聚乙烯燃气管道焊接接头无损检测及质量评价

曹伟烨

摘要：焊接接头是聚乙烯管道系统的薄弱环节，也是影响管道系统完整性的关键因素。本文从焊接接头缺陷的产生机理分析入手，对缺陷检测技术进行了介绍。其中，较为成熟的缺陷检测手段有超声波相控阵技术和微波技术，两种技术分别在电熔接头和热熔接头的无损检测方面有明显优势。焊接质量评价研究目前尚处于起步阶段，实现真正的焊接质量评价需要大量的实践验证。

关键词：焊接接头;缺陷;检测;焊接质量评价

聚乙烯管道抗腐蚀、韧性高、使用寿命长，是一种比较理想的燃气输送用管材。在一些地区，聚乙烯管材在城市埋地燃气管道中的占有量已达 90% 以上。

对于聚乙烯管道系统来说，焊接接头是薄弱环节，也是影响管道系统完整性的关键因素。现有的焊接质量控制手段主要以过程控制为主，并通过外观检查进行验收。然而，外观检查和压力试验均无法观察到焊口的内部缺陷，更无法判断如果内部存在缺陷是否会对接头强度和使用寿命产生影响。一些事故案例表明，某些潜在的缺陷会随着燃气管道在一定压力下长期运行才暴露出来。因此，聚乙烯管道的焊接质量评价已经成为行业内关注的热点和难点。

1.聚乙烯燃气管道焊接工艺

聚乙烯燃气管道一般采用热熔对接连接和电熔连接两种连接方式。热熔对接连接的关键焊接参数是加热板温度，焊接压力和加热时间直接影响到热熔对接的质量。电熔连接不同于热熔对接连接，焊接参数没有固定的标准，是由生产厂家自己设定的，焊接前通过扫描电熔管件上的条形码，即可按照设定好的程序进行焊接，这种方式极大地降低了焊接过程中人为因素的影响。

2.聚乙烯燃气管道焊口缺陷

关于聚乙烯燃气管道焊口缺陷的分类，目前行業内尚未达成一致意见，笔者根据调研情况进行总结如下。

2.1 电熔连接缺陷

电熔接头缺陷概括起来可以分为未焊透、电阻丝错位和孔洞 3 类。

2.1.1 未焊透

电熔接头未焊透是由于管材和套筒界面上的分子未能扩散缠结或未充分扩散缠结，使得整个熔合界面强度低于正常焊接接头熔合界面强度。根据电熔接头未焊透的产生原因，又可以将其分为冷焊、夹氧化皮、熔合面夹杂3 种。冷焊是由于接头焊接热量不足造成的缺陷。外部环境、聚乙烯的材料参数、电源输入功率和界面接触热阻都会影响电熔焊接温度场，从而引发电熔接头冷焊缺陷的产生。冷焊缺陷是危害最大的焊接缺陷。夹氧化皮是指由于电熔焊接前未刮削或未充分刮削管材表层氧化皮至一定深度而直接焊制的电熔接头。这类接头强度远低于正常焊接接头。熔合面夹杂是指电熔焊接过程中有时会在焊接界面引入其他外来物，如熔合界面夹杂了污泥、树叶等夹杂物将直接导致电熔套筒内表面和管材外表面隔离，造成局部未焊透。

2.1.2 电阻丝错位

电阻丝错位准确来说是一种焊接操作过程规范与否的反馈，通常由于过焊、承插不到位或未对中引起。过焊通常由于电熔焊接过程时间过长或功率过高引起，会造成电阻丝错位或孔洞。承插不到位是指待焊接管材没有完全插入电熔套筒中，导致电熔接头的电阻丝没有完全被管材外表面覆盖，在焊接过程中，电阻丝周围的聚乙烯熔融后溢出到内冷焊区，带动电阻丝沿着轴线位移，产生错位。管材未对中是指待焊接的两段管材没有在同一轴线上，容易造成电阻丝错位甚至短路等一系列问题。

2.1.3 孔洞

孔洞的形成通常分为 3 种情况 ：焊接前存在的孔洞，焊接过程中产生的孔洞和冷却过程中出现的孔洞。

2.2 热熔连接缺陷

热熔接头可能存在的缺陷可分为两大类 ：工艺缺陷和宏观缺陷。工艺缺陷包括未焊透和过焊，宏观缺陷包括孔洞、裂纹和焊缝过短。

2.2.1 工艺缺陷

工艺缺陷的形成通常与焊接工艺参数选取不当有关。未焊透通常是由于焊接热量不足、焊接压力过小或过大，熔合面夹杂而导致。焊接热量不足或焊接压力过小，都可能造成焊接面上的高分子未进行充分的扩散缠结，焊接面的强度低于正常焊接的接头 ;焊接压力过大，则会造成熔融物被挤出焊接面，同样导致焊接强度较低;熔合面夹杂一方面会隔离焊接面，影响高分子的扩散缠结，另一方面如果夹杂泥水，焊接过程中水分蒸发会带走一部分热量，导致焊接热量不足，造成未焊透。冷焊属于未焊透的一种，也是热熔接头危害最大的一种缺陷。过焊通常是由于焊接热量过多引起的，如加热板温度过高。过焊的危害在于温度过高会导致聚乙烯材料的热氧化破坏，析出挥发性产物，使聚乙烯材料结构发生变化，导致焊接接头强度降低。

2.2.2 宏观缺陷

宏观缺陷不同于工艺缺陷，有比较明显的缺陷形态表征，通常是由于焊接操作不当、焊机设备故障或工况不良、以及焊接环境不适宜等因素导致。

孔洞是由于强制冷却接头和寒冷环境下焊接，导致材料收缩形成。裂纹的产生主要是由于加热温度不够或切换时间过长，使得被焊接的聚乙烯材料没有足够的流动性，因而在焊接接头中心交界处产生了裂纹。焊缝过短主要是由于焊接压力过大，熔融物被大量挤出造成。

3.聚乙烯燃气管道焊接质量评价

焊接质量评价的最终目的在于通过无损检测对焊接质量进行评价、分级。由于目前破坏性试验是公认的判断焊接质量合格与否的手段，因此，在开展焊接评价研究工作时，需要借助破坏性试验对无损检测的结果进行验证，对质量的分级指标进行研究和制定。由此可见，无损检测技术是实现聚乙烯管道焊接质量评价的关键。

开展焊接质量评价研究工作，通常采用的方法是通过人工制作某种缺陷类型的试件，采用无损检测技术进行检测，从图像上找出此种缺陷类型的表征，实现缺陷的定性分析。在此基础上，进一步控制缺陷的大小、位置分布，依次进行无损检测和破坏性试验，分析无损检测结果与破坏性试验结果之间的关联，验证无损检测技术的可靠性，并以此来实现缺陷的分级，最终实现焊接接头可靠性的评价。这依赖于大量的实践验证。与钢管一样，严格的施工质量控制可以避免绝大多数缺陷的产生，但是无损检测技术将进一步降低管道潜在的风险。对于聚乙烯燃气管道来说，焊接质量评价可以充分发挥其使用寿命长的优势，保障管道系统的完整性，防患于未然。

结论

1）聚乙烯燃气管道电熔接头缺陷类型分为未焊透、电阻丝错位和孔洞 ;热熔接头缺陷类型分为工艺缺陷和宏观缺陷，其中工艺缺陷包括未焊透和过焊，宏观缺陷包括孔洞、裂纹和焊缝过短。2）目前，聚乙烯燃气管道焊接接头的无损检测技术有超声波相控阵技术、衍射时差法超声波技术、微波技术、太赫兹技术以及射线、红外技术等。这些技术手段中较为成熟的是超声波相控阵技术和微波技术，分别在电熔接头和热熔接头的无损检测方面相对成熟。3）聚乙烯燃气管道的焊接质量评价对于保障管道系统的完整性至关重要，目前该项研究还处于起步阶段，实现真正的焊接质量评价需要大量的实践验证。

参考文献：

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