燃气PE管道热熔接头的微波无损检测应用

车 飞，朱丽丽，王一帆，李曼曼

(1.北京西管安通检测技术有限责任公司，北京 100107；2.北京市燃气集团研究院，北京 100013)

0 引言

近年来，聚乙烯管道由于其抗腐蚀等优点，在城市燃气行业得到广泛应用。与金属管道焊接安装质量控制相比较，国内的聚乙烯管道焊接质量无损检测方法为目视检查和水压测试，对于聚乙烯管道的热熔接头焊接质量，应研究有效的无损检测技术，防止聚乙烯等非金属管道发生渗漏、泄漏、断裂等。

非金属材料也称为介电材料，微波对这类材料有非常好的穿透能力，极易穿透塑料、橡胶、陶瓷以及其复合材料。根据介电材料及结构对微波的反射波幅度、相位以及偏振态可获得材料的内部缺陷、含水量、纤维排列、分层界面等[1]。基于微波的特点开发的微波无损检测技术，在很多领域的非金属及其复合材料检测方面已受到广泛的关注与研究应用。文中使用微波无损检测对城市燃气聚乙烯管热熔接头进行了检测，并将微波检测结果与破坏性试验结果相互进行验证，证实了微波无损检测对PE管热熔接头质量控制具有有效的检测与评价能力。

1 微波无损检测原理

微波是电磁波，其频率为300 MHz～300 GHz，波长为cm级，微波无损检测的原理基于微波与介电材料之间的相互作用。在微波频率下，介电材料本体和缺陷处的介电特性存在差异，以微波为载体，借助分析软件可以将这种介电差异转换为可以读取的电量值，再经过一定的算法可以还原成材料内部缺陷及结构的图像。微波检测装置原理图见图1，能量发射装置内的微波发射器在某特定频率范围内发射选定频率的微波信号，使微波在该介电材料中传播，材料结构的变化或内部缺陷，会体现不同的介电特性。这些细微的差异会引起微波反射波幅值和相位的变化，测量单元内的接收传感器能识别和采集到反射波的性能参量并进行实时分析计算，最终显示介电材料内部结构和缺陷形貌的实时图像[2]。

图1 微波检测装置原理图

微波能够有效地穿透介电材料，当材料中存在任何异常都会导致该处材料介电性能的变化，而微波对介电性能的变化非常敏感，因此微波对任何微小的缺陷都有非常高的检测灵敏度。微波检测中用到的微波频率具有较低的光子能量，不会像在生物组织中产生有害的光致电离。微波能够在空气中传播，因而检测时无需耦合。目前在很多领域开始采用微波技术来研究复合结构的织物排列、屈曲以及结构缺陷。

2 燃气PE管道热熔接头的微波无损检测及应用

2.1 PE管焊接接头的微波检测

城市燃气中广泛使用的PE管道，其主要焊接方式为热熔焊接。PE属于高分子材料，热熔焊接过程中，焊缝区域的PE材料经过加热和冷却再结晶的过程后，热熔焊缝与母材相比，分子结构发生了变化，合格的焊接接头在微观层面表现为分子结构经过再结晶后形成了足够数量的长链结构。传统的超声和X射线等方法不能发现这类分子层面的异常，不能实现热熔接头焊接质量的检测。但是分子结构的变化会引起介电性能的变化，进而能够被微波探测到，因此微波检测结果图中可表征出焊缝与其周围母材的介电差异。图2为一条合格的热熔焊缝微波检测结果图，该条焊缝为管径110 mm的高密度聚乙烯管，按照合格工艺进行热熔焊接后，经微波检测热熔焊缝区域所获得的图像，图像中央的色带即为热熔焊缝，图中X轴代表焊缝的周向检测长度(360 mm)，Y轴代表焊缝的轴向检测长度(150 mm)，从图2中可见，合格的焊缝在微波图像上会显示一条宽度及色彩较均匀的条带，热熔焊缝与周围母材会呈现完全不同的介电差异。

图2 合格的热熔接头焊缝微波检测结果图

研究表明，热熔接头在加热或冷却的过程中，会受到多种因素干扰或影响，导致接头熔合区没有形成足够量的分子长链，这类接头经目视检测外观都是合格的，甚至能够通过早期的水压试验，但是在服役的过程中会过早地失效，是一种危害很大的异常(不合格)接头。微波对介电性能的敏感性能够检测出这类分子结构的异常，微波图像中显示的热熔焊缝条带，如果发生波动或者局部宽度或色彩不均匀，则表示该处存在异常，异常处的微波图像能够与其他合格处的微波图像形成明显的差异。如果在一条焊缝的合格区域和异常区域分别取样进行拉伸试验，合格区域的试验结果不仅有较好的抗拉性能，而且断口通常呈现明显的韧性特征，而异常区域的拉伸结果则表现出典型的脆性特征[3]。

2.2 PE管现场检测应用实例

对某城市燃气PE管线热熔焊接安装过程中某段进行了接头的微波无损检测抽检，并对其中一道经过微波检测结果异常的焊缝进行了截取及破坏性拉伸试验。

2.2.1 PE管现场微波检测

受检管线为高密度聚乙烯PE100材质，管径315 mm，壁厚17.9 mm，焊接方式为热熔焊接。PE管现场微波检测见图3。所有受检焊缝均经过外观检测合格，符合相关标准的要求。

(a)受检管线

受检管线中的一道焊缝微波检测结果显示该条焊缝出现异常，热熔焊缝微波检测结果见图4，图4中X轴代表焊缝的周向检测长度(1 000 mm),Y轴代表与热熔焊缝垂直的轴向检测长度(220 mm)，图4中水平方向深色具有一定宽度的色带即为热熔焊缝。从图4可以确定受检焊缝有3处位置微波图像显示焊缝异常，其中1号异常位于图4轴向76～101 mm处,该段位置焊缝发生长度约12.5 mm的轻微中断，该处异常程度较轻，属于轻度异常；2号异常位于图4轴向178～381 mm处, 该段位置焊缝发生长度约127 mm的大部分缺失，属于严重异常；3号异常位于图4轴向960～1 000～40 mm处的位置(尾首连接处)，该段位置焊缝发生长度约80 mm的大部分缺失，属于严重异常。

图4 热熔焊缝微波检测结果

2.2.2 微波检测结果与破坏性测试结果比对

为了进一步分析该条焊缝异常处的实际焊接质量及强度，对该条焊缝进行了截取，依据标准GB/T 19810—2005《聚乙烯(PE)管材和管件 热熔对接接头拉伸强度和破坏形式的测定》对截取后的环焊缝取样，制作了6个A型拉伸试样，拉伸试样编号及信息见表1。将拉伸试样的取样位置与微波检测结果进行了对比，见图5。

表1 拉伸试样编号及信息

(a) 热熔焊缝微波检测结果与拉伸试样对应位置

从图5(b)可以看出，微波检测结果表征的2号和3号严重异常对应的2#试样和6#试样，其拉伸断口均为脆性断裂；微波结果表征的1号异常为轻度异常，其对应的1#试样断口虽然为韧性断裂，但是断口面积与其他合格位置的断口形貌相比，面积较大且平整。

拉伸试样曲线图见图6，图6显示2号和3号严重异常对应的2#、6#试样拉伸曲线力值在上升阶段突然降为0，为明显的脆性失效特征，1号轻度异常对应的1#试样虽然是韧性断裂，该位置的断口形貌虽然也呈现韧性,但是曲线无明显的屈服阶段。

图6 拉伸试样曲线图

3 结论

微波无损检测技术对PE管热熔接头内部异常检测有优势，热熔接头中影响接头质量的焊接异常在微观层面体现为高分子结构的改变，这类焊接异常将直接导致接头强度不足，高分子结构的改变不会影响材料体积、密度的变化，因而传统的超声、射线等方法不能检测这类焊接异常，但是分子结构的改变却会导致材料介电性能的变化，因此微波无损检测对这类接头异常具有可检测性及较高的灵敏度。

通过对某城市燃气安装现场PE管热熔接头进行微波检测，并对其中一道焊缝微波检测结果表征的异常位置进行了破坏性试验，微波检测结果与破坏性试验结果吻合度较高，验证了微波无损检测技术对热熔接头内部异常的检测准确性。

微波无损检测技术能够借助微波对材料介电性能的敏感性，发现并检测出热熔接头中的焊接异常，先进的计算机处理与分析软件，使微波能够将被测材料“透明化”。微波无损检测将在非金属及其复合材料检测应用领域逐渐发挥重要作用，在城市燃气、新能源[4](风电、核电)、石油石化、航空航天等领域也将展现应用前景。