王世波

（上海派普諾管道檢測科技發(fā)展有限公司,上海 201801）

近年來,城鄉(xiāng)建設(shè)的快速推進和經(jīng)濟的發(fā)展,同時對能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境整治的力度不斷的提高, 天然氣作為當(dāng)代的清潔能源被廣泛用于國民生產(chǎn)和居民生活。城鎮(zhèn)天然氣在運輸上基本以管道運輸為主,聚乙烯管道具有造價低、撓性大、耐腐蝕、可熔焊等特點,慢慢取代傳統(tǒng)鋼質(zhì)管道在城市管網(wǎng)中的應(yīng)用。目前工作壓力在0.1MPa≤P≤0.8MPa 的新建天然氣管道大部分已聚乙烯管道為主,在承壓類特種設(shè)備中,聚乙烯管道的熔接方式為電熔焊接和熱熔焊接。電熔焊焊接是一種自動焊的焊接形式,操作工藝簡單,經(jīng)濟適用性大。受環(huán)境、焊接工藝和焊工水平等因素的影響,電熔焊接過程中熔合區(qū)部位往往會產(chǎn)生肉眼不可見的缺陷。由于輸送介質(zhì)載荷等影響,缺陷部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致焊接接頭是聚乙烯管道最為薄弱的地方,形成極大的安全隱患。采用超聲相控陣檢測方法對聚乙烯管道電熔焊接接頭進行檢測的優(yōu)點在于檢測速度快、環(huán)境無輻射、成本低、缺陷顯示直觀,是一種可以對電熔焊接缺陷進行有效檢測的方法。

1 聚乙烯管道電熔接頭缺陷及常規(guī)檢測方法

1.1 聚乙烯管道電熔接頭的缺陷類型

聚乙烯管道電熔焊接過程中,焊接接頭形成的缺陷主要包括孔洞、夾雜、冷焊、過焊、電阻絲錯位、管材承插不到位等。

1.1.1 孔洞：位于電熔焊過程中熔融區(qū)域或相變界面的孔隙?？锥慈毕莘譃閱蝹€孔洞和組合孔洞,是一種體積型缺陷,在定量上兩者評級標(biāo)準不同?？锥葱纬傻脑驗楹附蛹訜徇^程中嚴重過焊導(dǎo)致的材料過熱汽化以及在焊接界面粘有水或潮濕雜質(zhì)受熱蒸發(fā)產(chǎn)生的氣孔,同時冷卻過程中散熱不均而產(chǎn)生的材料收縮形成冷卻縮孔。

1.1.2 夾雜：該缺陷存在形式包含金屬夾雜和非金屬夾雜兩種。缺陷形成原因可能是管件內(nèi)壁與管材外壁在焊接前粘有雜質(zhì)、管材外壁氧化皮未清理干凈等。

1.1.3 冷焊：管件和管材間的界面層分子擴散不到位,未能實現(xiàn)分子與分子之間的重新結(jié)合。缺陷形成原因是由于焊接熱量過低造成的。

1.1.4 金屬絲錯位：焊接過程中熔融區(qū)域內(nèi)金屬絲排列參之不齊,凝固后未能恢復(fù)原先的位置。形成原因是焊接熱量過高,熔融區(qū)域材料流動性變大,金屬絲受自身重力或隨著熔融聚乙烯的流動發(fā)生位置變化,管件與管材配合過緊也會造成金屬絲錯位。

1.1.5 過焊：焊接熱量過高,相變區(qū)域過大,該缺陷通常會伴隨著孔洞和金屬錯位同時存在。

1.1.6 管材承插不到位：管材與套筒配合時,管材外壁未能完全覆蓋套筒內(nèi)壁的金屬絲。

1.2 電熔接頭常規(guī)檢測方法及其局限性

電熔焊接接頭常規(guī)的檢測方法有目視檢查、拉伸試驗、耐壓實驗和常規(guī)超聲探傷等。

目視檢查只能通過觀察孔查看熔融物溢出程度來預(yù)判焊接工藝是否合格,還有受檢工件表面易見的缺陷,對于內(nèi)部埋藏缺陷無法檢測出來。

拉伸試驗未能做到100%的檢測比例,這種以偏概全的方法并沒有很強的說服力,而且在役的壓力管道定期檢驗時無法滿足這一檢測條件。

耐壓實驗是通過打壓后保壓時間來判定焊接接頭的質(zhì)量,這種方法只能檢測較大的缺陷和穿透性缺陷,對于非穿透性缺陷無法檢測出來。

由于聚乙烯材料的特殊聲學(xué)特性,常規(guī)超聲探傷方法檢測時超聲波散射損失較大,加上套筒內(nèi)部金屬絲和聚乙烯聲學(xué)特征差異造成的影響,常規(guī)超聲探傷方法很難準確的檢測出電熔接頭的各類缺陷。

2 超聲相控陣檢測及結(jié)果分析

2.1 檢測試塊

2.1.1 對比試塊

用于制作比試塊的材料要和被檢焊接接頭材料聲學(xué)性能相同或近似,且該材料內(nèi)不得有大于或等于φ1mm平底孔當(dāng)量的缺陷。

在DB31/T1058-2017 給出了PE-Ⅰ和PE-Ⅱ兩種對比試塊,以PE-Ⅱ為例,該試塊用于相控陣檢測系統(tǒng)定位精度測試和時間增益（ACG）修正,由聚乙烯材料聲學(xué)相似的材料制成。表面粗糙度應(yīng)與被檢工件相接近,檢測面為平面,在以檢測面為中心的R25 半圓弧上均勻預(yù)埋35 根φ1 金屬絲。如圖1 所示。

圖1 對比試塊PE-Ⅱ

2.1.2 模擬試塊

模擬試塊是含缺陷的電熔接頭,可以采用完好的焊接接頭制造人工缺陷,試塊的外觀和幾何尺寸應(yīng)當(dāng)和被檢工件相同。

在DN160（SDR11）的試塊上加工一個1.1mm 左右的孔洞缺陷進行陣檢測,來驗證超聲波相控陣檢測精度。

2.2 儀器和探頭

試驗使用的超聲波相控陣型號為BAMBOO-300E,該相控陣檢測系統(tǒng)具有專業(yè)針對PE 管道材料缺陷檢測、適用于電熔、熱熔焊接接頭各種管道口徑的模塊化系統(tǒng)、編碼定位掃查裝置便于缺陷準確定位、在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境下就能夠進行操作的技術(shù)特點。

檢測探頭選用的是直探頭,探頭型號為5L128-0.3*10,5 代表探頭發(fā)射超聲波頻率為5MHz、L 表示線型陣元、128 為陣元個數(shù)、0.3 代表每個陣元之間的間距為0.3mm、10 表示陣元長度為10mm。儀器和探頭外觀如圖2 所示。

圖2 儀器探頭和外觀

2.3 耦合劑

耦合劑是用來實現(xiàn)探頭與被檢材料之間聲能傳遞的一種介質(zhì),可以是粘稠狀的液體,試驗使用的耦合劑是由實驗室專門配制而成,其聲速與聚乙烯材料接近,聲阻抗與聚乙烯材料相差不大,這樣可以減少超聲波的反射,聲能損失就越小。探頭與試塊的耦合效果越好,可以減少超聲波的折射,原點聚焦的效果越好。選用適當(dāng)?shù)鸟詈蟿┛梢蕴岣邫z測靈敏度。

2.4 檢測結(jié)果及分析

檢測試塊為人工制造孔洞缺陷的模擬試塊,試塊實物圖如圖3 所示。檢測示意圖如圖4 所示。模擬試塊宏觀剖面用鋼尺測得水平軸向長度為1.1mm。

圖3 模擬試塊宏觀測量圖

圖4 檢測示意圖

采用超聲相控陣檢測S 掃描件成像技術(shù)測得缺陷模擬試塊的成像圖如圖5 所示。特征線是聚乙烯材料在焊接過程中材料發(fā)生相變區(qū)域的邊界超聲反射信號,焊接成型后是不可消失的,從檢測圖像中可以看出試塊的特征線明顯、電阻絲均勻排列、未有缺陷的地方底波信號連續(xù)。

圖5 相控陣檢測成像圖

當(dāng)超聲波遇到孔洞缺陷后,信號到達孔洞的地方便會反射到探頭接受,此時缺陷的底波的信號會缺失或是非常微弱,導(dǎo)致底波的信號不連續(xù)。

超聲相控陣測的孔洞的水平軸向長度為1.2mm,檢測誤差在9.09%左右,與宏觀鋼尺檢測的誤差較小,檢測靈敏度極高,基本能夠滿足工程實際應(yīng)用中的檢測要求。

3 工程應(yīng)用及效果評價

在對某燃氣公司執(zhí)行聚乙烯中壓天然氣管道全面檢驗的開挖坑檢時,發(fā)現(xiàn)了兩處孔洞型缺陷,超聲相控陣檢測成像如圖6 所示。

圖6 工程案例超聲相控陣檢測成像圖

工程案例1 中,該缺陷波反映出來的是單個孔洞缺陷,測得標(biāo)稱熔合區(qū)總長度L 為40mm,缺陷在熔合面軸向方向尺寸X 為3.3mm,且孔洞自身高度H 小于壁厚的10%,X/Y 的值為8.25%,質(zhì)量評級為Ⅱ級。

工程案例2 缺陷波反映的是組合孔洞缺陷,測的測得標(biāo)稱熔合區(qū)總長度L 為45mm,缺陷在熔合面軸向方向尺寸X 為18mm,X/Y 的值為40%,質(zhì)量評級為Ⅲ級。質(zhì)量評級標(biāo)準參照DB31T1058-2017 進行,質(zhì)量評級詳情見表1。

表1 孔洞缺陷的質(zhì)量分級

在國標(biāo)GB/T29460-2012 里面已經(jīng)明確規(guī)定,對于單個孔洞缺陷計算尺寸X/L＞10%和組合孔洞缺陷計算尺寸X/L＞20%的孔洞類型缺陷為不可接受的超標(biāo)缺陷。

工程案例2 中的缺陷已經(jīng)明顯不能滿足壓力管道的服役要求,需立刻對超標(biāo)缺陷進行處理,告知使用單位后進行了切管重焊。對切下來的缺陷電熔焊接接頭進行拉伸剝離試驗,其脆性剝離百分比為45.03%＞33.3%,已不滿足國標(biāo)GB/T 19808-2005 的要求。含缺陷的電熔焊接接頭剝離后的宏觀剖面圖見圖7,可以明顯的看出電阻絲旁邊有大量的密集型組合孔洞缺陷,超聲相控陣檢測結(jié)果準確可靠。

圖7 工程案例2 電熔接頭拉伸剖面圖

4 結(jié)論

近年來承壓類特種設(shè)備安全事故越發(fā)頻繁,聚乙烯燃氣管道的焊接部位是最為脆弱的地方,往往發(fā)生泄漏事故的案例也是在焊接接頭這一塊。超聲相控陣檢測技術(shù)能夠解準確有效的檢查出聚乙烯管道電熔焊接接頭的危害缺陷,便于及時處理工程隱患。國家和地方也陸續(xù)頒布相關(guān)超聲相控陣檢測技術(shù)規(guī)范和聚乙烯天然氣管道定期檢驗中焊接接頭檢驗標(biāo)準,做到安全生產(chǎn)管理、管道完整性管理,確保人民的生命和財產(chǎn)安全。