蔡 勤 郭欣欣 黃 彬 韓佩城

（1. 廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院， 廣東 珠海 519002；2. 珠海市廣華燃氣消防工程有限公司，廣東 珠海 519002；3. 北京欣盟電子技術有限公司，北京 100041）

0 引言

聚乙烯是一種具有非極性長鏈分子結構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、突出的力學性能、較長的使用壽命和良好的經(jīng)濟實用環(huán)保性，因而被廣泛用于天然氣和液化氣的輸送。2000年以后，我國燃氣管道大規(guī)模使用聚乙烯管，目前超過90%以上的新建中低壓城鎮(zhèn)燃氣管道都使用聚乙烯管[1]?，F(xiàn)在，國家規(guī)定允許使用的兩種聚乙烯燃氣管連接方式分別是熱熔連接和電熔連接，一般DN90 以上的聚乙烯燃氣管連接采用熱熔連接。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候后熔融，然后將兩端面加壓擠在一起一定時間，兩端面就連接成具有一定強度的熱熔接頭。在聚乙烯管道熱熔焊接過程中，由于操作人員的焊接水平、焊接設備工況、管材質量、焊接工藝和焊接環(huán)境有的關系，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。聚乙烯燃氣管熱熔接頭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、不對中、焊縫過短）等。針對這些缺陷，工程施工上主要是通過非破壞性的檢驗，包括外觀檢測和無損檢測，目前一般最常使用的是外觀檢測?，F(xiàn)階段聚乙烯熱熔接頭的無損檢測研究僅僅停留在試驗研究階段，無法真正應用到實際的工程檢測中，更談不上沒有像金屬材料焊接接頭那樣有完善的相關檢測、評價標準體系。如何實施有效的無損檢測技術應用于控制工程的聚乙烯燃氣管道焊接接頭質量，并形成統(tǒng)一的標準規(guī)范，成為保證燃氣管網(wǎng)安全運行的當務之急。

1 聚乙烯燃氣管熱熔連接的外觀檢測

目前，按照CJJ33-2005《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范》和TSG D2002-2006 《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規(guī)則》等規(guī)定要求，聚乙烯燃氣管道安裝工程驗收時需對熱熔接頭進行外觀檢測，以確保熱熔接頭質量符合要求。聚乙烯燃氣管熱熔焊接接頭的外觀檢測，主要從三個方面檢查接頭的質量：接頭外觀特征、接頭結構特點、卷邊切除檢驗：（1）良好的接頭外觀特征：接頭兩邊存在均勻圓形卷邊、兩邊卷邊尺寸應該相近、卷邊的表面應該平滑、均勻、對稱、接頭兩側管材端面錯邊量不應大于管材壁厚的10%；（2）接頭結構特點：卷邊融合線的最低處不應低于管道外表面、接口兩側的外圓任何一處錯邊量不應超過管道壁厚的10%；（3）卷邊切除檢驗：卷邊應是實心圓滑、根部較寬，卷邊切割面不應有夾雜物、小孔、扭曲和損壞。

2 聚乙烯燃氣管熱熔接頭的無損檢測

尋找有效、可靠的無損檢測方法對聚乙烯燃氣管熱熔接頭進行檢測是保證聚乙烯燃氣管網(wǎng)在設計壽命里正常安全使用的重要途徑。因此，目前國內(nèi)外學者已開展對聚乙烯燃氣管熱熔接頭的無損檢測研究，主要有超聲波檢測、超聲相控陣檢測、紅外熱成像檢測、微波掃描法檢測、射線檢測等檢測技術。

2.1 聚乙烯燃氣管熱熔接頭的超聲檢測

聚乙烯燃氣管熱熔接頭的超聲波檢測由無錫市蘇臺工業(yè)檢測技術所率先開始研究，并已形成了JB/T 10662-2013《無損檢測 聚乙烯管道焊縫超聲檢測》檢測標準。以浙江大學鄭津洋團隊為代表的其他國內(nèi)學者也針對超聲波檢測聚乙烯管道焊接接頭開展了大量的研究。國外各國中，德國于20世紀70年代、美國、英國于80年代都開展聚乙烯燃氣管熱熔接頭的超聲檢測技術和設備研究。國內(nèi)外的超聲波檢測研究表明，對某些缺陷的檢測靈敏度到不到檢測要求，檢測局限性較大[2]。

聚乙烯管道熱熔接頭超聲檢測的耦合聚焦檢測技術是使用特別的耦合劑作為液浸超聲波檢測的載體，檢測時使超聲波探頭的聲束會聚，使聲束能檢測到整個熱熔接頭區(qū)域，并采集到缺陷信號。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的載體，采用球形曲晶片聚焦探頭使聲束在原焦點位置附近會聚，通過液浸超聲波檢測法，使超聲波聲束在檢測中不產(chǎn)生折射或折射很小，減少反射聲能損失，提升檢測靈敏度，并能覆蓋整個熱熔接頭的熔合區(qū)。通過大量帶有典型缺陷試樣的對比試驗，驗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，滿足工程檢測的需要[3]。

2.2 聚乙烯燃氣管熱熔接頭的超聲相控陣檢測

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

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

張曉寶以研究相控陣檢測探頭的聲場特性為基礎，仿真研究模擬接頭缺陷對探頭各個參數(shù)的檢測影響，從仿真結果中優(yōu)化設計了探頭參數(shù)組合。通過設計若干校準試塊對儀器的相關參數(shù)進行校準設置，對制備的試樣進行超聲相控陣檢測，最后對試樣進行質量評定。研究結果表明：超聲相控陣檢測技術能夠對聚乙烯管接頭焊縫中的缺陷進行有效檢測[5]。

王少軍等對針對聚乙烯材料聲學特性和接頭形狀對超聲波檢測有較大影響，提出了采用超聲相控陣動態(tài)聚焦和S掃查成像技術來檢測聚乙烯管道熱熔接頭的方法。通過該方法對無缺陷試件和含有典型缺陷試件的檢測對比，可以得出該方法可以有效檢測出熱熔接頭中的各種典型缺陷，并在實際工程檢測中得到驗證[6]。

竺哲明等設計了一套針對熱熔接頭檢測的超聲波相控陣檢測裝置，該裝置以相控陣聚焦和超聲實時成像技術為基礎，采用液浸耦合技術解決了超聲波檢測聚乙烯材料的各種局限難點問題。通過使用該裝置對典型缺陷的聚乙烯接頭缺陷試樣檢測和實物解刨對比，驗證了該裝置可以可靠的發(fā)現(xiàn)聚乙烯熱熔對接接頭中的氣孔、熔合面夾雜等各類典型缺陷[7]。

2.3 聚乙烯燃氣管熱熔接頭的紅外熱成像檢測

紅外熱成像檢測技術通過獲取目標表面的紅外輻射能量，經(jīng)過計算、處理，將目標表面溫度場分布轉換為人眼能識別的熱像圖，從而識別目標內(nèi)部缺陷。聚乙烯管道缺陷的紅外熱成像無損檢測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），對紅外熱像圖進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)熱激勵雙面透射方式對聚乙烯管熱熔接頭紅外熱像檢測，通過有限元模擬接頭內(nèi)部缺陷的溫度場，對比分析了模擬與試驗熱像圖，得出了從紅外檢測熱像序列圖中可以清晰地識別出缺陷位置和相對大小。驗證了持續(xù)激勵紅外熱像透射檢測法可作為一種對聚乙烯管進行無損檢測評價和健康監(jiān)測的可行性和有效性[8]。

邱旭通過瞬態(tài)熱傳導有限元模型來研究不同激勵方式的主動紅外熱成像技術檢測對聚乙烯管熱熔接頭缺陷的檢測效果，以及聚乙烯管道缺陷圖像自動識別方法。從研究結果可以得出主動紅外熱成像技術檢測可以有效檢測出缺陷，而且缺陷越大越深，越容易被識別；外部激勵源的強度越強，檢測效率越高[9]。

2.4 聚乙烯燃氣管熱熔接頭的微波檢測

微波檢測是利用一種波長在1～1000mm之間，頻率在0.3～300GHz之間的波長短、頻率高、頻帶寬的高頻電磁波進行檢測的無損檢測方法。當微波從一種介質進入到另一種介質中時，由于兩種不同介質的介電常數(shù)的差異而使微波發(fā)生反射，反射信號與發(fā)射信號發(fā)生干涉，經(jīng)微波探頭接收并轉變成掃描圖像[10]。當結構中存在缺陷時，缺陷的介電常數(shù)與周圍材料不同，通過微波檢測原理就能檢測出熱熔焊接接頭中的缺陷。

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

2.5 聚乙烯燃氣管熱熔接頭的X射線檢測

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，如對聚乙烯燃氣管熱熔接頭進行X射線檢測時，按《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》等標準要求管電壓應在30kV以下。對聚乙烯管道熱熔接頭的X射線檢測結果同樣可以發(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性能的基礎上，參考了金屬管道X射線數(shù)字成像檢測參數(shù)的確定方法，研究X射線數(shù)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(shù)字成像檢測參數(shù)[13]。

伍樹坤對比了常規(guī)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（最低的管電壓可以調(diào)至100KV或更低，曝光時間控制在0.5～1min之間），顯影時間一般控制在2min以內(nèi)的方法對聚乙烯管熱熔接頭進行X射線檢測，可以獲得具有合適的對比度和黑度的較清晰底片。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[14]。

3 結語

與傳統(tǒng)金屬管道比較，聚乙烯燃氣管道具有更好的耐腐蝕性、優(yōu)越的焊接性、突出的力學性能、長達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。聚乙烯燃氣管道的熱熔接頭容易出現(xiàn)風險，是聚乙烯燃氣管道系統(tǒng)最為薄弱的環(huán)節(jié)，接頭的優(yōu)劣直接關系到燃氣管網(wǎng)能否安全運行。美國國際管道研究委員會（PRCI）曾統(tǒng)計和歸納了歐美各國聚乙烯燃氣管道發(fā)生事故，其中因為聚乙烯管接頭破壞引起的事故占63%[15]。因此，如何對聚乙烯燃氣管道連接接頭實施有效的檢測，監(jiān)控接頭內(nèi)部質量狀況以控制工程質量，對聚乙烯燃氣管的應用和安全運行具有重要的現(xiàn)實意義。