相控阵超声检测技术在城镇燃气PE管道管理中的应用

2020-05-12上海燃气崇明有限公司朱翔宇

上海煤气 2020年2期

上海燃气崇明有限公司朱翔宇

相控阵超声检测技术是根据设定的延迟法则激发相控阵阵列探头各独立压电晶片（阵元），合成声束并实现声束的移动、偏转和聚焦等功能，再按一定的延迟法则接受超声信号并以图像方式显示被检对象内部状态的超声检测技术。城镇燃气聚乙烯PE 管道管理主要包括城镇燃气企业对PE管道的材料管理、施工管理以及运行管理，在日常作业过程中通过检查、维修以确保PE管道的安全正常使用。由于PE材料的特殊性，对其管理的方式与钢质管道的管理方式存在差异，如何更好地对PE管道进行施工管理和运行管理是亟待解决的问题。将相控阵超声检测技术应用到PE管道管理过程中可以解决PE 管道管理过程中电熔套筒和热熔焊缝的质量问题，确保城镇燃气PE管道的施工安全和运行安全。

1 城镇燃气PE管道管理现状

近年来，随着城镇燃气事业的不断发展，一系列新材料也被应用到燃气管道的制造中，其中PE管道凭借其良好的柔韧性和耐腐蚀性受到越来越多城镇燃气公司的青睐。但在现有PE管道的管理过程中，各家城镇燃气公司往往侧重于对PE管道管体的管理，缺少针对PE 管道附件（包括PE套筒、PE 等径或变径三通、PE变径、PE 弯头和PE端帽等）的管理。PE管道附件在与管道管材连接过程中，接头会因为其他因素的影响而产生一系列安全隐患，如接头中的空洞、熔接面夹杂、冷焊、过焊、电阻丝错位等，这类问题使用常规方法较难发现，继而给PE 管道的管理带来了挑战。

2 相控阵超声检测技术的应用

相控阵超声检测技术是一种新型的超声检测方法，该技术具有检测分辨率高、灵敏度好、检测速度快等特点，已应用于高端工业领域内的无损检测和风险评价。针对PE材料的特殊性，相控阵超声检测技术可以较为客观的反应出PE管道管材间的连接质量以及PE 管道管材与管件的连接质量。PE 电熔对接管件相控阵超声检测图像见图1，图中电阻丝排列规整，没有明显错位现象，底波信号完整，特征线与电阻丝之间的距离为3.29 mm（正常焊接特征线与电阻丝之间的距离为3.29 mm 左右）。

图1 PE电熔对接管件正常相控阵超声检测图像

2.1 相控阵超声检测技术在PE 管道施工管理中的应用

在PE 管道建设过程中，为保证燃气管道的连续性，必须对PE管道管材进行连接延长。考虑到城镇燃气企业经营成本，多采用热熔焊接对管道进行连接延长。对热熔对接连接接头质量的检验方式有卷边对称性检验、接头对正性检验和卷边切除检验，但对热熔对接接头焊缝的检验较少，而相控阵超声检测技术则可以较好地检测出焊缝的质量问题，可以较为直观地判断出焊缝中存在的缺陷。

在对在建燃气管道的施工管理过程中，对PE管材焊接进行例行检查与飞行检查相结合的管理方法，除常规检验方法外，利用相控阵超声检测技术对PE管材的热熔焊缝进行超声检测，在检测过程中，发现了一些较为典型的缺陷案例。

2.1.1 热熔孔洞

由于施工人员在施工现场未对管材进行妥善保管，导致管材潮湿；在进行管材焊接前未对管材端面进行清洁，导致端面污染物在焊接过程中发生气化；两者都会影响焊接质量，发生孔洞现象。通过相控阵超声检测技术对管道焊缝进行检测后可较为客观的发现缺陷。采用线扫描从端面检测的图像，熔合面出现孔洞信号，图2 中圈注位置为管材接触面有液体产生的气泡孔洞。采用扇扫描从焊缝位置检测的图像，图3中圈注位置为孔洞信号。

图2热熔孔洞缺陷相控阵超声检测线扫图像

图3热熔孔洞缺陷相控阵超声检测扇扫图像

2.1.2 热熔熔合面夹杂

由于施工现场的作业工具较多，大多施工现场为露天作业，部分灰尘颗粒或者金属碎片可能会在施工人员作业时掉入管道焊接作业面或者管道焊接件中，这会导致PE 管道管材熔合面发生夹杂，这类现象从焊缝外观检验中较难发现，通过相控阵超声检测技术对管道焊缝进行检测后可较为客观的发现缺陷。采用线扫描从端面检测的图像，熔合面出现孔洞信号，图4中圈注位置为非金属夹杂产生的孔洞。采用扇扫描从焊缝位置检测的图像，图5中圈注位置为非金属夹杂信号。

图4热熔熔合面缺陷夹杂相控阵检测线扫图像

图5热熔熔合面夹杂相控阵检测扇扫图像

2.1.3 热熔未熔合

由于施工人员的操作不到位或者PE 管道热熔焊机的机器故障等问题，往往会导致PE 管道连接面未熔合，这类缺陷会使管道在日后运营过程中存在重大安全隐患，管道内燃气压力升高导致焊缝破损可造成燃气泄漏事故，所以此类缺陷极为严重，检测时典型的未熔合必须检出。通过相控阵超声检测技术对管道焊缝进行检测后可较为客观的发现缺陷。图6为采用线扫描从端面检测的图像，熔合面的信号明显增强。图7为采用扇扫描从焊缝位置检测的图像，除探头本身的干扰信号之外，焊缝位置出现贯穿性信号。

图6热熔未熔合缺陷相控阵检测线扫图像

图7热熔未熔合缺陷相控阵检测扇扫图像

2.2 相控阵超声检测技术在PE管道运行管理中的应用

在PE 管道运行过程中，为保证燃气管道的安全性，必须对PE管道进行日常巡检、年度检测以及定期检测。在发现管道存在安全隐患或者管道发生事故后，也必须第一时间对事故管道进行维修和更换。但城镇燃气企业在一次又一次的检测和维修后，往往对所发现的隐患问题缺少调查和经验总结，降低了企业日常运行管理水平。

绝大多数的PE 管道是埋在地下的，在管道运行管理中，由于地下环境复杂加上管道燃气压力、温度、湿度等一系列因素的变化，使得PE管道的连接情况也变得较难预测，管道管材间的连接情况、管道管材与管件间的连接情况、焊缝是否良好等情况也都难以观测。在此情况下，特地在对公用管道进行定期开挖检测的同时，对PE管道进行了相控阵超声检测的试点应用，着重对PE 电熔管件进行检测，发现了一些较为典型的缺陷案例。2.2.1电熔冷焊

焊接过程中输入热量不足就会造成冷焊，在施工过程中最为常见。但是大多数电熔冷焊接头从外观上无法分辨，进行管道试运行前的试压试验时也不会立即破坏，服役一定时间后接头会突然失效破坏，所以这类缺陷给管道运行维护带来了巨大的压力和挑战。针对这一缺陷，利用相控阵超声检测技术可以较为客观的检测出这一问题，提前做出应对措施。图8 为电熔冷焊相控阵检测图，图中电阻丝排列规整，没有明显错位现象，底波信号完整，特征线与电阻丝之间的距离为1.30 mm(正常焊接特征线与电阻丝之间的距离为3.29 mm 左右)，冷焊程度H'=60.5%。

图8电熔冷焊缺陷相控阵检测图

2.2.2 电熔过焊

施工作业人员在对PE电熔接头进行焊接时，焊接输入功率过高、焊接时间过长或者焊接前接头装配不当时，会发生电熔过焊现象。电熔过焊接头由于达到了一定程度的缠结，短期时间内能够承受载荷，但长期使用其性能不能符合要求，管道运行一段时间后易破坏。针对这一缺陷，利用相控阵超声检测技术可以较为客观的检测出这一问题，提前做出应对措施。图9 为缺陷相控阵检测图，图中电阻丝排列规整，没有明显错位现象，底波信号完整，特征线与电阻丝之间的距离为5.51 mm(正常焊接特征线与电阻丝之间的距离为3.29 mm 左右)，过焊程度H'=67.5%。

图9电熔过焊缺陷相控阵检测图像

2.3 相控阵超声检测技术在PE管道抢修过程中的应用

在城镇燃气企业运行过程中，时常会发生管道抢修任务，但往往由于各方面因素，抢修过程中部分施工人员为尽快完成抢修任务而导致管道维修不到位，容易造成二次隐患，给企业经营带来了压力和难题。为确保工程抢修质量，特在工程抢修中对维修管件的连接情况进行相控阵超声检测，通过分析抢修过程以及缺陷分析，发现了一些较为典型的案例。

2.3.1 电熔金属丝错位

在抢修过程中，由于施工条件、施工环境等多方面因素，施工人员在作业过程中会造成PE管材和管件的安装不当，这会使电熔焊接接头丧失保持原有结构的能力，具体表现为电阻丝错位、管件承插不到位或者不对中，这就造成电熔接头的结构畸变，如图10所示。

图10电熔接头结构畸变示意

电熔承插件内的电阻丝会在焊接过程中随着PE 熔体的带动下产生位移，水平间距发生不规则变化，从而造成电阻丝错位缺陷，形成电熔接头安全隐患。利用相控阵超声检测技术可以较为客观的观测出这一问题，可提前做出应对措施。图11为电熔丝错位缺相控阵检测图，图中金属丝信号出现明显错位，原先均匀排布的金属丝发生了偏移。

图11电熔丝错位缺陷相控阵检测图像

2.3.2 电熔孔洞

在抢修过程中，由于晴雨天气、空气湿度等许多不确定因素以及施工人员在进行电熔焊接前对管材和管件清理不彻底会导致PE 管材表面残留低于电熔焊接界面温度的液体，这些液体在焊接过程中会在电熔焊接界面闭合后气化形成空腔，从而进一步形成在周向、轴向和径向都具有尺度的体积型缺陷，这类现象会造成孔洞缺陷，孔洞缺陷常在电阻丝周围产生。

利用相控阵超声检测技术可以较为客观的观测出这一问题，提前做出应对措施。图12为电熔孔洞缺陷相控阵检测图，图中圈注位置为明显孔洞信号，孔洞信号下方管材内壁信号缺失。