趙星波 郭 濤 黃 炯 李澤煒

（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）

0 引言

燃?xì)庥镁垡蚁┕艿酪蚰透g，在市政公用事業(yè)中大量應(yīng)用。聚乙烯（polyethylene，PE）管道在中低壓管網(wǎng)建設(shè)的使用比例超過65%，一旦發(fā)生事故，社會(huì)影響面大，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，如吉林松原“7.4”燃?xì)夤艿辣ㄊ鹿省⒏＝ㄩL(zhǎng)樂“1.16”燃?xì)夤艿佬孤┍ㄊ鹿实?。如何有效檢出熱熔接頭的典型缺陷，保障聚乙烯管的熔接質(zhì)量，一直是行業(yè)的熱點(diǎn)難題[1]。聚乙烯熱熔接頭的檢測(cè)方法主要有射線檢測(cè)、紅外檢測(cè)、微波檢測(cè)、超聲波相控陣檢測(cè)等[2,3]，超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)因高分辨力和靈敏度，應(yīng)用較為廣泛[4-6]。但是聚乙烯材質(zhì)具有聲衰減和聲頻散特性，信號(hào)畸變嚴(yán)重，檢測(cè)信噪比低[7-10]，加上人工制作缺陷與檢測(cè)實(shí)際有較大差距，仍然需要繼續(xù)改進(jìn)研究。

1 國(guó)家及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

我國(guó)通過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和各類團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步規(guī)范熱熔接頭的超聲相控陣檢測(cè)要求，如GB/T 38942-2020《壓力管道規(guī)范 公用管道》標(biāo)準(zhǔn)7.2.3.3.3塑料管道無損檢測(cè)應(yīng)符合下列規(guī)定：（b）除設(shè)計(jì)文件另有規(guī)定外，現(xiàn)場(chǎng)電熔焊接和熱熔焊接的管道及管路附件焊接處宜進(jìn)行100%相控陣超聲波檢測(cè)，當(dāng)進(jìn)行焊接前工藝評(píng)定或焊口檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)，參照TSGD2002規(guī)定的破壞性檢驗(yàn)與試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；（c）城鎮(zhèn)燃?xì)夂凸嶂惺褂玫木垡蚁┧芰瞎艿乐校Q尺寸為DN40～D400的電熔焊接接頭和公稱尺寸為DN75～DN400的熱熔對(duì)接焊接接頭可進(jìn)行相控陣超聲波檢測(cè)。其他規(guī)格聚乙烯管道和其他類型塑料管道焊接接頭的相控陣超聲無損檢測(cè)技術(shù)可參照實(shí)施。

T/CASEI 006-2022《在役聚乙烯管道檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)》8.4.3中指出，對(duì)開挖處的焊接接頭進(jìn)行外觀檢查，必要時(shí)進(jìn)行無損檢測(cè)，電熔接頭超聲檢測(cè)按照NB/T 47013.15附錄A進(jìn)行，熱熔接頭的超聲相控陣檢測(cè)參照本文件附錄E《聚乙烯燃?xì)夤艿罒崛劢宇^相控陣超聲檢測(cè)方法》和附錄G《熱熔接頭相控陣檢測(cè)特征圖譜》進(jìn)行。

2 現(xiàn)有檢測(cè)體系存在的問題

2.1 關(guān)于熱熔接頭的缺陷種類劃分不夠統(tǒng)一

金屬焊接的過程是先將母材進(jìn)行坡口加工，施焊前將被焊工件組對(duì)并留有間隙，通過電弧加熱等方式，坡口區(qū)域及填充材料快速加熱熔化并快速結(jié)晶凝固，本質(zhì)上是金屬被加熱、熔化、冷卻的過程，即固態(tài)→液態(tài)→固態(tài)。金屬焊接接頭中存在的缺陷按性質(zhì)分為裂紋、未熔合、未焊透、條形缺陷和圓形缺陷五類。聚乙烯管是高分子聚合物，熱熔熔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，即由固態(tài)→粘流態(tài)→固態(tài)，兩種工藝過程不盡相同，進(jìn)而兩者工藝過程產(chǎn)生的缺陷種類也不同[11]。

（1）金屬焊縫中有熱裂紋和冷裂紋，而PE管材料是高分子聚合物，具有很強(qiáng)的塑性和彈性，不具備產(chǎn)生裂紋的條件；

（2）金屬焊縫中未焊透是產(chǎn)生于鈍邊間隙中，PE管熱熔接頭不存在鈍邊和鈍邊間隙，因此不可能產(chǎn)生像金屬焊縫中的未焊透；

（3）金屬焊縫中的夾渣（即標(biāo)準(zhǔn)中的條形缺陷和圓形缺陷）是在焊接過程中，殘留在焊縫中的焊藥皮或焊劑形成的。PE管熔接過程中管端清理不干凈，或者在施工時(shí)移除加熱板的過程中有異物進(jìn)入，確實(shí)會(huì)形成缺陷痕跡特征，稱之為夾雜更科學(xué)；

（4）金屬焊縫中有氣孔缺陷（即標(biāo)準(zhǔn)中條形缺陷和圓形缺陷的一種），而且經(jīng)常以鏈狀、密集或單個(gè)狀態(tài)存在。PE管熱熔接頭是在一定壓力作用下成型的，即使有氣孔缺陷，也會(huì)在外力作用下被擠破，或者被擠出到翻邊位置。而內(nèi)外翻邊基本上和管材僅僅是貼合在一起，對(duì)熔接接頭強(qiáng)度沒有實(shí)質(zhì)性的影響；

（5）金屬焊縫中有未熔合缺陷，是焊材熔化后未與母材坡口面充分熔合在一起形成的(PE接頭沒有坡口)。PE管熱熔接頭中可能有類似缺陷，即在加熱完成后，管材處于熔融態(tài)，在熔接的過程中因?yàn)楣に噮?shù)執(zhí)行不到位，造成管材的分子鏈沒有充分纏繞，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度下降。業(yè)內(nèi)定義為未充分熔合缺陷。金屬和PE管的缺陷種類劃分有一定的不同，歸納情況如表1所示。本文主要針對(duì)未熔合缺陷和夾雜缺陷進(jìn)行模擬試樣檢測(cè)。

表1 金屬和PE缺陷種類對(duì)比

2.2 標(biāo)準(zhǔn)試塊的制作與實(shí)際檢測(cè)情況不符

對(duì)不存在未熔合缺陷（1#試樣），如圖1與存在嚴(yán)重程度不同的未充分熔合缺陷（2#試樣）熱熔接頭和母材進(jìn)行透聲性能試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如圖2所示，透聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 1#試樣和2#試樣示意圖

圖2 PE接頭透聲試驗(yàn)示意圖

表2 透聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）有、無未充分熔合缺陷熱熔接頭聲衰減平均74dB與母材聲衰減65dB不同。而且熱熔接頭相對(duì)于母材聲衰減量更多，這是由于熱熔接頭在外部擠壓力作用下形成熔合區(qū)，擠壓力加大了熔合區(qū)的密度致使聲衰減量降低；

（2）有、無未充分熔合缺陷熱熔接頭的聲衰減沒有明顯差別（73.3～74.9dB）；

（3）PE熔接接頭中的未熔合缺陷是嚴(yán)重透聲的。

NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3部分：超聲檢測(cè)》指出，標(biāo)準(zhǔn)試塊是指與被檢件材料化學(xué)成分相似，聲學(xué)性能相同或相近，含有意義明確參考反射體的試塊，用以調(diào)節(jié)超聲檢測(cè)設(shè)備的靈敏度和聲程，以將所檢出的缺陷信號(hào)與已知反射體所產(chǎn)生的信號(hào)相比較，即用于檢測(cè)校準(zhǔn)的試塊。一般采用不同形狀的參考反射體，常用參考反射體有長(zhǎng)橫孔、短橫孔、橫通孔、平底孔、V 型槽、矩形槽和線切割槽。以GB/T 33488.4-2017《化工用塑料焊接制承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法 第4部分：超聲檢測(cè)》，如圖3垂直入射縱波檢測(cè)試塊和圖4斜入射縱波檢測(cè)試塊均采用橫通孔，T/CASEI 006-2022《在役聚乙烯管道檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)》中對(duì)比試塊，如圖5所示，采用平底孔，上述對(duì)比試塊上的橫通孔、平底孔等規(guī)則反射體全部是“不透聲”的，而PE熔接接頭中的未熔合缺陷是嚴(yán)重透聲的，即聲學(xué)性能完全不同，不符合超聲波的基本理論。因此在開展實(shí)際檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇透聲的試樣作為標(biāo)準(zhǔn)試樣。

圖3 垂直入射縱波檢測(cè)試塊

圖4 斜入射縱波檢測(cè)試塊

圖5 T/CASEI 006-2022校準(zhǔn)試塊圖紙

3 解決方案

3.1 相控陣檢測(cè)原理

利用微型探頭陣列產(chǎn)生超聲波束，建立聚焦法則使電子裝置控制每個(gè)陣列單元的發(fā)射和接收時(shí)間，從而產(chǎn)生出多個(gè)超聲波束，通過控制陣列的激發(fā)和接收時(shí)間，控制波束角度、聚焦深度、聚焦尺寸等，實(shí)現(xiàn)工件的快速掃描成像[12]。通過設(shè)置聲束的折射角度、激勵(lì)晶片數(shù)量、晶片間距、楔塊情況、聚焦深度等，儀器計(jì)算出合理的延時(shí)規(guī)律來滿足相應(yīng)檢測(cè)。

3.2 PE管聲衰減系數(shù)的測(cè)定

一般碳鋼聲衰減系數(shù)為0.01～0.03dB/mm, 相比PE管的超聲波傳播能量衰減更為嚴(yán)重，相比于縱波，橫波波長(zhǎng)較短，穿透能量差，因此通常采用縱波對(duì)PE管進(jìn)行檢測(cè)。選取自然缺陷試樣PE-1（圖6）和試樣PE-2（圖7）將直探頭放在PE管上，使聲波在上下表面來回反射，在示波屏上出現(xiàn)多次底波，由于厚度小，聲束尚未擴(kuò)散，仍處于近場(chǎng)區(qū)，其材質(zhì)衰減系數(shù)按照式（1）進(jìn)行，經(jīng)過測(cè)試計(jì)算，兩個(gè)試樣的聲衰減系數(shù)如表3所示。

圖6 PE-1試樣

圖7 PE-2試樣

圖8 PE-1相控陣檢測(cè)示意圖

表3 PE管熱熔試樣的聲衰減系數(shù)值

式中：m, n為底波的反射次數(shù)；

Bm, Bn為第m，n次底波高度；

δ為反射損失，每次反射損失約為（0.5～1.0）dB；

d為試樣的厚度。

3.3 PE自然缺陷試樣聲速測(cè)定

由于PE管為粘彈性材料，能量衰減大，不同方向上聲速測(cè)量有差異，且聲速測(cè)量值受探頭在試樣上的測(cè)量位置的影響。首先在模擬試樣（PE-1）上測(cè)量試件的厚度，如圖，試樣的聲速校準(zhǔn)結(jié)果見圖9，以此類推，對(duì)PE-2進(jìn)行聲速校準(zhǔn)。

3.4 楔塊設(shè)計(jì)與優(yōu)化

楔塊的材料一般應(yīng)具有低聲速和低聲衰減的特性，曲率與管道表面形狀吻合盡量減少界面聲能損失。由于聚乙烯材料材質(zhì)比較疏松，聲速在2300m/s左右，使用常規(guī)的超聲波相控陣聚苯烯材質(zhì)楔塊聲速與檢測(cè)母材接近聲速在2330m/s，因此很難實(shí)現(xiàn)S掃偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致難以獲得滿意的物理偏轉(zhuǎn)角度、檢測(cè)出現(xiàn)盲區(qū)等相關(guān)問題。PE管道檢測(cè)用斜楔關(guān)鍵在于材料的選擇與聲束方向和擴(kuò)散角的控制。楔塊的入射角度計(jì)算按式（2）計(jì)算[13]。

式中α為楔塊入射角度，（°）；

β1、β2為熱熔接頭檢測(cè)區(qū)域中所需要的折射角度，是掃查角度范圍內(nèi)的起始角度和結(jié)束角度，（°）；

CL1、CL2為楔塊和待檢接頭中的聲速，m/s。

由于聚乙烯中橫波速度很小，衰減也很大，在常規(guī)角度入射時(shí)斜楔塊與聚乙烯界面上轉(zhuǎn)換的橫波聲能很小，可以忽略不計(jì)，因此設(shè)計(jì)采用縱波檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)最佳的檢測(cè)效果，前后做了2種不同材質(zhì)和不同結(jié)構(gòu)的楔塊調(diào)整：

第一種楔塊設(shè)計(jì)采用水囊模式，如圖10所示，采用水作為聲束偏轉(zhuǎn)介質(zhì)，水的聲速為1480m/s，小于聚乙烯的聲速，理論上可以獲得較好的偏轉(zhuǎn)角度。楔塊為中空結(jié)構(gòu)，中間有凹槽兩端粘連著高彈性薄膜，使用時(shí)向楔塊內(nèi)注水，并施加一定壓力壓縮薄膜以起到密封作用, 但水囊過于柔軟，材質(zhì)過薄，在現(xiàn)場(chǎng)使用中穩(wěn)定差，囊體易損，很難滿足現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)。

第二種楔塊設(shè)計(jì)從楔塊材質(zhì)方面加以優(yōu)化，采用低聲速?gòu)椥阅z體材料。通過聲速測(cè)定和靈敏度對(duì)比試驗(yàn)，該材料可以替代水作為聲束偏轉(zhuǎn)介質(zhì)，材質(zhì)比柔性水囊要穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對(duì)更簡(jiǎn)單，耐磨性更強(qiáng)，解決第一種水囊楔塊在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的收到壓力情況下導(dǎo)致被檢工件底波不均勻的狀況，而且現(xiàn)場(chǎng)損壞率較高的問題得到解決。從楔塊機(jī)構(gòu)方面加以優(yōu)化，如圖11所示，第一種水囊楔塊為U型結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的過程中由于該結(jié)構(gòu)的密封性問題不能予以很好的解決，由于漏水的情況導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)楔塊的中心高度一直無法固定，從而實(shí)驗(yàn)無法穩(wěn)定的進(jìn)行，后期通過金屬包邊的方式來進(jìn)行楔塊包裹，解決了第一種楔塊中心高度變化的問題。

圖11 改進(jìn)后的楔塊

4 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

4.1 PE-1試塊檢測(cè)結(jié)果

如圖12所示，中間標(biāo)記的為缺陷顯示信號(hào)，上面的信號(hào)為探頭側(cè)內(nèi)部卷邊信號(hào)反射，下面的信號(hào)反射為內(nèi)卷邊探頭對(duì)側(cè)反射信號(hào)，由于聲速偏轉(zhuǎn)的角度不同，信號(hào)反射有強(qiáng)弱差異，偏轉(zhuǎn)角度與缺陷聲速方向垂直則信號(hào)強(qiáng)，反之則弱。

圖12 PE-1相控陣檢測(cè)圖譜

如圖13所示，可以看出未熔合缺陷信號(hào)顯示，圖譜右側(cè)沒有卷邊信號(hào)顯示，這是由于工件內(nèi)部的卷邊被去除，可見相控陣對(duì)于PE材質(zhì)的結(jié)構(gòu)能夠清晰表征。并且將相控陣檢測(cè)結(jié)果和射線底片（如圖14所示）進(jìn)行對(duì)比，內(nèi)卷邊部位去除位置和相控陣結(jié)果基本一致。

圖13 時(shí)間模式記錄相控陣圖譜

圖14 未充分熔合缺陷射線檢測(cè)底片

4.2 PE-2試塊檢測(cè)結(jié)果

PE-2試件為夾雜缺陷，從相控陣圖譜上（如圖15所示）可以清晰顯示，從射線檢測(cè)反饋的結(jié)果看，有兩處夾雜缺陷（如圖16所示），兩者結(jié)論一致。

圖15 PE-2相控陣檢測(cè)圖譜

圖16 PE-2射線檢測(cè)圖譜

4.3 影響檢測(cè)效果的誤差分析

（1）根據(jù)不同的檢測(cè)厚度選用合理的探頭頻率，一般選用2.5～7.5M頻率范圍，厚壁的使用低頻探頭，薄壁使用高頻探頭，厚壁PE管可以考慮分層掃查；

（2）檢測(cè)面的耦合情況，對(duì)檢測(cè)效果影響較大，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證使用水耦合比使用機(jī)油要好很多，使用注水裝置持續(xù)水耦合可以有效的保證檢測(cè)效果；

（3）掃查裝置設(shè)計(jì)合理性對(duì)檢測(cè)結(jié)果現(xiàn)象較大，一般適應(yīng)鏈?zhǔn)綄?dǎo)軌，能夠有效保證探頭前沿與焊縫中心距離，保證圖譜的完整性和一致性；

（4）相控陣楔塊偏轉(zhuǎn)角度的合理設(shè)計(jì)，以及楔塊材質(zhì)的選擇對(duì)于檢測(cè)結(jié)果有直接影響，在有效的聲速范圍內(nèi)盡可能擴(kuò)大角度偏轉(zhuǎn)范圍滿足覆蓋，楔塊材質(zhì)需選用低聲速，透聲性好的材質(zhì)，這兩個(gè)因素對(duì)于圖譜成像效果影響較大。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）PE管制作與金屬工藝過程不同，缺陷種類也不同，PE熱熔接頭缺陷以未熔合和夾雜為主；

（2）慎重選擇PE超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試塊，標(biāo)準(zhǔn)試塊應(yīng)盡可能選擇自然缺陷，具備透聲性質(zhì)的材質(zhì)屬性；

（3）超聲相控陣檢測(cè)方法對(duì)PE熱熔接頭缺陷檢測(cè)是有效的。但是應(yīng)綜合考慮各種誤差因素，制定特殊的檢測(cè)工藝。