城镇燃气聚乙烯管道热熔接头缺陷的检测技术

蔡 勤 郭欣欣 黄 彬 韩佩城

（1. 广东省特种设备检测研究院珠海检测院， 广东 珠海 519002；2. 珠海市广华燃气消防工程有限公司，广东 珠海 519002；3. 北京欣盟电子技术有限公司，北京 100041）

0 引言

聚乙烯是一种具有非极性长链分子结构的乙烯共聚生成的线性非晶态高聚物，具有卓越的耐腐蚀性、优越的焊接性、突出的力学性能、较长的使用寿命和良好的经济实用环保性，因而被广泛用于天然气和液化气的输送。2000年以后，我国燃气管道大规模使用聚乙烯管，目前超过90%以上的新建中低压城镇燃气管道都使用聚乙烯管[1]。现在，国家规定允许使用的两种聚乙烯燃气管连接方式分别是热熔连接和电熔连接，一般DN90 以上的聚乙烯燃气管连接采用热熔连接。聚乙烯管材热熔接头是通过在温度和压力共同作用下，先将两管端端面加热一段时候后熔融，然后将两端面加压挤在一起一定时间，两端面就连接成具有一定强度的热熔接头。在聚乙烯管道热熔焊接过程中，由于操作人员的焊接水平、焊接设备工况、管材质量、焊接工艺和焊接环境有的关系，使焊接接头容易产生各种缺陷，直接影响到管道系统的安全和寿命。聚乙烯燃气管热熔接头常见的主要缺陷形式有未熔合、孔洞、工艺缺陷（包括冷焊、过焊、不对中、焊缝过短）等。针对这些缺陷，工程施工上主要是通过非破坏性的检验，包括外观检测和无损检测，目前一般最常使用的是外观检测。现阶段聚乙烯热熔接头的无损检测研究仅仅停留在试验研究阶段，无法真正应用到实际的工程检测中，更谈不上没有像金属材料焊接接头那样有完善的相关检测、评价标准体系。如何实施有效的无损检测技术应用于控制工程的聚乙烯燃气管道焊接接头质量，并形成统一的标准规范，成为保证燃气管网安全运行的当务之急。

1 聚乙烯燃气管热熔连接的外观检测

目前，按照CJJ33-2005《城镇燃气输配工程施工及验收规范》和TSG D2002-2006 《燃气用聚乙烯管道焊接技术规则》等规定要求，聚乙烯燃气管道安装工程验收时需对热熔接头进行外观检测，以确保热熔接头质量符合要求。聚乙烯燃气管热熔焊接接头的外观检测，主要从三个方面检查接头的质量：接头外观特征、接头结构特点、卷边切除检验：（1）良好的接头外观特征：接头两边存在均匀圆形卷边、两边卷边尺寸应该相近、卷边的表面应该平滑、均匀、对称、接头两侧管材端面错边量不应大于管材壁厚的10%；（2）接头结构特点：卷边融合线的最低处不应低于管道外表面、接口两侧的外圆任何一处错边量不应超过管道壁厚的10%；（3）卷边切除检验：卷边应是实心圆滑、根部较宽，卷边切割面不应有夹杂物、小孔、扭曲和损坏。

2 聚乙烯燃气管热熔接头的无损检测

寻找有效、可靠的无损检测方法对聚乙烯燃气管热熔接头进行检测是保证聚乙烯燃气管网在设计寿命里正常安全使用的重要途径。因此，目前国内外学者已开展对聚乙烯燃气管热熔接头的无损检测研究，主要有超声波检测、超声相控阵检测、红外热成像检测、微波扫描法检测、射线检测等检测技术。

2.1 聚乙烯燃气管热熔接头的超声检测

聚乙烯燃气管热熔接头的超声波检测由无锡市苏台工业检测技术所率先开始研究，并已形成了JB/T 10662-2013《无损检测 聚乙烯管道焊缝超声检测》检测标准。以浙江大学郑津洋团队为代表的其他国内学者也针对超声波检测聚乙烯管道焊接接头开展了大量的研究。国外各国中，德国于20世纪70年代、美国、英国于80年代都开展聚乙烯燃气管热熔接头的超声检测技术和设备研究。国内外的超声波检测研究表明，对某些缺陷的检测灵敏度到不到检测要求，检测局限性较大[2]。

聚乙烯管道热熔接头超声检测的耦合聚焦检测技术是使用特别的耦合剂作为液浸超声波检测的载体，检测时使超声波探头的声束会聚，使声束能检测到整个热熔接头区域，并采集到缺陷信号。郭伟灿等将表面张力较大的水、甘油、水玻璃和海藻酸钠按一定比例配置成声速和声阻抗与聚乙烯相相近的耦合剂作液浸检测的载体，采用球形曲晶片聚焦探头使声束在原焦点位置附近会聚，通过液浸超声波检测法，使超声波声束在检测中不产生折射或折射很小，减少反射声能损失，提升检测灵敏度，并能覆盖整个热熔接头的熔合区。通过大量带有典型缺陷试样的对比试验，验证该方法能可靠地检出热熔接头中1mm的体积型缺陷、1mm高的面积型缺陷，满足工程检测的需要[3]。

2.2 聚乙烯燃气管热熔接头的超声相控阵检测

超声相控阵检测是基于脉冲反射法检测聚乙烯管道热熔接头内部缺陷，利用相控阵实现声束聚焦，提高检测的分辨力和灵敏度。超声相控阵检测通过超声波声束的偏转和聚焦点位置变化，实现在同一个位置上多角度大范围扫查，克服了传统超声波检测衰减和能量损耗严重的不足。

解俊炜等利用超声相控阵技术，使用水楔块，通过改变探头的频率对定制的聚乙烯试块中不同深度、直径的横通孔缺陷进行检测和分析，并进行了检出率定量分析。研究结果表明：采用较低频率的探头，不仅能检测到较深较大的缺陷，而且有更高的检出率[4]。

张晓宝以研究相控阵检测探头的声场特性为基础，仿真研究模拟接头缺陷对探头各个参数的检测影响，从仿真结果中优化设计了探头参数组合。通过设计若干校准试块对仪器的相关参数进行校准设置，对制备的试样进行超声相控阵检测，最后对试样进行质量评定。研究结果表明：超声相控阵检测技术能够对聚乙烯管接头焊缝中的缺陷进行有效检测[5]。

王少军等对针对聚乙烯材料声学特性和接头形状对超声波检测有较大影响，提出了采用超声相控阵动态聚焦和S扫查成像技术来检测聚乙烯管道热熔接头的方法。通过该方法对无缺陷试件和含有典型缺陷试件的检测对比，可以得出该方法可以有效检测出热熔接头中的各种典型缺陷，并在实际工程检测中得到验证[6]。

竺哲明等设计了一套针对热熔接头检测的超声波相控阵检测装置，该装置以相控阵聚焦和超声实时成像技术为基础，采用液浸耦合技术解决了超声波检测聚乙烯材料的各种局限难点问题。通过使用该装置对典型缺陷的聚乙烯接头缺陷试样检测和实物解刨对比，验证了该装置可以可靠的发现聚乙烯热熔对接接头中的气孔、熔合面夹杂等各类典型缺陷[7]。

2.3 聚乙烯燃气管热熔接头的红外热成像检测

红外热成像检测技术通过获取目标表面的红外辐射能量，经过计算、处理，将目标表面温度场分布转换为人眼能识别的热像图，从而识别目标内部缺陷。聚乙烯管道缺陷的红外热成像无损检测的透射法是将热源置于管内，在管外用红外热像仪获取聚乙烯管道外表面的温度分布云图（即红外热像图），对红外热像图进行分析便能诊断出聚乙烯管道的内部缺陷。

朱志彬研究了热熔接头的形状特征和聚乙烯材料的热物理特性，然后采用持续热激励双面透射方式对聚乙烯管热熔接头红外热像检测，通过有限元模拟接头内部缺陷的温度场，对比分析了模拟与试验热像图，得出了从红外检测热像序列图中可以清晰地识别出缺陷位置和相对大小。验证了持续激励红外热像透射检测法可作为一种对聚乙烯管进行无损检测评价和健康监测的可行性和有效性[8]。

邱旭通过瞬态热传导有限元模型来研究不同激励方式的主动红外热成像技术检测对聚乙烯管热熔接头缺陷的检测效果，以及聚乙烯管道缺陷图像自动识别方法。从研究结果可以得出主动红外热成像技术检测可以有效检测出缺陷，而且缺陷越大越深，越容易被识别；外部激励源的强度越强，检测效率越高[9]。

2.4 聚乙烯燃气管热熔接头的微波检测

微波检测是利用一种波长在1～1000mm之间，频率在0.3～300GHz之间的波长短、频率高、频带宽的高频电磁波进行检测的无损检测方法。当微波从一种介质进入到另一种介质中时，由于两种不同介质的介电常数的差异而使微波发生反射，反射信号与发射信号发生干涉，经微波探头接收并转变成扫描图像[10]。当结构中存在缺陷时，缺陷的介电常数与周围材料不同，通过微波检测原理就能检测出热熔焊接接头中的缺陷。

祝新伟等采用先对无缺陷的热熔接头进行微波扫描检测作为参考图像，然后微波扫描检测裂纹、熔接压力过大、冷焊以及未熔合 4 种缺陷图像进行对比，分析不同缺陷的显著特征。最后，利用拉伸力学测试或者利用真密度方法对不同热熔接头进行了测试的结果，初步验证了微波扫描方法对聚乙烯管道热熔接头缺陷检测的有效性[11,12]。

2.5 聚乙烯燃气管热熔接头的X射线检测

由于聚乙烯材料的密度较小，穿过聚乙烯后X射线衰减很小，如对聚乙烯燃气管热熔接头进行X射线检测时，按《GB/T 33488.3-2017 化工用塑料焊接制承压设备检验方法 第3部分：射线检测》等标准要求管电压应在30kV以下。对聚乙烯管道热熔接头的X射线检测结果同样可以发现，接头中的线形和面积形缺陷难以发现，体积形缺陷比较好发现且检出率高。

何慧娟在研究含有典型缺陷的聚乙烯管热熔接头力学性能的基础上，参考了金属管道X射线数字成像检测参数的确定方法，研究X射线数字成像检测方法应用于聚乙烯管热熔焊接接头的缺陷检测。针对典型的聚乙烯管热熔接头缺陷分析各方面影响因素，得出了检测效果最佳的X射线数字成像检测参数[13]。

伍树坤对比了常规超声波检测和X射线检测相同聚乙烯热熔接头缺陷的检测结果，得出X射线检测时采用较低的曝光能量（最低的管电压可以调至100KV或更低，曝光时间控制在0.5～1min之间），显影时间一般控制在2min以内的方法对聚乙烯管热熔接头进行X射线检测，可以获得具有合适的对比度和黑度的较清晰底片。两种检测方法都可以检测出缺陷，缺陷的位置、大小基本吻合[14]。

3 结语

与传统金属管道比较，聚乙烯燃气管道具有更好的耐腐蚀性、优越的焊接性、突出的力学性能、长达50年使用寿命和更环保便宜，被广泛用于天然气和液化气的输送。聚乙烯燃气管道的热熔接头容易出现风险，是聚乙烯燃气管道系统最为薄弱的环节，接头的优劣直接关系到燃气管网能否安全运行。美国国际管道研究委员会（PRCI）曾统计和归纳了欧美各国聚乙烯燃气管道发生事故，其中因为聚乙烯管接头破坏引起的事故占63%[15]。因此，如何对聚乙烯燃气管道连接接头实施有效的检测，监控接头内部质量状况以控制工程质量，对聚乙烯燃气管的应用和安全运行具有重要的现实意义。