聚乙烯管（PE）热熔接头超声波检测问题分析

韩光明 蔡 勤

（1. 辽阳宏伟无损检测工程有限公司，辽宁 辽阳 111000；2. 广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东 珠海 519002）

1 聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头与金属焊接接头缺陷种类不同的原因分析

目前，无损检测行业利用A型超声波、TOFD、超声相控阵等检测设备检测聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头存在问题的主要原因，是没有真正了解聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中缺陷的种类及特点。

一些无损检测标准规定，聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中存在与金属焊接接头相同的裂纹、未熔合、未焊透、条形和圆形等五类缺陷。

1.1 金属焊接的工艺过程

金属焊接的工艺过程是先将需要焊接的母材加工成一定形状的坡口，施焊前将被焊工件组对在一起并留有一定间隙，通常采用电弧加热的方法，使其坡口区域及填充材料快速加热熔化并快速结晶凝固。同时根据被焊工件的工艺要求，在焊接区域控制适当的冷却速度（自然冷却或保温），从而得到理想的焊接接头，这就是我们所熟悉的金属焊接。

金属焊接过程实际上是金属被加热、熔化和冷却的冶金过程，其物理变化是在原子之间进行的。

1.2 PE（聚乙烯）管道热熔熔接的工艺过程

PE管是高分子聚合物，热熔“熔接”是利用热塑性塑料随温度变化而呈现不同的物态变化，在适当温度范围内将PE管两端面加热到粘流态(熔融温度)后停止加热并移去加热装置，在一定压力作用下两侧管端粘流态断面充分接触，聚合物分子之间发生迁移、扩散、扭结或缠绕后形成熔接接头。

聚合物的形态随着温度与时间的变化，由固态→粘流态→固态，其物理变化是在分子之间进行的，很显然其工艺过程与金属焊接有显著的不同[1]。

1.3 聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头与金属焊接接头缺陷类型不同的原因分析

（1）金属焊接接头中有热裂纹或冷裂纹，而PE管材料是高分子聚合物，具有很强的塑性和弹性的特点，因此不具备产生裂纹缺陷的条件；

（2）金属焊接接头中未焊透是产生在钝边间隙中的，而聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头不存在钝边和钝边间隙，因此不可能产生像金属焊缝中的未焊透缺陷；

（3）金属焊接接头中的夹渣（即标准中的条形缺陷和圆形缺陷）是在焊接过程中残留在焊缝中的焊药皮或焊剂形成的。而聚乙烯（PE）管道热熔熔接过程中不存在这样的物质，如果非要认为聚乙烯（PE）管道在熔接过程中有异物进入的话，其概念也不应称之为夹渣。因为聚乙烯（PE）管道接头中的“夹渣”可能是在现场施工过程中夹进去的土石块，因此应称之为“夹杂”；

这是一个强加的概念，由聚乙烯（PE）管道熔接工艺也可以得到说明，在熔接过程中当加热过程完成之后移除加热板仅数秒钟管子将在压力下对接，此时是不可能进入土石块的。

假设移出加热板的瞬间，在风力作用下有微小的尘土进入熔融状态的管端表面，也会随着内、外翻边的形成而被挤出，冷却后形成的熔合面怎么会存在夹杂缺陷呢？

（4）金属焊接接头中有气孔缺陷（即标准中条形缺陷和圆形缺陷的一种），而且经常以链状、密集或单个状态存在。而PE管热熔熔接接头最终是在约4Mpa（约40公斤）压力作用下成型的，不难想象什么样的气孔缺陷可以在这么大的压力下仍然保持气孔形状而不被挤破；

（5）金属焊接接头中有未熔合缺陷，是焊材熔化后未与母材坡口面充分熔合在一起形成的，而聚乙烯（PE）管道接头没有坡口，因此不可能产生与金属焊接接头中性质相同的未熔合缺陷。

通过上述分析可知，聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中不可能存在与金属焊接接头中相同的气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等类型缺陷[2]。

1.4 聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中“未充分熔合”缺陷的产生过程及力学性能的特点

（1）产生“未充分熔合”缺陷的条件

冷焊的概念：

接头熔接温度或时间低于规定值形成的缺陷定义为冷焊。

过焊的概念：

接头熔接温度超过规定值（短时间）形成的缺陷定义为过焊。

无论是冷焊或过焊，均使聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头仅仅实现了简单的“粘接”连接，聚合物分子之间并没有发生迁移、扩散、扭结或缠绕，将在这种条件下形成的聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头定义为“未充分熔合”；

（2）“未充分熔合”缺陷的力学性能

聚乙烯（PE）管道热熔熔接过程中，只有聚合物分子之间发生了迁移、扩散、扭结或缠绕，其熔接接头的强度才能达到理想要求，而存在“未充分熔合”缺陷的熔接接头其机械强度仅仅达到合格接头的约二分之一左右。

2 存在“未充分熔合”缺陷热熔熔接接头声学性能试验

2.1 试验条件

试验选用“衰减式”CBC-100型数字式超声波探伤仪，两只2Z13×13K1低频纵波窄脉冲斜探头，无“未充分熔合”缺陷模拟试样一块，存在“未充分熔合”缺陷模拟试样三块。

2.2 试验过程

参考图1与图2，在每块模拟试样接头两侧分别取五个测试点，利用一发一收的测试方法测试聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头的声学性能。分别将获得的反射回波幅度调整至基准高度80%读取探伤仪衰减器的剩余读数，试验数据如表1所示。

表1，1#试样无“未充分熔合”缺陷，2#～4#试样“未充分熔合”缺陷逐渐严重。

2.3 试验结论

通过表1试验数据得到一个非常重要的信息。

由表1可知，有、无“未充分熔合”缺陷的热熔熔接接头声衰减的平均值都在74dB左、右，这说明存在“未充分熔合”缺陷的聚乙烯（PE）热熔熔接接头存在严重的“透声”现象。

3 聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中“未充分熔合”缺陷A型超声波、TOFD、超声相控阵等检测设备检测结果分析

3.1 A型超声波探伤仪的检测分析

参考图3～图6，分别采用一次波、二次波与串列式扫查方式，对图4与图6热熔熔接接头中“未充分熔合”缺陷进行扫查，都没有“未充分熔合”缺陷的反射回波出现。

3.2 超声相控阵仪器的检测分析

A型显示的超声波探伤仪，是依据缺陷反射回波的位置及幅度，或被检工件底波幅度的变化，判断被检工件中是否存在缺陷。

参考图7，超声相控阵探头是由多个压电晶体组成，多个压电晶体辐射的超声场分别扫查到缺陷，形成多个最原始的A扫描波形。超声相控阵设备的B、C扫描视图，就是由最原始的多个A扫描波形组合得到的。

由试验得知，聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中的“未充分熔合”缺陷存在严重的“透声”现象，因而无法获得A扫描波形。如果无法获得A扫描波形，那么超声相控阵检测设备如何实现对聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头检测呢？

3.3 TOFD仪器的检测分析

参考图8，TOFD检测技术是基于缺陷衍射信号进行数据分析和判读，并利用获得的TOFD图像判读是否存在缺陷。

聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头整道口的熔接条件是相同的，即无缺陷端点，且“未充分熔合”缺陷还存在严重的透声现象。TOFD检测是否可以获得“未充分熔合”缺陷的衍射波？如果得不到衍射波TOFD仪器如何检测聚乙烯（PE）管道的热熔熔接接头？

4 A型超声波、TOFD、超声相控阵等检测设备无法检测“未充分熔合”缺陷的理论分析

4.1 超声检测灵敏度的概念

检测灵敏度是指在确定的声程范围内检测出最小缺陷的能力，一般以有效检出工件中某一规定尺寸的缺陷作为度量，实际检测中根据产品技术要求或有关标准确定检测灵敏度。

4.2 超声检测灵敏度的调整

超声检测灵敏度调整就是确定选用的检测仪器与探头，能够有效地发现对比试块中的缺陷时检测仪器的灵敏度余量。

4.3 超声对比试块的定义

对比试块是指与被检件材料化学成分相似，声学性能相同或相近，含有意义明确参考反射体的试块。用以调节超声检测设备的灵敏度和声程，以将所检出的缺陷信号与已知参考反射体所产生的信号相比较，即用于检测校准的试块[3]。

4.4 对比试块上不同形状参考反射体的反射特征

对比试块上一般采用不同形状的参考反射体，常用参考反射体有长横孔、短横孔、平底孔、横通孔、V形槽、矩形槽和线切割槽。

（1）对比试块上长横孔、横通孔的反射回波特征与工件内部具有一定长度的裂纹、未焊透、未熔合和条状夹渣等缺陷的反射回波相类似；

（2）对比试块上短横孔在近场区表现为线状缺陷的反射特征，在远场区表现为点状缺陷的反射特征；

（3）对比试块上的平底孔一般具有面积型缺陷反射体的特征；

（4）对比试块上的 V 槽、矩形槽、线切割槽具有表面开口线性缺陷的反射特征。

4.5 A型超声波、TOFD、超声相控阵等检测标准选用的对比试块举例

目前正在执行的有关聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头，A型超声波、TOFD、超声相控阵等检测标准所用对比试块分别如图9～图12所示[4]。

上述对比试块上的横通孔、平底孔、矩形槽等规则反射体全部是“不透声”的，而聚乙烯（PE）管道熔接接头中的“未充分熔合”缺陷是严重透声的，即声学性能完全不同，这些试块的选用不符合超声对比试块的定义。

同时，也不应该用上述对比试块上的横通孔、平底孔、矩形槽等不同规则反射体确定超声检测灵敏度。

5 结语

通过上述分析可以得出如下结论：

（1）聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中的“未充分熔合”缺陷，由于存在严重的透声现象而无法获得最原始的A扫描波形；

（2）PE管材的整道接头是在同一条件下熔接而成的，不存在缺陷端点；

（3）目前使用的对比试块上的横通孔、平底孔、矩形槽等不同规则反射体的反射特征，不能模拟“未充分熔合”缺陷的反射特征。

因此，A型超声波、TOFD、超声相控阵等超声波检测设备，都不具备检测聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头的条件。