郭 濤 石 潔 蔡 勤 朱國(guó)苗 王 軍 趙星波 韓佩城 劉英和

（1. 紹興市特種設(shè)備檢測(cè)院，浙江 紹興 312071；2. 紹興市特種設(shè)備智能檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興 312071；3. 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院，廣東 珠海 519002；4. 北京欣盟電子技術(shù)有限公司，北京 100041；5. 北京科安特?zé)o損檢測(cè)公司，北京 100041）

0 引言

聚乙烯管（Polyethylene，簡(jiǎn)稱PE）屬于高分子聚合物，以乙烯為主要原料經(jīng)聚合反應(yīng)制得的一種熱塑性樹(shù)脂，具有耐腐蝕、抗震好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在天然氣、核電廠安全三級(jí)與非安全級(jí)的用水系統(tǒng)等管道系統(tǒng)[1,2]。PE連接方式以熱熔連接和電熔連接為主，CJJ 33-2005《城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔こ淌┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范》，DN>90的管道一般采用熱熔連接。熱熔連接是利用熱塑性塑料隨溫度變化而呈現(xiàn)不同的物態(tài)變化，在外力和適當(dāng)溫度范圍，將PE管兩端面加熱到粘流態(tài)（熔融溫度）后停止加熱，移去加熱裝置在一定壓力作用下兩側(cè)管端粘流態(tài)斷面充分接觸，聚合物分子之間發(fā)生遷移、擴(kuò)散、扭結(jié)或纏繞后形成熔接接頭[3]。具體制作過(guò)程如圖1所示。

圖1 PE管工藝制作過(guò)程

1 熱熔接頭缺陷種類

由于PE管熱熔接頭連接模式和金屬焊接方式有本質(zhì)的區(qū)別，其失效模式與金屬焊接方式不同，金屬焊縫中常見(jiàn)的氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等缺陷，在PE管熔接接頭中缺陷不可能有完全相同的存在。董守江[4]認(rèn)為PE管對(duì)接接頭中存在的“虛焊”、“假焊”缺陷，秦永泉[5]將熱熔接頭缺陷分為裂紋、孔洞、熔合面夾雜和工藝缺陷四類，工藝缺陷分為四種：冷焊、過(guò)焊、焊縫過(guò)短、不對(duì)中。DB31/T 1162-2019《燃?xì)饩垡蚁┕艿蓝ㄆ跈z驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》認(rèn)為熱熔接頭存在外觀不良、裂紋、夾雜、冷焊、過(guò)焊等缺陷。閔文[6]根據(jù)缺陷的形貌和成因，將熱熔焊接接頭缺陷分為宏觀缺陷和工藝缺陷兩大類，宏觀缺陷細(xì)化成不對(duì)中、裂紋、孔洞、熔合面夾雜和熔合面熔合不良5類，工藝缺陷分為冷焊、過(guò)焊和焊縫過(guò)短3類。GB/T 33488.3-2017《化工用塑料焊接制承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法》和JB/T 12530.3-2015《塑料焊縫無(wú)損檢測(cè)方法》熱熔接頭存在裂紋、未熔合、未焊透、條形缺陷和圓形缺陷五類。T/CASEI 006-2022《在役聚乙烯燃?xì)夤艿罊z驗(yàn)與評(píng)價(jià)》將焊接缺陷分為熔合面夾雜、孔洞、結(jié)構(gòu)畸變、冷焊、過(guò)焊、承插不到位、焊縫過(guò)短。認(rèn)為焊接接頭受熱不足造成冷焊。焊接接頭受熱過(guò)大容易造成過(guò)焊。何慧娟[7]將熱熔接頭分為工藝缺陷、不對(duì)中、其他缺陷三類。DB34/T 3193-2018《燃?xì)庥肞E管道對(duì)接焊縫X射線檢測(cè)與評(píng)定》中缺陷按性質(zhì)和形狀分為裂紋、未熔合、條形缺陷、圓形缺陷四類。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究機(jī)構(gòu)認(rèn)定的失效模式不盡相同，但是都認(rèn)為冷焊是熱熔接頭最危險(xiǎn)的缺陷，因此本文重點(diǎn)圍繞熱熔接頭冷焊缺陷檢測(cè)進(jìn)行研究。

2 冷焊缺陷檢測(cè)方法

2.1 接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

PE熱熔接頭現(xiàn)場(chǎng)制作完成后，應(yīng)對(duì)接頭質(zhì)量檢測(cè)合格之后方可進(jìn)入下一道工序。檢測(cè)方法分為破壞性和非破壞性檢測(cè)，具體檢測(cè)分類如表1所示。比如CJJ 63-2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》熱熔對(duì)接連接接頭的質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)定：（1）熱熔對(duì)接連接完成后，應(yīng)對(duì)接頭進(jìn)行100%卷邊對(duì)稱性和接頭對(duì)正性檢驗(yàn)，并應(yīng)對(duì)開(kāi)挖敷設(shè)不少于15%的接頭進(jìn)行卷邊切除檢驗(yàn)，水平定向鉆非開(kāi)挖施工應(yīng)進(jìn)行100%接頭卷邊切除檢驗(yàn)，當(dāng)抽樣檢驗(yàn)的全部接口合格時(shí)，應(yīng)判定該批接口全部合格。當(dāng)抽樣檢驗(yàn)的接口出現(xiàn)不合格的情況時(shí)，應(yīng)判定接口不合格，并按一定規(guī)則加倍抽樣檢驗(yàn)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于PE接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

2.2 熱熔接頭無(wú)損檢測(cè)研究進(jìn)展

蔡勤[8-10]介紹了熱熔接頭常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)方法，如超聲檢測(cè)、X射線技術(shù)、紅外成像、微波檢測(cè)，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)制作了正常熱熔接頭和冷焊缺陷熱熔接頭,通過(guò)專門的X射線機(jī)進(jìn)行射線檢測(cè)能直觀而且有效發(fā)現(xiàn)熱熔接頭的冷焊缺陷；施建峰[11]重點(diǎn)介紹超聲相控陣和微波技術(shù)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，以及存在的不足。李滄等[12,13]提出一種非金屬壓力管道的檢驗(yàn)方法，得出DR檢測(cè)能夠作為一種可靠檢驗(yàn)手段對(duì)聚乙烯焊接接頭進(jìn)行內(nèi)部缺陷探傷。王壽超[14]分別采用工業(yè)CT檢測(cè)、X射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)以及超聲波檢測(cè)3種檢測(cè)方法對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿篮缚p進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)3種檢測(cè)方法的效果進(jìn)行比較。何慧娟[7]參考金屬管道X射線數(shù)字成像檢測(cè)參數(shù)的確定方法，研究X射線數(shù)字成像檢測(cè)方法應(yīng)用于聚乙烯管熱熔焊接接頭的缺陷檢測(cè)。針對(duì)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(cè)效果最佳的X射線數(shù)字成像檢測(cè)參數(shù)。伍樹(shù)坤[15]對(duì)比了常規(guī)超聲波檢測(cè)和X射線檢測(cè)相同聚乙烯熱熔接頭缺陷的檢測(cè)結(jié)果，得出X射線檢測(cè)時(shí)采用較低的曝光能量?jī)煞N檢測(cè)方法都可以檢測(cè)出缺陷，缺陷的位置、大小基本吻合。韓光明[16]等認(rèn)為聚乙烯管道熱熔熔接接頭中嚴(yán)重的危害性缺陷是“未充分熔合”，這種缺陷具有“透聲”的聲學(xué)性能。對(duì)利用A型超聲波、TOFD、超聲相控陣等檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析。

2.3 存在的問(wèn)題

（1）冷焊缺陷的接頭外翻邊檢測(cè)是合格的，所以外觀檢測(cè)一般是很難發(fā)現(xiàn)，需要采用無(wú)損檢測(cè)手段實(shí)現(xiàn)，所以真正檢測(cè)冷焊缺陷前，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)翻邊量不合格的接頭就已經(jīng)被排除；

（2）現(xiàn)有的熱熔接頭用射線檢測(cè)方法，事先預(yù)制一定種類的缺陷，一般都是夾雜、孔洞之類的，但是真正檢測(cè)冷焊缺陷的并不多；

（3）按照GB/T 33488.3-2017《化工用塑料焊接制承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法第3部分》：射線檢測(cè)和JB/T 12530.3-2015《塑料焊縫無(wú)損檢測(cè)方法第3部分 射線檢測(cè)規(guī)定》，宜選用管電壓30kV或以下的X射線探傷機(jī)，其基本性能應(yīng)符合GB/T 26387的規(guī)定?，F(xiàn)有的射線機(jī)通過(guò)在機(jī)頭上添加不同材質(zhì)和厚度的金屬板材，如銅、鉛等，表面上看，穿透后的射線電壓值降低了，但同時(shí)改變了射線的波長(zhǎng)，使其不具備穿透PE管大分子結(jié)構(gòu)的能力，不能有效區(qū)分缺陷；

（4）現(xiàn)階段冷焊檢測(cè)手段還比較少，研究的重點(diǎn)還是圍繞如何檢出，缺乏不同方法的相互驗(yàn)證，使其更具備說(shuō)服力。

3 試樣檢測(cè)及工藝

3.1 檢測(cè)儀器

在多個(gè)單位的共同努力下，研制一種PE專用射線機(jī)，如圖2所示，射線機(jī)能量范圍：至少覆蓋8～30kV，焦點(diǎn)尺寸：≤0.5mm，電流范圍：最大電流不低于20mA，輻射方式：定向輻射，靶材：Mo（鉬），固有過(guò)濾精度/mm（Be）：0.3mm，頻率：不低于50KHz。

圖2 PE專用射線機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2 試樣參數(shù)

依據(jù)TSG D2002-2006《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》制作熱熔接頭，主要考慮加熱板溫度和吸熱時(shí)間，以規(guī)定的焊接能量的60%制作全周向熱熔焊縫，如圖3所示，規(guī)格為Φ355×21.1mm，檢測(cè)前已清除外卷邊。

圖3 PE熱熔接頭冷焊試樣

3.3 檢測(cè)工藝

3.3.1 電壓的選擇

GB/T 33488.3-2017《化工用塑料焊接制承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法 第3部分：射線檢測(cè)規(guī)定》，宜選用管電壓30kV或以下的X射線探傷，基于射線檢測(cè)原理，提高管電壓，射線強(qiáng)度增加，但管電壓提高的同時(shí)，也會(huì)降低射線的衰減系數(shù)，降低對(duì)比度。鋼密度7.8g/cm3，PE材料密度（0.92～0.96）g/cm3。隨著管電壓的升高，X射線的平均波長(zhǎng)變短，不利于穿透低密度材料[17]。高電壓使PE材料不能對(duì)X射線有效吸收，X射線穿透材料到達(dá)接收射線的膠片或數(shù)字成像器件，過(guò)量的X射線將使膠片或數(shù)字成像器件無(wú)法顯現(xiàn)材料內(nèi)部真實(shí)影像，所以PE管材熱熔接頭檢測(cè)的管電壓小于30kV，考慮到電壓波動(dòng)會(huì)引起X射線波長(zhǎng)的變化，建議選用高頻恒壓X射線機(jī)。

3.3.2 電流的選擇

PE熱熔接頭中冷焊缺陷X射線影像顯白色顆粒狀分布、形狀類似于金屬焊縫中的鏈狀氣孔，且未充分熔合區(qū)密度約1.26g/cm3，與母材密度（0.92～0.96）g/cm3相差太小，對(duì)低密度材料只有采用大毫安電流、低電壓時(shí)，才能更好的表現(xiàn)出材料的密度分布、細(xì)微缺陷等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)該選用大毫安電流X射線機(jī)。

3.3.3 焦點(diǎn)的選擇

圖4 中AB為焦點(diǎn)尺寸，射線接收器件為膠片或數(shù)字成像器件。假設(shè)前焦距L1為600mm，焦點(diǎn)尺寸越大缺陷F在膠片或數(shù)字成像器件上投影越大，缺陷影像越不清晰。反之焦點(diǎn)尺寸越小缺陷F在膠片或數(shù)字成像器件上投影越小，缺陷影像越清晰。因此，PE管熱熔接頭X射線檢測(cè)選用的焦點(diǎn)尺寸為（0.2×0.2）mm。

圖4 X射線透照示意圖

3.3.4 透照方式的選擇

（1）據(jù)咨詢部分射線機(jī)生產(chǎn)廠家和向部分機(jī)構(gòu)市場(chǎng)調(diào)研，目前還沒(méi)有低電壓（小于30KV）、大電流(30mA)、小焦點(diǎn)（0.2×0.2mm）周向X射線管，因此PE管熱熔環(huán)形接頭不能采用圖5（a）的內(nèi)透方式；

圖5 X射線成像技術(shù)透照布置圖

（2）鑒于PE管熱熔環(huán)形接頭形式、熔合區(qū)寬度及翻邊形狀的特殊性，如采用圖5（b）方法透照內(nèi)翻邊影像將與熔合區(qū)缺陷影像重合，影響缺陷分辨；

（3）鑒于PE管熱熔環(huán)形接頭形式、熔合區(qū)寬度及翻邊形狀的特殊性，只能采用圖5（c）方法透照，并且最好清除外翻邊。

3.3.5 其他需要注意的問(wèn)題

在選擇暗袋時(shí)，應(yīng)采用PE專用暗袋，一般是PE材料制造，否則會(huì)在底片上顯現(xiàn)出粗大的顆粒，影響缺陷判斷；膠片宜采用GB/T 19348.規(guī)定的T2或性能更好的T1膠片，以細(xì)顆粒型膠片為佳；在增感屏的選擇上，由于射線機(jī)電壓較低，如果在前屏放金屬增感屏，射線無(wú)法穿透前屏，進(jìn)而感光到膠片上，所以只能使用后增感屏；關(guān)于像質(zhì)計(jì)的選用，最好與受檢接頭母材相同的材料或具有相似吸收系數(shù)容差為±10%的材料制造，將不同絲徑的絲線直接放置在被檢工件表面，建議不要用塑料材質(zhì)封裝，會(huì)增加透照厚度。影響絲號(hào)的識(shí)別。

4 射線檢測(cè)結(jié)果分析

按照設(shè)定的檢測(cè)工藝，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)試樣進(jìn)行射線檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，熔合線上有白色顆粒狀物質(zhì)出現(xiàn)（圖6中矩形框處），從圖像上看白色顆粒密度大于母材密度，符合冷焊缺陷的特征。由于吸熱時(shí)間不足，致使熔融部分不能充分吸收變形，焊接時(shí)產(chǎn)生了硬碰硬，母材僅表皮一定厚度區(qū)域的分子產(chǎn)生了纏繞，并且在擠壓力的作用下，造成分子團(tuán)被擠壓后體積不能還原，在焊口處形成由密度變化而產(chǎn)生的白色形狀的線條，吸熱越多，其顆粒狀密度越接近母材的密度。顆粒狀物質(zhì)在X射線照射下，它能在影像上顯現(xiàn)出特別亮的、不特別亮的和特別不亮的三種白點(diǎn)圖像。

圖6 射線檢測(cè)圖像

5 微波檢測(cè)驗(yàn)證

微波檢測(cè)是發(fā)射裝置發(fā)射單一頻率微波，使微波在非金屬材料中傳播，材料本體和缺陷處的介電性能不一樣，從而引起微波參量的變化，通過(guò)采集和分析微波的特定參量，實(shí)現(xiàn)非金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷的檢測(cè)結(jié)果成像[18]。微波檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，由圖中可看出，焊縫寬度約4mm，和試樣一致，圖中有1#（長(zhǎng)約8inch）和2#（長(zhǎng)約10inch）兩處異常點(diǎn)，沒(méi)有藍(lán)色區(qū)域的部位，判定為未充分熔合區(qū)域，也就是冷焊缺陷處，這和射線檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的白色顆粒處的位置完全吻合，從微波角度證實(shí)當(dāng)前的射線檢測(cè)設(shè)備和工藝能有效發(fā)現(xiàn)冷焊缺陷。

圖7 微波檢測(cè)成像結(jié)果圖

6 結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)有的一種新型射線機(jī)采用小電壓、大電流、小焦點(diǎn)的情況下，配以適當(dāng)?shù)纳渚€檢測(cè)工藝，可以用膠片照相技術(shù)檢測(cè)出冷焊缺陷；

（2）冷焊特征表現(xiàn)為在熔合線上出現(xiàn)白色的顆粒狀物質(zhì)；

（3）和微波檢測(cè)技術(shù)相比，未充分熔合區(qū)域和膠片中冷焊特征區(qū)域位置基本一致，驗(yàn)證兩種檢測(cè)技術(shù)的有效性。

7 不足

（1）研究機(jī)構(gòu)對(duì)缺陷分類認(rèn)定不統(tǒng)一，有些缺陷在實(shí)際檢測(cè)中根本不可能存在，缺少缺陷檢測(cè)圖譜，而且沒(méi)有缺陷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；

（2）目前冷焊檢測(cè)基本上在實(shí)驗(yàn)室階段，在現(xiàn)場(chǎng)制作和在役管線的檢測(cè)上，工程應(yīng)用尚不成熟。