的，焊接前通過(guò)掃描電熔管件上的條形碼，即可按照設(shè)定好的程序進(jìn)行焊接，這種方式極大地降低了焊接過(guò)程中人為因素的影響。

2 聚乙烯燃?xì)夤艿篮缚谌毕?/h2>

關(guān)于聚乙烯燃?xì)夤艿篮缚谌毕莸姆诸?，目前行業(yè)內(nèi)尚未達(dá)成一致意見(jiàn)，筆者根據(jù)調(diào)研情況進(jìn)行總結(jié)如下。

2.1 電熔連接缺陷

電熔接頭缺陷概括起來(lái)可以分為未焊透、電阻絲錯(cuò)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(kuò)散纏結(jié)或未充分?jǐn)U散纏結(jié)，使得整個(gè)熔合界面強(qiáng)度低于正常焊接接頭熔合界面強(qiáng)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]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(huì)影響電熔焊接溫度場(chǎng)，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[3]。

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(qiáng)度遠(yuǎn)低于正常焊接接頭。

熔合面夾雜是指電熔焊接過(guò)程中有時(shí)會(huì)在焊接界面引入其他外來(lái)物，如熔合界面夾雜了污泥、樹(shù)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(cuò)位

電阻絲錯(cuò)位準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是一種焊接操作過(guò)程規(guī)范與否的反饋，通常由于過(guò)焊、承插不到位或未對(duì)中引起。

過(guò)焊通常由于電熔焊接過(guò)程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或功率過(guò)高引起，會(huì)造成電阻絲錯(cuò)位或孔洞。

承插不到位是指待焊接管材沒(méi)有完全插入電熔套筒中，導(dǎo)致電熔接頭的電阻絲沒(méi)有完全被管材外表面覆蓋，在焊接過(guò)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(dòng)電阻絲沿著軸線位移，產(chǎn)生錯(cuò)位[1]。

管材未對(duì)中是指待焊接的兩段管材沒(méi)有在同一軸線上，容易造成電阻絲錯(cuò)位甚至短路等一系列問(wèn)題[1]。

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(guò)程中產(chǎn)生的孔洞和冷卻過(guò)程中出現(xiàn)的孔洞[4]。

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(guò)焊，宏觀缺陷包括孔洞、裂紋和焊縫過(guò)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(dāng)有關(guān)。未焊透通常是由于焊接熱量不足、焊接壓力過(guò)小或過(guò)大，熔合面夾雜而導(dǎo)致。焊接熱量不足或焊接壓力過(guò)小，都可能造成焊接面上的高分子未進(jìn)行充分的擴(kuò)散纏結(jié)，焊接面的強(qiáng)度低于正常焊接的接頭；焊接壓力過(guò)大，則會(huì)造成熔融物被擠出焊接面，同樣導(dǎo)致焊接強(qiáng)度較低[5]；熔合面夾雜一方面會(huì)隔離焊接面，影響高分子的擴(kuò)散纏結(jié)，另一方面如果夾雜泥水，焊接過(guò)程中水分蒸發(fā)會(huì)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(guò)焊通常是由于焊接熱量過(guò)多引起的，如加熱板溫度過(guò)高。過(guò)焊的危害在于溫度過(guò)高會(huì)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(qiáng)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(dāng)、焊機(jī)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[6]。

孔洞是由于強(qiáng)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使得被焊接的聚乙烯材料沒(méi)有足夠的流動(dòng)性，因而在焊接接頭中心交界處產(chǎn)生了裂紋。

焊縫過(guò)短主要是由于焊接壓力過(guò)大，熔融物被大量擠出造成[6]。

3 聚乙烯燃?xì)夤艿澜宇^無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

為了進(jìn)一步提高聚乙烯管道系統(tǒng)的可靠性和安全性，在外觀檢查的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可以有效地彌補(bǔ)外觀檢查的不足，降低管道運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)外在無(wú)損檢測(cè)方面開(kāi)展大量的研究工作。但是由于聚乙烯材料與金屬材料特性不同，很多在金屬管道上成熟應(yīng)用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不能直接移植到聚乙烯管道，因此聚乙烯管道焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)還處于探索階段。

目前，研究較多的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有超聲波相控陣技術(shù)、衍射時(shí)差法超聲波技術(shù)、微波技術(shù)、太赫茲技術(shù)、紅外成像技術(shù)以及射線技術(shù)等。其中，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(wú)損檢測(cè)方面較為成熟。

3.1 電熔接頭無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

3.1.1 超聲波相控陣技術(shù)

超聲波在材料中以一定的速度和方向傳播，當(dāng)遇到聲阻抗不同的界面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射波。超聲波在聚乙烯材料中衰減迅速，采用超聲波相控陣技術(shù)較好地解決了這一問(wèn)題。超聲波相控陣技術(shù)的基本原理是采用多個(gè)陣元聚焦的方法使得超聲波有足夠的能量反射并被接收，在反射波的接收過(guò)程中，按一定規(guī)則和時(shí)序?qū)Ω麝囋慕邮招盘?hào)進(jìn)行合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示，檢測(cè)原理示意圖如圖1所示。以孔洞缺陷為例進(jìn)行說(shuō)明[3]，如果電熔焊接完好，超聲波可以順利通過(guò)熔合面，超聲波圖像中只顯示電阻絲和管材內(nèi)壁的反射波信號(hào)；而存在孔洞缺陷的電熔接頭，孔洞也會(huì)反射超聲波，因此超聲波圖像除了顯示電阻絲和管材內(nèi)壁的反射波信號(hào)，也會(huì)在熔合面處顯示孔洞的反射波信號(hào)。

圖1 超聲波相控陣技術(shù)檢測(cè)原理示意圖[3]

相關(guān)研究結(jié)論表明，超聲波相控陣技術(shù)可以檢測(cè)出電熔接頭的孔洞、熔合面夾雜、冷焊、電阻絲錯(cuò)位等缺陷，但是無(wú)法檢測(cè)氧化皮未刮的缺陷。該技術(shù)也可以用于熱熔接頭的檢測(cè)，但是由于技術(shù)原理本身的限制，存在檢測(cè)盲區(qū)，限制了該技術(shù)在熱熔接頭無(wú)損檢測(cè)方面的應(yīng)用。

超聲波相控陣技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外研究最多，最為成熟的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)具備施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的條件，并且建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16943：2019 Therm op lastic p ipes for the conveyance of fluids—Inspection of polyethy lene electrofusion socket joints using phased array ultrasonic testing（ISO/TS 16943：2019《聚乙烯電熔接頭超聲波相控陣檢測(cè)》）、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29461—2012《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測(cè)》，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.15—2021《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第15部分：相控陣超聲檢測(cè)》，以及上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 31/T 1058—2017《燃?xì)庥镁垡蚁≒E）管道焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)》等。

3.1.2 微波技術(shù)原理

微波技術(shù)基本原理如圖2所示，微波發(fā)射器在某特定頻率范圍內(nèi)發(fā)射單一頻率微波，使微波在被檢試件（非金屬材料）中傳播，被檢試件結(jié)構(gòu)的變化和內(nèi)部缺陷會(huì)引起非金屬材料介電性能變化，從而引起微波能量的變化。通過(guò)接收傳感器采集和分析微波的回波能量變化，實(shí)現(xiàn)被檢試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷的檢測(cè)結(jié)果成像。

圖2 微波檢測(cè)技術(shù)原理示意圖

有研究表明，微波技術(shù)可以檢測(cè)出電熔接頭的熔合面污染、未對(duì)中、氧化皮未刮缺陷，并且具備較好的可靠性和重復(fù)性，但是誤判率也相對(duì)偏高。國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展相關(guān)的研究工作。

3.1.3 射線技術(shù)

目前一些研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)正在嘗試將射線技術(shù)應(yīng)用于聚乙烯管道焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)。由于需要采取復(fù)雜的防護(hù)措施，現(xiàn)階段射線技術(shù)還不能作為檢測(cè)聚乙烯焊接接頭的有效方法。

3.2 熱熔接頭非破壞性檢測(cè)技術(shù)

3.2.1 卷邊背彎試驗(yàn)

卷邊背彎試驗(yàn)是一種操作簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀、效率高、效果好的非破壞性檢驗(yàn)手段。有研究表明，卷邊背彎試驗(yàn)與破壞性試驗(yàn)結(jié)果的符合率可以達(dá)到65%。具體的試驗(yàn)方法和抽樣檢驗(yàn)比例在現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中有規(guī)定。但是，該試驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱熔接頭內(nèi)部缺陷定性、定量的分析。

3.2.2 微波技術(shù)檢測(cè)

微波技術(shù)在熱熔接頭檢測(cè)方面相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)正在開(kāi)展相關(guān)研究工作。某聚乙烯管道熱熔接頭微波檢測(cè)圖譜如圖3所示。

圖3中，虛線框內(nèi)的深藍(lán)色色帶為焊縫，焊縫區(qū)域的材料經(jīng)過(guò)加熱及冷卻再結(jié)晶的過(guò)程，導(dǎo)致其介電性能與母材有差異，從顏色上可以體現(xiàn)出來(lái)。綠色區(qū)域顯示單根焊縫，焊縫清晰、平直、規(guī)則，未間斷的是熱熔接頭或局部焊接良好的圖像特征；黃色區(qū)域焊縫顯示不清晰或有間斷，則可能存在冷焊或未熔合缺陷；紅色區(qū)域焊縫中斷，判斷存在未熔合缺陷。經(jīng)過(guò)破壞性試驗(yàn)驗(yàn)證，與微波檢測(cè)結(jié)果吻合。

圖3 熱熔接頭微波檢測(cè)圖像

微波技術(shù)可以檢測(cè)出熱熔接頭的冷焊、未熔合和熔合面污染缺陷。微波技術(shù)與破壞性試驗(yàn)結(jié)果的符合率在80%以上。該技術(shù)已被用于實(shí)踐并商業(yè)化。

在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，美國(guó)已經(jīng)頒布了ASTM E3101—18 Standard Practice for M icrow ave Exam ination of Polyethy lene Butt Fusion Joints（ASTM E3101—18《聚乙烯熱熔接頭微波檢測(cè)》），ISO的微波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)正在制定當(dāng)中，國(guó)內(nèi)尚未制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3 衍射時(shí)差法超聲波檢測(cè)技術(shù)

衍射時(shí)差法超聲波檢測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，可以檢測(cè)出聚乙烯管道熱熔接頭的孔洞、未熔合和粗糙的顆粒物污染等缺陷，但是無(wú)法檢測(cè)出細(xì)小的微粒污染物和冷焊缺陷，靈敏度較低。

與超聲波相控陣技術(shù)一樣，衍射時(shí)差法超聲波技術(shù)存在檢測(cè)盲區(qū)，因此不適用于小管徑的聚乙烯管道熱熔接頭檢測(cè)。

3.2.4 太赫茲技術(shù)

太赫茲是一種電磁波，可以檢測(cè)出非金屬材料表面及內(nèi)部的雜質(zhì)、錯(cuò)位、分層、孔洞等缺陷，但是由于黑色聚乙烯管道中的炭黑會(huì)吸收太赫茲波，因此太赫茲并不適用于黑色聚乙烯管道的檢測(cè)。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)目前僅在實(shí)驗(yàn)室試用，尚不具備在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的條件。

3.2.5 其他技術(shù)

射線技術(shù)也可應(yīng)用于熱熔接頭的無(wú)損檢測(cè)，但現(xiàn)階段該技術(shù)的應(yīng)用面臨著一定的局限性。

紅外技術(shù)借助于紅外熱像儀，通過(guò)聚乙烯管道焊接時(shí)冷卻溫度梯度的變化反映出冷焊、孔洞、夾雜、未對(duì)中等缺陷的產(chǎn)生，目前該研究尚處于起步階段。

盡管上述無(wú)損檢測(cè)技術(shù)存在著一定的局限性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定也尚不完善，但是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展為聚乙烯管道焊接接頭的缺陷檢測(cè)提供了手段，使得聚乙烯管道的焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)成為可能。

4 聚乙烯燃?xì)夤艿篮附淤|(zhì)量評(píng)價(jià)

焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)的最終目的在于通過(guò)無(wú)損檢測(cè)對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)、分級(jí)。由于目前破壞性試驗(yàn)是公認(rèn)的判斷焊接質(zhì)量合格與否的手段，因此，在開(kāi)展焊接評(píng)價(jià)研究工作時(shí)，需要借助破壞性試驗(yàn)對(duì)無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)質(zhì)量的分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行研究和制定。由此可見(jiàn)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)聚乙烯管道焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。

開(kāi)展焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)研究工作，通常采用的方法是通過(guò)人工制作某種缺陷類型的試件，采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，從圖像上找出此種缺陷類型的表征，實(shí)現(xiàn)缺陷的定性分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步控制缺陷的大小、位置分布，依次進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和破壞性試驗(yàn)，分析無(wú)損檢測(cè)結(jié)果與破壞性試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，驗(yàn)證無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的可靠性，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)缺陷的分級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)焊接接頭可靠性的評(píng)價(jià)。這依賴于大量的實(shí)踐驗(yàn)證。

與鋼管一樣，嚴(yán)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)將進(jìn)一步降低管道潛在的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于聚乙烯燃?xì)夤艿纴?lái)說(shuō)，焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)可以充分發(fā)揮其使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，保障管道系統(tǒng)的完整性，防患于未然。

5 結(jié)論

1）聚乙烯燃?xì)夤艿离娙劢宇^缺陷類型分為未焊透、電阻絲錯(cuò)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(guò)焊，宏觀缺陷包括孔洞、裂紋和焊縫過(guò)短。

2）目前，聚乙烯燃?xì)夤艿篮附咏宇^的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有超聲波相控陣技術(shù)、衍射時(shí)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(wú)損檢測(cè)方面相對(duì)成熟。

3）聚乙烯燃?xì)夤艿赖暮附淤|(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)于保障管道系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要，目前該項(xiàng)研究還處于起步階段，實(shí)現(xiàn)真正的焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)需要大量的實(shí)踐驗(yàn)證。