李曼曼, 梁雪蓮, 馬旭卿, 陳慶璽, 邸 鑫, 程韋豪

(1.北京市燃氣集團研究院, 北京 100011; 2.北京市燃氣集團有限責任公司, 北京 100035)

1 概述

目前,國內(nèi)外聚乙烯燃氣管道普遍采用熱熔對接連接和電熔連接,其中,熱熔對接連接是最常用的。聚乙烯燃氣管道焊接接頭是影響管道系統(tǒng)完整性和使用壽命的關(guān)鍵?，F(xiàn)有焊接質(zhì)量檢查手段以外觀檢查為主,有些缺陷外觀檢查無法發(fā)現(xiàn),卻嚴重危害管道的長期安全運行,如冷焊缺陷,由于熔合面已經(jīng)發(fā)生熔合,外觀上難以判斷,但是熔接強度較低,在一定壓力下運行一段時間后可能失效。

為進一步提高聚乙烯管道系統(tǒng)的可靠性和安全性,在外觀檢查基礎(chǔ)上,進行無損檢測,可以有效彌補外觀檢查的不足,降低管道運行風險。針對電熔接頭的無損檢測技術(shù),目前較成熟的是超聲波相控陣技術(shù),該技術(shù)已經(jīng)具備施工現(xiàn)場應(yīng)用的條件,并且已經(jīng)頒布實施了相應(yīng)標準。而針對熱熔接頭的焊接質(zhì)量,一直缺乏有效的無損檢測手段,相關(guān)標準僅規(guī)定了對接頭外觀進行檢查,無法掌握接頭內(nèi)部實際的焊接情況。

微波無損檢測(簡稱微波檢測)作為新興的無損檢測技術(shù),為聚乙烯管道熱熔接頭檢測提供了解決方案。聚乙烯屬于介電材料,微波能穿透,檢測出材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、界面缺陷、材料老化等問題,并且能精確測定缺陷類別和尺寸[1],以此來評價產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性、連續(xù)性,以評價其質(zhì)量狀況。目前,微波檢測技術(shù)已經(jīng)在美國廣泛應(yīng)用,2016年成為ASNT(美國無損檢測學會)手冊中認可的標準檢測方法,2018年被ASTM(美國材料與試驗協(xié)會)標準采納。

本文通過制作熱熔接頭試件結(jié)合破壞性試驗的方式,對微波檢測技術(shù)的檢測效果進行分析和驗證,并通過開展施工現(xiàn)場實際應(yīng)用對其適用性進行探討。

2 微波檢測

2.1 檢測原理

微波檢測技術(shù)基于微波在介電材料中的傳播特性,被檢介電材料中的氣孔、分層、裂紋、夾雜等缺陷會引起該位置介電常數(shù)變化,這類變化會導致微波在傳播過程中發(fā)生反射,相關(guān)裝置通過接收反射信號以及有關(guān)位置信息,經(jīng)過復(fù)雜的運算處理,可得到被檢材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況。

微波檢測原理見圖1。探頭由1個微波發(fā)射器和A、B兩個接收傳感器組成,兩個接收傳感器間隔1/4波長的距離。微波發(fā)射器向被檢工件發(fā)射一組微波,微波行進中遇到缺陷,由于缺陷介電常數(shù)與被檢工件介電常數(shù)不同,微波在介電常數(shù)不同的界面(即缺陷邊界)上發(fā)生反射,反射的微波與發(fā)射的微波產(chǎn)生干涉,干涉微波信號由接收傳感器接收。兩個接收傳感器接收的干涉微波信號存在差異,經(jīng)EVISIVE專用微波檢測軟件處理生成掃描圖像,給出缺陷的尺寸、形狀等信息。在發(fā)射微波的錐形區(qū)域(圖1中虛線所示區(qū)域)內(nèi),所有缺陷邊界反射的微波信號都會被探測到[2]。

圖1 微波檢測原理

2.2 技術(shù)特點

微波可在介電材料中自由傳播,材料存在任何微小不連續(xù)都會導致該處介電常數(shù)變化,微波對介電常數(shù)變化非常敏感,因此微波檢測技術(shù)對任何微小缺陷都有非常高的檢測靈敏度。微波檢測技術(shù)使用的微波具有較低的光子能量,不會像X射線產(chǎn)生有害的光致電離[3]。

由于微波檢測產(chǎn)生數(shù)字信息,通過EVISIVE專用微波檢測軟件可以實現(xiàn)檢測圖像可視化,如選擇色彩、灰度等。檢測過程中,需要將探頭與焊接接頭直接接觸,不需要耦合劑,探頭在自動掃查工裝的帶動下沿著接頭表面連續(xù)移動。微波檢測聚乙烯管道熱熔接頭見圖2。在役管道也可進行微波檢測。

圖2 微波檢測聚乙烯管道熱熔接頭

3 熱熔接頭微波檢測與破壞性試驗

3.1 熱熔接頭缺陷類型

熱熔接頭缺陷分為工藝缺陷和宏觀缺陷。工藝缺陷包括未焊透和過焊,宏觀缺陷包括孔洞、接頭過短、翻邊錯位或不對稱。工藝缺陷是主要缺陷,約占缺陷總數(shù)的80%以上[4]。

① 工藝缺陷

工藝缺陷的形成通常與焊接工藝參數(shù)選取不當有關(guān)。未焊透通常是由焊接熱量不足、焊接壓力過小或過大、熔合面夾雜導致,嚴重的未焊透稱為未熔合。焊接熱量不足或焊接壓力過小,可能導致熔合面上的高分子未充分擴散纏結(jié),焊接強度會低于正常焊接。焊接壓力過大,會造成熔融物被擠出熔合面,同樣導致焊接強度較低。熔合面夾雜會隔離熔合面,影響高分子的擴散纏結(jié),如果夾雜的是泥水,焊接過程中水分蒸發(fā)會帶走一部分熱量,導致焊接熱量不足,造成未焊透。

冷焊也屬于未焊透的一種,是分子層面的微觀缺陷,存在這類缺陷的焊接接頭外觀合格,早期能夠通過壓力試驗,但是會過早地以脆性破壞方式失效。

過焊通常由焊接熱量過多引起,如加熱板溫度過高。過焊危害在于溫度過高會導致聚乙烯材料熱氧化破壞,析出揮發(fā)性產(chǎn)物,使聚乙烯材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導致焊接接頭強度降低。全自動焊機具備加熱板溫度自動監(jiān)測功能,可以在較大程度上避免過焊缺陷的產(chǎn)生。

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,通常是由焊接操作不當、焊機設(shè)備故障或工況不良、焊接環(huán)境不適宜等因素導致[5]。

3.2 試件制作、微波檢測及拉伸試驗

① 試件制作

本文選取正常焊接工藝參數(shù)(加熱溫度220 ℃、加熱時間179 s、焊接壓力2.8 MPa、切換時間8 s、冷卻時間24 min)制作了正常熱熔接頭試件。另外,模擬施工過程中可能導致熱熔接頭產(chǎn)生缺陷的情況,使用全自動焊機采用異常焊接工藝制作了缺陷熱熔接頭試件,異常焊接工藝包括加熱溫度過低、加熱時間過短、焊接壓力過小、加熱時間過長、切換時間過長、冷卻時間過短、熔合面夾雜(水、油、土)。

② 微波檢測

對熱熔接頭試件進行微波檢測,沿接頭圓周方向全自動掃查,最大程度減小人為操作的誤差。

檢測發(fā)現(xiàn),微波檢測可以檢測出由于焊接工藝異常導致的未焊透。由于熱熔接頭微波檢測尚無標準,本文采用分級方法對缺陷程度進行描述,缺陷分級見表1。表1中,l為接頭缺陷長度,L為接頭長度。

表1 熱熔接頭微波檢測缺陷分級

③ 拉伸試驗

拉伸試驗是公認的判斷接頭質(zhì)量合格與否的驗證方法,直觀體現(xiàn)接頭的熔接強度。完成微波檢測后,對試件進行拉伸試驗,以對比驗證微波檢測結(jié)果的可靠性。拉伸試驗執(zhí)行GB/T 19810—2005《聚乙烯(PE)管材和管件熱熔對接接頭拉伸強度和破壞形式的測定》,將熱熔接頭試件加工成啞鈴狀試樣,試驗溫度(23±2) ℃,拉伸試樣直至完全破壞。拉伸試驗見圖3。按照CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)標準》對試驗結(jié)果進行判定:韌性斷裂,則通過拉伸試驗;脆性斷裂,則未通過拉伸試驗。

圖3 熱熔接頭試樣拉伸試驗

3.3 微波檢測結(jié)果與拉伸試驗結(jié)果比對

3.3.1總體比對

試件焊接工藝、微波檢測結(jié)果、拉伸試驗結(jié)果見表2。所有試件的公稱外徑均為315 mm,壁厚均為17.8 mm。若試件存在Ⅰ級、Ⅱ級缺陷,認為風險較低,可以通過拉伸試驗;若存在Ⅲ級缺陷,認為風險較高,無法通過拉伸試驗。

表2 熱熔接頭試件焊接工藝、微波檢測結(jié)果和拉伸試驗結(jié)果

關(guān)于拉伸試驗結(jié)果,現(xiàn)行標準只給出了兩種情況:韌性斷裂和脆性斷裂,但在本文研究過程中,發(fā)現(xiàn)一些斷面存在韌性斷裂和脆性斷裂混合的形貌,通過向相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜易稍?將這種韌性斷裂和脆性斷裂混合的形貌歸為韌性斷裂。

將檢測圖像顯示的異常稱為缺陷。

從表2可以看出,除1#和13#試件外,其余12個試件的微波檢測結(jié)果與拉伸試驗結(jié)果均符合,即微波檢測結(jié)果與拉伸試驗結(jié)果的符合率為86%。

3.3.2典型試件比對

① 1#試件

1#試件使用正常焊接工藝,焊接后外觀檢查符合CJJ 63—2018。該試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比見圖4。

圖4 1#試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比

圖4a中,微波檢測圖像橫軸代表接頭周長,約990 mm,縱軸代表熱熔接頭軸向檢測區(qū)域,長約152 mm。白色虛線框中,深藍色或洋紅色具有一定寬度的色帶為熱熔接頭。由于熱熔接頭區(qū)域的材料經(jīng)過加熱、冷卻再結(jié)晶過程,其介電性能與母材產(chǎn)生差異,因此微波檢測圖像可表征熱熔接頭與其周圍母材的介電差異。

微波檢測圖像下方的綠色色條,代表對應(yīng)位置接頭清晰、規(guī)則,平直無波動,未間斷,是焊接良好的圖像特征,經(jīng)測量該熱熔接頭寬約4 mm;黃色色條代表對應(yīng)位置接頭顯示不清晰,說明焊接質(zhì)量不良,可能存在未焊透缺陷;紅色色條代表對應(yīng)位置接頭顯示中斷,說明焊接質(zhì)量較差,可能存在未熔合缺陷。

分別選取相應(yīng)的位置取樣進行拉伸試驗,試樣編號為Ⅰ～Ⅵ,對應(yīng)的拉伸斷裂形貌見圖4b。圖4b下方的綠色色條代表韌性斷裂形貌,黃色色條代表韌性、脆性混合斷裂形貌,紅色色條代表脆性斷裂形貌。由圖4b可以看出,Ⅰ～Ⅲ試樣為韌性斷裂;Ⅳ、Ⅴ試樣也呈現(xiàn)韌性斷裂形貌,但是斷裂形貌與Ⅰ～Ⅲ試樣有所不同,存在局部微小的脆性斷裂形貌,為韌性、脆性混合斷裂;Ⅵ試樣為脆性斷裂。

由此可知,微波檢測與拉伸試驗結(jié)果有較好的一致性,微波檢測結(jié)果直觀,檢測靈敏。在該試件檢測分析過程中,也發(fā)現(xiàn)了如下問題:a.現(xiàn)行拉伸試驗標準對試驗結(jié)果的描述和判定尚不完善,缺少對韌性、脆性混合斷裂形貌的判斷;b.該試件采用了正常焊接工藝,卻出現(xiàn)脆性斷裂情況。該試件采用全自動焊機焊接,因此推測由于加熱板溫度不均勻或者溫度傳感器漂移導致出現(xiàn)焊接缺陷。由此可知,全自動焊機一定要定期校準。

圖5～7中的色條代表意義同圖4。

② 3#試件

在3#試件的焊接工藝中,加熱溫度過低,為180 ℃,焊接后外觀檢查符合CJJ 63—2018。該試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比見圖5。

圖5 3#試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比

從圖5a可以看出,微波檢測圖像下方黃色色條對應(yīng)位置接頭顯示有波動,不平直,有輕微中斷,判斷可能存在未焊透缺陷;綠色色條對應(yīng)位置接頭焊接質(zhì)量較好,判斷合格。

沿接頭圓周方向?qū)?yīng)位置取樣進行拉伸試驗,試樣編號為Ⅰ～Ⅵ,均為韌性斷裂形貌。由此可知,微波檢測靈敏度較高,存在一定誤判率。

③ 5#試件

在5#試件的焊接工藝中,加熱時間過短,為正常焊接時間的30%,焊接后外觀檢查符合CJJ 63—2018。該試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比見圖6。

圖6 5#試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比

從圖6a可以看出,該試件的接頭寬度與1#試件相比明顯變窄,微波檢測圖像下方紅色色條對應(yīng)位置接頭有中斷,判斷可能存在未熔合缺陷。需要注意的是,編號Ⅰ的位置,有一段較深色帶位于接頭上方,可能是表面缺陷,后經(jīng)確認,該位置確實存在表面缺陷。綠色色條對應(yīng)位置接頭偏窄,但清晰、平直、無中斷,符合焊接良好的圖像特征,判斷為合格。黃色色條對應(yīng)位置接頭顯示不清晰,判斷存在未焊透缺陷。

沿接頭圓周方向在對應(yīng)位置取樣進行拉伸試驗,試樣編號為Ⅰ～Ⅵ,Ⅰ試樣呈現(xiàn)脆性斷裂,Ⅱ～Ⅴ試樣呈現(xiàn)韌性斷裂,Ⅵ試樣主要呈現(xiàn)韌性斷裂,但是局部存在脆性斷裂。微波檢測結(jié)果與拉伸試驗結(jié)果對應(yīng)較好,同時,也可看出微波檢測技術(shù)能檢測出管材表面缺陷。

④ 14#試件

14#試件模擬熔合面夾雜土的情況,微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比見圖7。

圖7 14#試件微波檢測圖像與拉伸斷裂形貌對比

從圖7a可以看出,微波檢測圖像下方黃色色條對應(yīng)位置的接頭有輕微中斷,判斷存在未焊透缺陷;綠色色條對應(yīng)位置的接頭焊接完好,判斷合格。

對應(yīng)位置的拉伸試驗結(jié)果顯示,Ⅰ～Ⅵ試樣均為韌性斷裂形貌,但Ⅱ、Ⅵ試樣的拉伸斷裂形貌并不是典型的韌性斷裂,放大圖見圖8。

圖8 Ⅱ、Ⅵ試樣拉伸斷裂形貌放大圖

Ⅱ試樣位置的微波檢測圖像顯示缺陷,但拉伸后斷口為韌性,可以看到內(nèi)卷邊內(nèi)有大量沙子,可能是灑在熔合面的沙子,在焊接過程中被擠入了內(nèi)卷邊。因此盡管斷口呈韌性,但是內(nèi)卷邊內(nèi)的沙子在微波檢測圖像中顯示缺陷。Ⅵ試樣位置的微波檢測圖像顯示缺陷,拉伸發(fā)現(xiàn)該斷口呈現(xiàn)韌性與脆性混合。這些進一步表明了微波檢測的靈敏性。

4 施工現(xiàn)場驗證

為驗證微波檢測技術(shù)在施工現(xiàn)場的適用性,在施工現(xiàn)場對新施工聚乙烯管道熱熔接頭進行了檢測,檢測的聚乙烯管道公稱外徑分別為315、200、110 mm,是比較有代表性的3種規(guī)格。

微波檢測對環(huán)境沒有特殊要求,與正常焊接環(huán)境要求一致。檢測前需要切除熱熔接頭外卷邊,管道周圍需要寬50 cm的檢測空間。掃查方式為全自動掃查,公稱外徑315、200、110 mm的聚乙烯管道熱熔接頭掃查用時分別為15、8、6 min,可實時成像,檢測結(jié)果直觀。微波檢測設(shè)備使用220 V交流電。

檢測發(fā)現(xiàn)12個熱熔接頭微波檢測圖像存在缺陷,但外觀檢查均合格。存在缺陷的熱熔接頭屬于同一工程、同時期由同一批工人使用同一臺全自動焊機進行焊接。由此可見,外觀檢查存在一定局限性,無法看到接頭內(nèi)部的實際焊接情況,無損檢測可以彌補外觀檢查的不足,同時也說明全自動焊機的焊接一致性較好。

經(jīng)過驗證可知,微波檢測技術(shù)具備現(xiàn)場應(yīng)用的可行性,但是缺陷判定指標仍需通過大量實踐確定。

5 結(jié)論

① 聚乙烯熱熔接頭試件的微波檢測結(jié)果與拉伸試驗結(jié)果一致性較高,驗證了微波檢測技術(shù)對熱熔接頭內(nèi)部缺陷的檢測準確性。

② 盡管采用正常工藝焊接熱熔接頭,但是微波檢測結(jié)果顯示存在局部缺陷,缺陷位置的拉伸試驗斷口呈現(xiàn)脆性斷裂,說明正常工藝焊接過程中也存在不確定因素,會導致接頭局部缺陷。

③ 合格的熱熔接頭微波檢測圖像顯示為寬度及色彩均勻的條帶。采用熔合面夾雜的焊接工藝,其微波檢測圖像表現(xiàn)為接頭波動與局部缺陷,缺陷部位的拉伸試驗結(jié)果為脆性斷裂或脆性、韌性混合斷裂。

④ 微波檢測技術(shù)具備施工現(xiàn)場應(yīng)用的可行性,但是缺陷判定指標仍需通過大量實踐確定。