施建峰，馮 穎，陶楊吉,4，鄭津洋，梁 琳

(1.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，杭州 310027;2.高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心，杭州 310027;3.流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027;4.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310020;5.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

從20世紀(jì)50年代開始，發(fā)達(dá)國家逐漸將聚乙烯管道應(yīng)用于城市燃?xì)庀到y(tǒng)。聚乙烯管道具有耐腐蝕、韌性好和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)，在城市燃?xì)庵械膽?yīng)用非常普遍，早在21世紀(jì)初，北美的天然氣輸送系統(tǒng)就已經(jīng)達(dá)到了90%由塑料管組成，其中99%是聚乙烯管道[1]。我國聚乙烯管道在城市燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)中占比雖低于某些發(fā)達(dá)國家，但有強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，正在逐步替代鋼管，成為中、低壓燃?xì)廨斔偷氖走x管材，并且逐步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，在核電、油氣等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。聚乙烯管道可防止海水等介質(zhì)引起的管內(nèi)積垢和表面腐蝕，逐漸應(yīng)用于核電廠安全三級(jí)與非安全級(jí)的用水系統(tǒng)，例如Callaway核電廠、Catawba核電廠和三門核電廠等[2-3]。

隨著聚乙烯管道應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大和其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π踩砸笥訃?yán)格，聚乙烯管道安全性愈發(fā)受到重視。據(jù)美國塑料管道數(shù)據(jù)庫委員會(huì)(Plastic Piping Data Collection，PPDC)在2020年對聚乙烯管道失效位置的統(tǒng)計(jì)，69.7%的管道失效發(fā)生在管件和接頭位置[4]。因此，在聚乙烯管道投入使用前，需對管道薄弱部位進(jìn)行有效地檢測，避免出現(xiàn)安全隱患。無損檢測可檢測接頭內(nèi)部的焊接情況并檢出較小缺陷，避免含缺陷的接頭帶壓服役，保障管道安全運(yùn)行，提高管網(wǎng)系統(tǒng)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

聚乙烯管道使用已近70年，期間國內(nèi)外大量學(xué)者對聚乙烯管道的無損檢測展開了深入研究，檢測技術(shù)包括超聲檢測技術(shù)、微波檢測技術(shù)、X射線技術(shù)和紅外熱成像檢測技術(shù)等。各類檢測技術(shù)中，超聲檢測技術(shù)和微波檢測技術(shù)的檢測效率較高、范圍較廣，更適用于聚乙烯管道的在線無損檢測。近10年來，聚乙烯管道無損檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大量發(fā)布，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、美國材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)等組織已頒布聚乙烯管道的超聲檢測技術(shù)與微波檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB,NB)、地方標(biāo)準(zhǔn)(DB)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(T)也各成體系地頒布了超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)。

射線檢測存在輻射危害，現(xiàn)場使用防護(hù)要求高，且對平行于檢測面的裂紋缺陷檢測困難，檢測效率低；紅外熱成像檢測對聚乙烯管道的檢測尚不成熟，不適合檢測常溫聚乙烯管道，需施加熱激勵(lì)，不適用于在役管道檢測。為此，本文主要介紹國內(nèi)外聚乙烯管道超聲檢測和微波檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)分析中國、美國和ISO標(biāo)準(zhǔn)的聚乙烯管道電熔和熱熔接頭的檢測方法、適用范圍和檢測結(jié)果，并指出目前聚乙烯管道無損檢測技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中存在的不足，最后對聚乙烯管道無損檢測與安全評定的未來研究方向給出建議。

1 聚乙烯管道無損檢測方法

聚乙烯管道常用的連接方式有電熔連接和熱熔連接。電熔連接通過將管材插入預(yù)埋有電阻絲的管件中通電加熱，使電阻絲產(chǎn)生的熱量向管件及管材傳遞，從而使管件和管材熔融，冷卻后形成連接接頭。熱熔連接將待連接的管材兩端加熱熔融，并使其在一定壓力下相互接觸，冷卻后形成具有一定強(qiáng)度的連接接頭[5]。連接過程中，由于連接操作不規(guī)范等原因極易在接頭中形成各類缺陷，影響管道運(yùn)行安全，因此需對聚乙烯管道接頭進(jìn)行無損檢測。電熔接頭常見的缺陷有孔洞、夾雜、電阻絲錯(cuò)位、冷焊、過焊等；熱熔接頭常見的缺陷有孔洞、工藝缺陷、熔合面夾雜、未熔合和裂紋等。

目前，在聚乙烯管道領(lǐng)域應(yīng)用前景較好的無損檢測技術(shù)主要有超聲檢測技術(shù)和微波檢測技術(shù)，其中超聲檢測技術(shù)主要包括超聲脈沖回波技術(shù)、超聲相控陣技術(shù)和超聲衍射時(shí)差技術(shù)。

超聲脈沖回波檢測利用超聲波遇到聲阻抗不同的介質(zhì)構(gòu)成的界面時(shí)、發(fā)生反射的原理進(jìn)行缺陷檢測。其優(yōu)點(diǎn)是成本較低，操作便捷。但其靈敏度較低且檢測結(jié)果為回波波形，檢測效率與直觀度較低；對形狀復(fù)雜的工件檢測困難，受探頭聲束角度單一的影響，存在盲區(qū)[6]。

超聲相控陣檢測基于脈沖回波原理及惠更斯原理，采用多聲束聚焦提高聲能。相比于傳統(tǒng)超聲技術(shù)，超聲相控陣檢測提高了檢測的分辨力和靈敏度，克服了超聲波能量衰減的不足[7]；檢測設(shè)備便攜，適合現(xiàn)場操作；通過改變延遲法則實(shí)現(xiàn)多角度掃查，檢測效率高；檢測結(jié)果顯示直觀，同時(shí)具有檢測范圍大、精準(zhǔn)度高、可對復(fù)雜工件進(jìn)行檢測的優(yōu)點(diǎn)。但也存在著最小厚度限制、耦合劑污染試件的缺點(diǎn)。

超聲衍射時(shí)差檢測依靠超聲波與缺陷端部相互作用發(fā)出的衍射波進(jìn)行缺陷檢測。該技術(shù)顯示也較為直觀，靈敏度較高。但難以完成對近表面缺陷、橫向缺陷的檢測，不能準(zhǔn)確測量點(diǎn)狀缺陷尺寸，對復(fù)雜幾何形狀的工件檢測困難；同時(shí)還存在著信噪比較低、圖像識(shí)別和判讀較為困難、對缺陷定性比較困難的局限[6]。

微波檢測技術(shù)利用微波在介電常數(shù)不同的介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生反射、穿透和散射等現(xiàn)象，通過測量幅值、相位或頻率等微波信號(hào)來檢測缺陷。微波檢測設(shè)備便攜、操作簡單、維護(hù)成本低，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速檢測；且非接觸，無需耦合劑。但其檢測靈敏度和檢測精度受使用頻率的限制[8-9]。

2 聚乙烯管道無損檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外聚乙烯管道無損檢測的超聲檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和微波檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 聚乙烯管道的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Non-destructive testing standards of polyethylene pipes

對于超聲脈沖回波檢測，我國機(jī)械行業(yè)最早于2006年頒布JB/T 10662—2013《無損檢測 聚乙烯管道焊縫超聲檢測》標(biāo)準(zhǔn)，并于2013年重新修訂實(shí)施，規(guī)范了熱熔接頭的無損檢測；美國ASTM于2018年頒布了針對電熔接頭的檢測標(biāo)準(zhǔn)ASTM E3167/E3167M—18StandardPracticeforConventionalPulse-EchoUltrasonicTestingofPolyethyleneElectrofusionJoints。

對于超聲相控陣檢測，最早形成的檢測標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 29461—2012《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》，其適用于電熔接頭的檢測；僅針對電熔接頭的檢測規(guī)范，還有于2018年發(fā)布的ASTM E3170/E3170M—18StandardPracticeforPhasedArrayUltrasonicTestingofPolyethyleneElectrofusionJoints和2019年發(fā)布的ISO/TS 16943:2019ThermoplasticPipesfortheConveyanceofFluids-InspectionofPolyethyleneElectrofusionSocketJointsUsingPhasedArrayUltrasonicTesting；僅針對熱熔接頭的檢測規(guī)范，有2016年發(fā)布的ASTM E3044/E3044M-16StandardPracticeforUltrasonicTestingofPolyethyleneButtFusionJoints和2019年發(fā)布的ISO/TS 22499:2019ThermoplasticPipesfortheConveyanceofFluids-InspectionofPolyethyleneButtFusionJointsUsingPhasedArrayUltrasonicTesting。我國能源行業(yè)發(fā)布的最新標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.15—2021《承壓設(shè)備無損檢測 第15部分：相控陣超聲檢測》對多種材料的超聲相控陣檢測作出規(guī)定，在附錄A中規(guī)定了聚乙烯管道電熔接頭的相控陣檢測程序，其中的缺陷表征等內(nèi)容與GB/T 29460—2012《含缺陷聚乙烯管道電熔接頭安全評定》的相關(guān)規(guī)定相同。此外，我國還有幾部地方標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)分別是DB31/T 1058—2017《燃?xì)庥镁垡蚁?PE)管道焊接接頭相控陣超聲檢測》，DB15/T 1819—2020《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕艿篮附咏宇^超聲相控陣檢測技術(shù)規(guī)范》，T/GDASE 0014—2020《聚乙烯燃?xì)夤艿离娙酆附咏宇^相控陣超聲檢測》，以及最新發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/ZJASE 008—2021《聚乙烯管道熱熔對接接頭相控陣超聲檢測》。

對于超聲衍射時(shí)差檢測，美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E3044/E3044M-16針對熱熔接頭的檢測方法進(jìn)行了規(guī)定；國際ISO體系已開始進(jìn)行超聲衍射時(shí)差法檢測標(biāo)準(zhǔn)ISO/WD TS 24399ThermoplasticPipesfortheConveyanceofFluids-InspectionofPolyethyleneButtFusionJointsUsingTimeofFlightDiffractionTesting的草案研究工作，但僅針對熱熔接頭的檢測進(jìn)行規(guī)范，尚未發(fā)布實(shí)施。

關(guān)于微波檢測標(biāo)準(zhǔn)，美國ASTM于2018年發(fā)布兩部標(biāo)準(zhǔn)ASTM E3101-18StandardPracticeforMicrowaveExaminationofPolyethyleneButtFusionJoints和ASTM E3102-18StandardPracticeforMicrowaveExaminationofPolyethyleneElectrofusionJointsUsedinPipingApplication，分別對熱熔接頭與電熔接頭的檢測進(jìn)行規(guī)范。

由于各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的檢測技術(shù)路線與檢測方法不同，針對聚乙烯管道檢測研究的技術(shù)成熟度也各不相同，表2列出各方法實(shí)施檢測的缺陷類型，可以看出國內(nèi)外對于缺陷的分類有所不同，其主要差別在于超聲相控陣檢測中對于電熔接頭的分類。相比中國標(biāo)準(zhǔn)的缺陷分類方法，國外的分類中多出了未熔合、微粒污染及不對中缺陷。由于中國標(biāo)準(zhǔn)可以準(zhǔn)確地量化冷焊缺陷程度，因而將未熔合缺陷歸入嚴(yán)重冷焊缺陷；微粒污染本質(zhì)上是夾雜缺陷的一種，其超聲響應(yīng)與其他夾雜缺陷相同，因而中國標(biāo)準(zhǔn)沒有單獨(dú)分類；不對中的管道可通過肉眼直接辨識(shí)，其對接頭焊接結(jié)構(gòu)造成的影響主要是因焊接壓力不均導(dǎo)致電阻絲錯(cuò)位缺陷或局部過焊使熔料溢出。因此，不對中是導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的原因而不是缺陷本身，故在中國標(biāo)準(zhǔn)中沒有單獨(dú)分類。相比之下，中國標(biāo)準(zhǔn)的缺陷分類方法更加有效合理。

表2 國內(nèi)外無損檢測標(biāo)準(zhǔn)中常見的缺陷類型Tab.2 Common defect types in domestic and foreign non-destructive testing standards

3 國內(nèi)外無損檢測標(biāo)準(zhǔn)對比

3.1 超聲脈沖回波檢測

不同標(biāo)準(zhǔn)在檢測對象、檢測范圍、檢測參數(shù)及掃查方法等方面有不同的要求，標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)內(nèi)容的對比見表3。

表3 聚乙烯管道超聲脈沖回波檢測標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.3 Comparison of pulse-echo ultrasonic testingstandards for polyethylene pipes

雖然標(biāo)準(zhǔn)適用檢測對象包含了電熔、熱熔接頭，但由于超聲脈沖回波檢測只能獲取單個(gè)方向超聲回波強(qiáng)度及時(shí)間信息，因而對壁厚30 mm以下的管材及套接接頭等簡單結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔洞和垂直聲線方向的裂紋有一定的檢測效果，但對熱熔對接接頭和電熔接頭缺陷的檢測和辨識(shí)困難。

(1)檢測范圍。

超聲脈沖回波檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括JB/T 10662—2013和ASTM E3167/E3167M-18。其中，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB規(guī)范了熱熔接頭的檢測方法，接頭型式包括對接接頭和套接接頭；ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電熔接頭的檢測方法，接頭型式包括直通接頭和鞍形旁通接頭。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB適用于外徑50～1 000 mm、壁厚為4～60 mm的聚乙烯管；ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求待檢測接頭的管徑在12～300 mm范圍內(nèi)，尺寸比為6.3～17。由于工件表面粗糙度影響耦合效果及檢測靈敏度[10]，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB要求管道表面光潔，檢測表面粗糙度≤12.5 μm；而ASTM標(biāo)準(zhǔn)對管道表面粗糙度未作要求。

(2)檢測參數(shù)及掃查方法。

對于探頭頻率的選擇，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB推薦的探頭頻率為4～8 MHz；ASTM標(biāo)準(zhǔn)的探頭頻率與壁厚相關(guān)，推薦頻率的范圍為1～10 MHz。對于掃查方法，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB根據(jù)接頭型式作了區(qū)分；對于對接接頭，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB推薦從兩側(cè)或從頂部入射檢測的兩種檢測方法，掃查方式為360°周向掃查并在每個(gè)掃查點(diǎn)左右擺動(dòng)掃查；對于套接接頭，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB按表面有無矩形槽作了區(qū)分，但都采用軸向掃查與360°周向掃查結(jié)合的方法。ASTM標(biāo)準(zhǔn)對直通接頭和鞍形旁通接頭的測試點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行檢測，典型直通接頭規(guī)定了測試網(wǎng)格的最小行數(shù)，網(wǎng)格圓周方向上等距布置；鞍形旁通接頭最少檢測一行，可視具體情況增加行數(shù)。由于ASTM標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定100%的接頭檢測，只指定了代表部分焊接界面的最小掃描網(wǎng)格，因此存在遺漏缺陷的可能性。

(3)檢測圖譜。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB未給出缺陷檢測圖譜，規(guī)定采用-6dB法測量指示長度并根據(jù)缺陷指示長度進(jìn)行接頭質(zhì)量分級(jí)，套接接頭還應(yīng)考慮內(nèi)層套管內(nèi)壁的回波幅度，未給出缺陷可接受準(zhǔn)則；ASTM標(biāo)準(zhǔn)在附錄中給出了一種典型的接頭截面的A掃圖，缺陷識(shí)別建議將檢測點(diǎn)的A掃圖與完好接頭A掃圖的等效位置進(jìn)行比較，以幫助識(shí)別缺陷，此外，未給出接頭質(zhì)量驗(yàn)收準(zhǔn)則。

3.2 超聲相控陣檢測

超聲相控陣檢測是目前針對聚乙烯管道檢測技術(shù)成熟度最高的一種檢測技術(shù)路線，在中國、美國、歐洲等均積累了一定的應(yīng)用案例，并有相關(guān)的檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。電熔接頭與熱熔接頭的接頭結(jié)構(gòu)不同，其檢測方法與缺陷類型也不一致，以下分別進(jìn)行介紹。

3.2.1 電熔接頭

電熔接頭的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)對比如表4所示。

表4 聚乙烯管道電熔接頭的超聲相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.4 Comparison of phased array ultrasonic testing standards for polyethylene electrofused joints

(1)檢測范圍。

電熔接頭的超聲相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 29461—2012，ASTM E3170/E3170M-18和ISO/TS 16943:2019。我國最早采用超聲相控陣檢測的技術(shù)路線并制定頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)，其理論方法與檢測效果得到了國內(nèi)外同行廣泛認(rèn)可[11-12]，2018年和2019年，ASTM和ISO也相繼頒布電熔接頭的相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB的適用管徑為40～400 mm，未限定壁厚范圍；ASTM標(biāo)準(zhǔn)的適用管徑范圍為100～710 mm，適用壁厚為8～50 mm；ISO標(biāo)準(zhǔn)的適用管徑范圍與ASTM標(biāo)準(zhǔn)相近，為90～710 mm，適用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸比為SDR11和SDR17。

(2)檢測參數(shù)及掃查方法。

關(guān)于探頭頻率選擇，各標(biāo)準(zhǔn)的探頭頻率均與管件壁厚相關(guān)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB推薦的探頭頻率未給出上下限，以4 MHz和6 MHz為界分為三段；ASTM標(biāo)準(zhǔn)推薦壁厚<30 mm的管道采用檢測頻率5.0～7.5 MHz，30～50 mm的管道采用3.5～5.0 MHz；ISO標(biāo)準(zhǔn)推薦的探頭頻率則為3.5，5.0，7.5 MHz三個(gè)定值。各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的掃查方式為周向掃查，當(dāng)探頭長度小于接頭單邊長度時(shí)，增加軸向掃查；ASTM標(biāo)準(zhǔn)的手動(dòng)或自動(dòng)掃查都要求使用掃查架，并采用1 mm或2 mm的掃查間隔。

(3)檢測圖譜。

國家標(biāo)準(zhǔn)是國內(nèi)聚乙烯管道電熔接頭缺陷檢測研究成果的結(jié)晶。該標(biāo)準(zhǔn)在理論研究和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證基礎(chǔ)上，總結(jié)了各類缺陷對電熔接頭性能影響規(guī)律及其對應(yīng)的失效模式[13]，歸納整理了實(shí)際工程缺陷的典型檢測圖譜，給出缺陷特征辨識(shí)方法、量化方法及安全評定方法[14]，并在標(biāo)準(zhǔn)附錄B中提供了正常焊接圖譜和與各種含缺陷接頭檢測圖譜的對照圖(包括正常焊接、熔合面夾雜、電阻絲錯(cuò)位、孔洞、冷焊、過焊以及各種特征信號(hào)的辨識(shí)方法)，并對缺陷的特征進(jìn)行了詳細(xì)說明；針對聚乙烯管道特有的冷焊缺陷檢測難題，原創(chuàng)性地提出了用特征線位置判定冷焊缺陷及表征冷焊程度的方法[5]，并在標(biāo)準(zhǔn)中給出了冷焊程度量化及評價(jià)方法。ISO標(biāo)準(zhǔn)與ASTM標(biāo)準(zhǔn)采用了與國家標(biāo)準(zhǔn)GB相同的檢測技術(shù)路線和相似的檢測參數(shù)，但相比之下，這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)雖給出了部分缺陷的超聲圖譜，卻沒有給出冷焊與過焊缺陷的檢測方法、檢測圖譜及可接受準(zhǔn)則。

3.2.2 熱熔接頭

熱熔接頭的超聲相控陣檢測因其檢測面與焊接界面垂直，加之熱熔接頭卷邊結(jié)構(gòu)的影響，聲傳播路徑更加復(fù)雜，因而整體技術(shù)成熟度不如電熔接頭的超聲相控陣檢測技術(shù)。已有學(xué)者[15]針對熱熔接頭展開相控陣聲束調(diào)控相關(guān)技術(shù)研究，通過研究聚乙烯管道聲衰減和頻散，提出改進(jìn)的延遲法則，改善了超聲在熱熔接頭中的聚焦效果，提高了成像的靈敏度，并能夠?qū)崿F(xiàn)對厚壁聚乙烯管接頭中的體積型缺陷進(jìn)行檢測。以下針對ASTM、ISO和浙江省特種設(shè)備節(jié)能與安全協(xié)會(huì)等起草的國內(nèi)外最新熱熔接頭檢測標(biāo)準(zhǔn)展開討論。這三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)基本情況對比如表5所示。

表5 聚乙烯管道熱熔接頭的超聲相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.5 Comparison of phased array ultrasonic testing standards for polyethylene butt fuse joints

(1)檢測范圍。

熱熔接頭最新的超聲相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)有：T/ZJASE 008—2021、ASTM E3044/E3044M-16和ISO/TS 22499:2019。T/ZJASE標(biāo)準(zhǔn)適用管徑范圍110～630 mm，適用壁厚10～60 mm；ASTM標(biāo)準(zhǔn)適用壁厚為9～60 mm，適用管徑為≥100 mm，未規(guī)定上限；ISO標(biāo)準(zhǔn)僅給出壁厚范圍為8～100 mm，且范圍大于ASTM標(biāo)準(zhǔn)和T/ZJASE標(biāo)準(zhǔn)。

(2)檢測參數(shù)及掃查方法。

對于探頭頻率選擇，各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)推薦的頻率均與壁厚相關(guān)，T/ZJASE標(biāo)準(zhǔn)基于分析仿真試驗(yàn)優(yōu)化了檢測的詳細(xì)參數(shù)，推薦壁厚10～20 mm的管道采用5～8 MHz的檢測頻率，20～40 mm的管道采用3～6 MHz，40～60 mm的管道采用2～4 MHz，并推薦各分段的主動(dòng)孔徑為16 mm，16～24 mm，24～32 mm；而ASTM標(biāo)準(zhǔn)推薦的頻率范圍除壁厚12 mm以下的管道采用2～5 MHz外，其他壁厚均采用1～5 MHz；ISO標(biāo)準(zhǔn)推薦的頻率也為1～5 MHz，但比ASTM標(biāo)準(zhǔn)的分段詳細(xì)。各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的掃查方式都為周向掃查，但各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的掃查范圍有所不同，T/ZJASE標(biāo)準(zhǔn)長度方向的掃查范圍視具體情況而定，但需在有效聲程范圍內(nèi)對焊縫檢測區(qū)域進(jìn)行全覆蓋，ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求的掃查范圍為熔合面兩側(cè)10 mm，ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定掃查范圍為熔合面兩側(cè)10 mm或壁厚的1/5。此外，T/ZJASE標(biāo)準(zhǔn)對于試塊設(shè)計(jì)、耦合劑、靈敏度設(shè)定和檢測程序等各方面也作了更為詳細(xì)的規(guī)定，具體原理、方法與驗(yàn)證見文獻(xiàn)[16]。

(3)檢測圖譜。

三部標(biāo)準(zhǔn)中均未給出相應(yīng)缺陷類型的缺陷圖譜，主要原因是熱熔接頭的冷焊缺陷至今還未有有效的檢測方法。標(biāo)準(zhǔn)DB31/T 1058—2017在附錄中提供了熱熔接頭正常焊接、熔合面夾雜、孔洞、未熔合及邊界信號(hào)的參考圖譜，但未提及冷焊及過焊缺陷的缺陷圖譜。在安全評定方面，最新發(fā)布的T/ZJASE標(biāo)準(zhǔn)給出了缺陷的定量計(jì)算方法和質(zhì)量評定的可接受準(zhǔn)則。ISO標(biāo)準(zhǔn)給出了缺陷長度及寬度尺寸的定義，未給出具體的定量方法及可接受準(zhǔn)則。ASTM標(biāo)準(zhǔn)僅給出基本的檢測操作方法，未給出缺陷定量方法及可接受準(zhǔn)則。

3.3 超聲衍射時(shí)差檢測

超聲衍射時(shí)差檢測被證明對金屬對接焊縫上的裂紋缺陷、熔合面缺陷有較好的檢測效果，因而被應(yīng)用于聚乙烯管道熱熔對接焊縫的缺陷檢測，但其僅對少數(shù)缺陷檢測效果較好，多與其他檢測技術(shù)配合使用。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E3044/E3044M-16，該標(biāo)準(zhǔn)中超聲衍射時(shí)差法的檢測范圍、檢測參數(shù)和掃查范圍與超聲相控陣相同。目前ISO也在著手研制相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)ISO/WD TS 24399，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)初稿。

3.4 微波檢測技術(shù)

微波通過微波源可直接穿透聚乙烯管道，其反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)發(fā)生干涉，經(jīng)微波探頭接收，根據(jù)微波幅度衰減、相位及頻率等參數(shù)的改變，由信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)得到能夠反映接頭缺陷信息的掃描圖像。微波檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有ASTM E3101—18和ASTM E3102—18，標(biāo)準(zhǔn)對比如表6所示。

表6 聚乙烯管道微波檢測標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.6 Comparison of microwave testing standardsfor polyethylene pipes

微波檢測對電熔接頭和熱熔接頭的檢測區(qū)別不大，熱熔接頭標(biāo)準(zhǔn)適用于100～1650 mm的管道，而電熔接頭標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定≥100 mm，二者的適用壁厚均為12～100 mm。檢測裝置為微波換能器，其工作頻率為1～100 GHz，檢測的頻率應(yīng)根據(jù)被檢測工件的具體情況在試塊上確定，掃查形式為軸向掃查+周向索引。該兩部標(biāo)準(zhǔn)也未給出相應(yīng)的缺陷圖譜資料，檢測結(jié)果需與參考試塊的檢測結(jié)果進(jìn)行比較，以幫助缺陷檢測評估，未給出缺陷定量方法，接頭的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也由標(biāo)準(zhǔn)使用者決定。

4 聚乙烯管道無損檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的不足與發(fā)展建議

4.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

超聲相控陣檢測技術(shù)是國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最多的、也是當(dāng)前最為完善的檢測技術(shù)手段。超聲相控陣技術(shù)對電熔接頭的檢測已經(jīng)較為成熟，電熔接頭各類缺陷都可以通過超聲相控陣檢測取得較好的檢測效果[5,17-18]，具體可參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29461實(shí)施；熱熔接頭中的孔洞及夾雜缺陷可以通過超聲相控陣進(jìn)行有效檢測[19-21]，可參考T/ZJASE 008—2021實(shí)施；而裂紋缺陷宜采用超聲衍射時(shí)差技術(shù)進(jìn)行檢測[22]，可參照美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E3044/E3044M—16實(shí)施。對于熱熔接頭的冷焊和過焊缺陷，雖然已有相關(guān)的研究報(bào)道[23-24]，但目前還未有有效的在線檢測方法。表7示出了當(dāng)前在聚乙烯管道電熔接頭及熱熔接頭常見缺陷檢測中較為成熟的無損檢測技術(shù)及其參考技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表7 聚乙烯管道缺陷檢測技術(shù)對比Tab.7 Comparison of defect detection technologiesfor polyethylene pipes

4.2 存在的不足

(1)熱熔接頭的無損檢測方法有待完善。

國內(nèi)外學(xué)者采用超聲相控陣檢測[19,24]、紅外熱成像技術(shù)[25]和微波檢測[23,26]等方法對熱熔接頭展開研究，但至今還未有一種方法能夠系統(tǒng)地對熱熔接頭中的各類缺陷都進(jìn)行有效檢測，特別是尚未攻克在役聚乙烯管道熱熔接頭的冷焊檢測難題。

(2)未建立系統(tǒng)的基于失效機(jī)理的無損安全評價(jià)方法。

目前除聚乙烯管道電熔接頭有基于超聲相控陣無損檢測方法、缺陷圖譜對應(yīng)關(guān)系、失效模式與失效機(jī)理的研究報(bào)道以外[14,27]，其他無損檢測方法或熱熔接頭無損安全評定均尚未建立接頭失效模式、缺陷類型及檢測方法的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因而其檢測結(jié)果尚未有相應(yīng)的失效模型作為支撐，難以量化評價(jià)接頭的安全性。

(3)無損檢測技術(shù)適用范圍落后于管道應(yīng)用現(xiàn)狀。

聚乙烯材料具有黏彈性，超聲頻率越高，聲衰減越嚴(yán)重，檢測厚度范圍越??；而超聲頻率越低，檢測靈敏度越小。因而2012版國標(biāo)僅適用于400 mm以下聚乙烯管檢測，2018年與2019年發(fā)布的ASTM與ISO標(biāo)準(zhǔn)也僅適用于710 mm以下的聚乙烯管。但隨著聚乙烯管道應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，管道公稱直徑與壁厚也逐漸增大，已超過現(xiàn)有檢測標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大直徑或壁厚。例如國內(nèi)的三門核電采用的聚乙烯管道公稱直徑達(dá)到762 mm，國外的Callaway核電廠采用聚乙烯管道的公稱直徑達(dá)到914.4 mm[2-3]，均超過了國內(nèi)外相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的檢測直徑范圍。

4.3 聚乙烯管道無損檢測技術(shù)發(fā)展建議

我國聚乙烯管道無損檢測方法研究起步早，燃?xì)?、給水及核電冷卻水輸送的聚乙烯管道需求量大[28]，特別是近年核電廠冷卻水管道新建和改造工程中，聚乙烯管道在三門核電廠[3,29]和海陽核電廠[3]的重要廠用水系統(tǒng)以及大亞灣核電廠的循環(huán)水過濾系統(tǒng)[30]中應(yīng)用，積累了大口徑聚乙烯管道生產(chǎn)、安裝、檢測及運(yùn)維方面的寶貴數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。

針對我國聚乙烯管道的無損檢測技術(shù)發(fā)展提出如下建議。

(1)在無損檢測方法方面，研究聚乙烯管道熱熔接頭冷焊缺陷的無損檢測方法，發(fā)展與完善超大(直徑>750 mm)、超厚(>85 mm)聚乙烯管道的超聲相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)研究，推進(jìn)以超聲相控陣檢測技術(shù)為主要檢測手段的電熔與熱熔接頭的檢測方法。建立聚乙烯管道電熔和熱熔接頭相統(tǒng)一的無損檢測方法標(biāo)準(zhǔn)體系，為市政、核電等不同領(lǐng)域的各類聚乙烯管道提供統(tǒng)一的無損檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)在安全評價(jià)方法方面，研究含不同類型缺陷的聚乙烯管道的失效模式與失效機(jī)制，建立失效模式與缺陷類型、缺陷位置及缺陷尺寸的關(guān)聯(lián)關(guān)系，明確不同類型、不同位置缺陷的缺陷容限。在非金屬管道行業(yè)內(nèi)建立含缺陷聚乙烯管道失效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，不斷積累缺陷圖譜及實(shí)際含缺陷聚乙烯管道服役性能數(shù)據(jù)，修正含缺陷聚乙烯管道的失效預(yù)測分析模型，完善聚乙烯管道無損安全評價(jià)方法。

(3)在聚乙烯管道安全保障方面，建立材料-焊接-檢測等多個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)同化的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法。發(fā)展和完善聚乙烯管道的原材料質(zhì)量、電熔與熱熔焊接過程及施工人員技術(shù)水平的數(shù)字化追溯體系，通過監(jiān)測材料供應(yīng)商、焊接過程工藝參數(shù)及施工人員操作歷史經(jīng)驗(yàn)，形成基于施工過程數(shù)據(jù)預(yù)判與無損檢測復(fù)驗(yàn)多種技術(shù)手段相結(jié)合的聚乙烯管道無損安全保障方法。

5 結(jié)語

(1)國內(nèi)外基于超聲檢測技術(shù)已建立多種聚乙烯管道電熔和熱熔接頭的無損檢測方法標(biāo)準(zhǔn)，其中超聲相控陣檢測技術(shù)被認(rèn)為是最有效的手段，在中國(GB)、美國(ASTM)和歐盟(ISO)已相繼制定發(fā)布相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在電熔接頭的無損安全評價(jià)中，相比ASTM標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)，GB標(biāo)準(zhǔn)給出了詳細(xì)的缺陷類型與檢測圖譜的對應(yīng)關(guān)系，并給出了相應(yīng)的缺陷可接受準(zhǔn)則，可實(shí)施性強(qiáng)。

(2)對于聚乙烯管道熱熔接頭，目前還未有一種方法能夠系統(tǒng)地對接頭中的各類缺陷都進(jìn)行有效檢測，特別是亟須攻克熱熔接頭冷焊缺陷的檢測難題，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立熱熔接頭失效模式、缺陷類型及檢測方法的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立系統(tǒng)的熱熔接頭無損安全評價(jià)方法。

(3)我國聚乙烯管道無損安全評價(jià)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)起步早于美國和歐洲，在冷焊檢測方法及相應(yīng)數(shù)據(jù)積累方面仍具有領(lǐng)先優(yōu)勢。建議進(jìn)一步建立與完善統(tǒng)一的聚乙烯管道電熔和熱熔接頭無損檢測方法標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)無損檢測技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用；建立含缺陷聚乙烯管道失效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，完善聚乙烯管道安全評價(jià)方法；構(gòu)建材料-焊接-檢測等多個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)同化的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，形成基于施工過程數(shù)據(jù)預(yù)判與無損檢測復(fù)驗(yàn)多種技術(shù)手段相結(jié)合的聚乙烯管道無損安全保障方法。