施建峰，陶楊吉，安成名，方海清，鄭津洋

（1.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，杭州 310027；2.高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心，杭州 310027；3.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

2019年，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)指出天然氣的產(chǎn)量為1 761.7億立方米，同比增長(zhǎng)10%；天然氣的進(jìn)口量為9 656萬噸，同比增長(zhǎng)6.9%［1］。天然氣的擴(kuò)產(chǎn)與其使用規(guī)模的擴(kuò)大，促進(jìn)了燃?xì)夤艿赖臄U(kuò)建。根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范（2020年版）》，我國(guó)城市中低壓管道普遍采用聚乙烯管［2］。聚乙烯管具有耐腐蝕性，使用壽命是鋼管在防腐層完好情況下的2倍；聚乙烯管具有抗沖擊性能和斷裂延伸率，實(shí)踐證明聚乙烯管能抵抗地震等自然災(zāi)害的影響［3］。中國(guó)石油昆侖燃?xì)鈹?shù)據(jù)顯示，河北省燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)中，聚乙烯管道的占比為77.6%，中壓、公稱直徑300 mm以下的管道100%采用聚乙烯管；山東省的中低壓管道同樣100%采用聚乙烯管［4］。

根據(jù)CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，燃?xì)夤艿拦こ痰尿?yàn)收包括管道連接的驗(yàn)收和管道工程的試驗(yàn)。管道連接的驗(yàn)收中，電熔接頭應(yīng)滿足管材和管件相互對(duì)正、觀察孔內(nèi)物料頂起、接縫處物料和電阻絲未被擠出等要求；熱熔接頭應(yīng)通過卷邊對(duì)稱性檢驗(yàn)、接頭對(duì)正性檢驗(yàn)和部分接頭卷邊切除檢驗(yàn)。管道工程的試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行管道吹掃、強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)。但這些驗(yàn)收手段無法探查聚乙烯管接頭內(nèi)部焊接情況，無法保證燃?xì)夤艿赖陌踩?。無損檢測(cè)可有效識(shí)別接頭內(nèi)部焊接情況，避免含嚴(yán)重缺陷的接頭帶壓服役。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有設(shè)備便攜、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行無輻射和火星、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，適用于燃?xì)夤艿赖默F(xiàn)場(chǎng)不停氣檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外開展了大量聚乙烯管道超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的研究。英國(guó)焊接研究所（TWI）［5］對(duì)在役聚乙烯管道電熔與熱熔接頭進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)電阻絲和熔合界面周邊出現(xiàn)孔洞和未熔合缺陷。美國(guó)西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）［6］對(duì)聚乙烯管道熱熔接頭進(jìn)行預(yù)置0.8～2.2 mm的缺陷檢測(cè)，驗(yàn)證超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)能力。鄭津洋等［7-14］在聚乙烯管道超聲相控陣檢測(cè)方面做了系統(tǒng)深入的研究，提出了熱熔接頭的耦合聚焦缺陷超聲檢測(cè)方法和電熔接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了聚乙烯管道接頭中各類焊接接頭的有效檢測(cè)，制定了GB/T 29461—2012《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測(cè)》和GB/T 29460—2012《含缺陷聚乙烯管道電熔接頭安全評(píng)定》兩項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家逐漸提高了聚乙烯燃?xì)夤艿赖臋z驗(yàn)要求，最新頒布的GB/T 38942—2020《壓力管道規(guī)范 公用管道》規(guī)定：現(xiàn)場(chǎng)電熔與熱熔焊接的聚乙烯管道及管路附件焊接處宜進(jìn)行100%相控陣超聲檢測(cè)，并建議根據(jù)GB/T 29461—2012對(duì)電熔接頭進(jìn)行無損安全檢測(cè)；GB/T 32434—2015《塑料管材和管件 燃?xì)夂徒o水輸配系統(tǒng)用聚乙烯（PE）管材及管件的熱熔對(duì)接程序》也推薦采用超聲波等無損檢測(cè)方式進(jìn)行焊接接頭的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

本文采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)深圳市10個(gè)燃?xì)夤艿拦こ痰碾娙叟c熱熔接頭進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，介紹檢測(cè)方案與檢測(cè)結(jié)果，分析缺陷產(chǎn)生的原因，為燃?xì)饩垡蚁┕艿酪?guī)范施工提供參考。

1 聚乙烯管道超聲相控陣檢測(cè)方法

1.1 電熔接頭檢測(cè)

GB/T 29461—2012完善地規(guī)范了聚乙烯管道電熔接頭的超聲相控陣檢測(cè)，包括一般要求、檢測(cè)程序、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)報(bào)告等。在本項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)之后，美國(guó)于2018年頒布了ASTM E3170/E3170M-18《聚乙烯電熔接頭相控陣檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》。相比ASTM標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 29461—2012包含了冷焊缺陷的檢測(cè)方法，并且給出各類典型缺陷的超聲圖譜對(duì)照?qǐng)D，更加便于檢測(cè)人員實(shí)施檢測(cè)。

（1）一般要求。

GB/T 29461—2012對(duì)檢測(cè)人員、檢測(cè)設(shè)備、探頭、試塊、耦合劑和檢測(cè)對(duì)象等一般要求做出了嚴(yán)格的規(guī)范。檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)GB/T 9445—2015《無損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證》的要求，通過資格鑒定和認(rèn)證，并根據(jù)持有證書施行相應(yīng)等級(jí)的檢測(cè)工作。檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的系統(tǒng)性能，并具有實(shí)時(shí)成像、測(cè)量圖像的功能，以滿足檢測(cè)需求。耦合劑應(yīng)具有良好的透聲性，減少探頭與電熔接頭界面間的衰減，常采用水、甘油、水凝膠等。檢測(cè)對(duì)象為電熔接頭，其管件的材料和幾何尺寸應(yīng)符合GB 15558.2—2016《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁≒E）管道系統(tǒng)第2部分：管件》的規(guī)范，且接頭表面應(yīng)盡量平整，以不影響探頭與電熔接頭的聲耦合。

探頭和試塊的選擇與待檢接頭有關(guān)。探頭選用相控陣聚焦探頭，聚焦聲束以提高檢測(cè)的分辨力和靈敏度；探頭頻率根據(jù)不同的管件厚度選用，管件越厚，選用的探頭頻率越低。相控陣探頭的頻率越高，其聚焦的焦點(diǎn)越小，聚焦效果和檢測(cè)分辨力越好，但是超聲波衰減效應(yīng)愈加嚴(yán)重。因此，為了平衡檢測(cè)分辨力和衰減效應(yīng)，薄管件采用較高頻率的探頭，獲得最優(yōu)的分辨力；厚管件采用頻率越低的探頭，降低衰減效應(yīng)的影響。試塊采用與待檢接頭相同或具有相似聲學(xué)性能的材料制成，標(biāo)準(zhǔn)試塊為矩形，并在不同深度含有5個(gè)排列均勻的側(cè)面鉆孔；對(duì)比試塊具有與待檢接頭相同的外形尺寸和厚度，且含有人工缺陷或整齊電阻絲。GB/T 29461—2012標(biāo)準(zhǔn)試塊比ASME標(biāo)準(zhǔn)的表面平行試塊更接近實(shí)際的管道，當(dāng)待檢接頭的公稱直徑較小時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)試塊的檢測(cè)表面為曲面；當(dāng)公稱直徑較大時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)試塊的檢測(cè)表面為平面。

（2）檢測(cè)程序。

電熔接頭的檢測(cè)程序包括檢測(cè)時(shí)機(jī)、表面清理、靈敏度調(diào)節(jié)、檢測(cè)步驟和系統(tǒng)復(fù)核。檢測(cè)時(shí)機(jī)為電熔焊接結(jié)束且自然冷卻2 h之后；表面清理要求表面質(zhì)量經(jīng)外觀檢驗(yàn)合格、污物清理、粗糙度滿足要求和不規(guī)則形狀不影響檢測(cè)結(jié)果。靈敏度調(diào)節(jié)可采用對(duì)比試塊或標(biāo)準(zhǔn)試塊調(diào)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)試塊調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)檢測(cè)參數(shù)使獲得的檢測(cè)圖像上顯示每一個(gè)側(cè)面鉆孔；對(duì)比試塊調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)檢測(cè)參數(shù)直到可以鑒別每一根電阻絲。檢測(cè)步驟中，首先按管件厚度選擇相控陣探頭，再進(jìn)行檢測(cè)靈敏度的調(diào)節(jié)；然后耦合探頭與接頭表面；最后掃查電熔接頭。若檢測(cè)過程中檢測(cè)工具、靈敏度變化、連續(xù)工作4 h以上或者檢測(cè)結(jié)束，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)核。

（3）檢測(cè)結(jié)果。

電熔接頭中常見五類缺陷，分別為電阻絲錯(cuò)位、孔洞缺陷、熔合面缺陷、冷焊和過焊缺陷。電阻絲錯(cuò)位是電阻絲在水平或者垂直方向上發(fā)生的位移而形成的缺陷；孔洞缺陷是電阻絲周圍或者熔合界面附近的氣泡或空洞；熔合面缺陷是熔合界面未熔合或界面夾雜形成的缺陷；冷焊缺陷是輸入熱量不足而造成焊接界面已經(jīng)熔合但界面強(qiáng)度不足的缺陷，冷焊缺陷可能在服役過程中發(fā)生開裂破壞；過焊缺陷是熔區(qū)材料因高溫發(fā)生裂解形成的缺陷。

1.2 熱熔接頭檢測(cè)

目前，國(guó)內(nèi)外都尚未頒布熱熔接頭的超聲相控陣檢測(cè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但其檢測(cè)方法已經(jīng)成熟。上海市于2017年頒布了DB31/T 1058—2017《燃?xì)庥镁垡蚁≒E）管道焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)》，該標(biāo)準(zhǔn)給出了熱熔接頭檢測(cè)的規(guī)范性附錄和特征圖譜的資料性附錄。由于此標(biāo)準(zhǔn)未給出不同類型缺陷超聲圖譜的明確辨識(shí)特征，因此本文未采用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱熔接頭檢測(cè)。熱熔接頭檢測(cè)的基本檢測(cè)要求與電熔接頭檢測(cè)相同，包括檢測(cè)人員、檢測(cè)設(shè)備、耦合劑等一般要求和檢測(cè)前準(zhǔn)備、系統(tǒng)復(fù)核等檢測(cè)程序。

（1）一般要求。

用于熱熔接頭檢測(cè)的探頭、楔塊和試塊同樣根據(jù)待檢接頭進(jìn)行選擇。探頭根據(jù)管道壁厚選擇頻率和孔徑，越厚的管壁需要選擇越大的孔徑和越小的頻率?？讖皆酱?，超聲波聚焦穿透深度越深，但圖像質(zhì)量將降低。因此，在滿足穿透深度的條件下，為提高圖像質(zhì)量，應(yīng)選擇主動(dòng)孔徑較小的探頭。主動(dòng)孔徑按下式計(jì)算：

式中 A——主動(dòng)孔徑，mm；

n——激發(fā)陣元數(shù)量；

e，g——陣元寬度、相鄰陣元之間的間隙，mm。

楔塊的材料應(yīng)具有低聲速、低聲衰減特性；曲率與管道表面的形狀吻合，以減少界面聲能損失；根據(jù)熱熔接頭檢測(cè)區(qū)域中所需要的折射角度，楔塊入射角度按下式計(jì)算［15］：

式中 α——楔塊入射角度，（°）；

β1，β2——熱熔接頭檢測(cè)區(qū)域中所需要的折射角度，是掃查角度范圍內(nèi)的起始角度和結(jié)束角度，（°）；

cL1，cL2——楔塊和待檢接頭中的聲速，m/s。

試塊的材料和規(guī)格與待檢接頭相同，通過熱熔對(duì)接焊接方式制作，并在代表性缺陷位置處設(shè)置典型焊接缺陷。

（2）檢測(cè)程序。

熱熔接頭的檢測(cè)步驟，首先根據(jù)待測(cè)管道壁厚選擇探頭和楔塊，并調(diào)節(jié)靈敏度；然后標(biāo)記起始位置和掃查方法；最后掃查熱熔接頭。為保證全面檢測(cè)接頭的焊縫區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)至少被兩個(gè)方向的聲束覆蓋。扇掃描的掃查角度范圍根據(jù)待測(cè)焊縫區(qū)域設(shè)置，一般為楔塊入射角的±15°。檢測(cè)中還需注意，探頭前沿應(yīng)該靠緊卷邊邊緣，以減小聲程；掃查起止位置和分段掃查的重疊范圍至少為20 mm。

（3）檢測(cè)結(jié)果。

熱熔接頭中常見四類缺陷，分別為裂紋缺陷、孔洞缺陷、熔合面夾雜和工藝缺陷。裂紋缺陷是環(huán)境條件或應(yīng)力影響而在熔合面局部區(qū)域形成縫隙；孔洞缺陷是母材顆粒雜質(zhì)、水分或縮孔而形成的接頭內(nèi)部孔穴或氣泡；熔合面夾雜是熔合面上存在外來夾雜物造成熔合面粘結(jié)不牢而形成的缺陷；工藝缺陷是焊接工藝參數(shù)或操作不當(dāng)而引起不對(duì)中、冷焊等缺陷。

2 城市燃?xì)饩垡蚁┕艿赖臋z測(cè)應(yīng)用

2.1 工程概況

因燃?xì)馔?、市政或第三方施工等要求，深圳燃?xì)鈱?shí)施新燃?xì)夤苈返姆笤O(shè)工程和已有燃?xì)夤艿赖母牡拦こ?。?jīng)統(tǒng)計(jì)，本次共檢測(cè)2個(gè)新燃?xì)夤苈返姆笤O(shè)工程和8個(gè)已有燃?xì)夤艿赖母牡拦こ獭Ｐ氯細(xì)夤苈贩笤O(shè)工程中，大口徑的聚乙烯管道先進(jìn)行熱熔焊接，再敷設(shè)于地下，然后用電熔焊接連接固定的管段；燃?xì)夤艿栏牡拦こ讨?，已埋地燃?xì)夤艿涝谇袛嗪笾匦码娙酆附印?0個(gè)檢測(cè)工程包含了56個(gè)電熔接頭和54個(gè)熱熔接頭，具體檢測(cè)接頭的類型與數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖1所示。電熔接頭的類型包含直通、彎管、異徑、管帽和鞍形旁通。其中，2個(gè)異徑接頭分別為D160/90 mm的電熔直通變徑接頭和D63/32 mm電熔直通異徑接頭。

圖1 檢測(cè)接頭的類型與數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2.2 檢測(cè)方案

在焊接完成后，待檢接頭自然冷卻2 h，直到接頭表面溫度恢復(fù)到常溫，清理接頭表面，然后進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)，燃?xì)夤艿缹?shí)地檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖2。

圖2 燃?xì)夤艿缹?shí)地檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

2.2.1 電熔接頭檢測(cè)方案

電熔接頭的檢測(cè)方案中，根據(jù)GB/T 29461—2012對(duì)不同公稱直徑的待檢接頭制定檢測(cè)方案，具體參數(shù)如表1所示。具體儀器參數(shù)設(shè)置及其依據(jù)參考文獻(xiàn)［16］。

表1 電熔接頭檢測(cè)方案

電熔接頭樣本中，大部分待檢接頭的公稱直徑為63～250 mm，管件厚度為12～28 mm，探頭頻率選擇5 MHz。其中，公稱直徑為63 mm和90 mm的電熔接頭焊接區(qū)域長(zhǎng)度較短，選擇32個(gè)陣元的相控陣探頭進(jìn)行線掃描；公稱直徑為110～250 mm的電熔接頭焊接區(qū)域較長(zhǎng)，選擇64個(gè)陣元的相控陣探頭進(jìn)行線掃描。樣本中最小的公稱直徑為32 mm，電熔管件厚度為7 mm，選擇7.5 MHz的探頭；電熔接頭的焊接區(qū)域長(zhǎng)度較短，選用16個(gè)陣元的相控陣探頭進(jìn)行線掃描。樣本中最大的公稱直徑為315 mm，該管件的壁厚大于25 mm，按標(biāo)準(zhǔn)選擇2 MHz的探頭頻率；但檢測(cè)區(qū)域的長(zhǎng)度過大，且接頭表面有明顯凹凸和彎曲情況，選擇32個(gè)陣元的相控陣探頭進(jìn)行扇掃描檢測(cè)。

2.2.2 熱熔接頭檢測(cè)方案

熱熔接頭的檢測(cè)方案中，對(duì)不同公稱直徑的待檢接頭制定檢測(cè)方案，具體參數(shù)如表2所示。具體儀器參數(shù)設(shè)置及其依據(jù)參考文獻(xiàn)［17］。公稱直徑為200 mm的待檢接頭，其管材的尺寸比為13.6、厚度為18.4 mm，選擇頻率為4 MHz、陣元數(shù)為16的探頭和型號(hào)為8N60L的楔塊進(jìn)行扇掃描檢測(cè)。根據(jù)公式（1），陣元數(shù)16、陣元寬度0.45 mm和陣元間隙0.05 mm，求得主動(dòng)孔徑為7.95 mm，滿足當(dāng)前厚度聚乙烯管材的穿透要求。由于聚苯乙烯的聲速和聲阻抗與聚乙烯相近，且聚苯乙烯的材質(zhì)較硬，可用于固定尺寸和角度的楔塊制作，因此選用聚苯乙烯作為楔塊材料；為了保證楔塊的軸向外徑大于待檢接頭的公稱直徑，楔塊的軸向外徑為320 mm；在保障掃查區(qū)域覆蓋接頭焊縫區(qū)域的前提下，為提高焊縫區(qū)域一次回波的覆蓋比例，本方案設(shè)定掃查角度范圍為40°～80°，即接頭所需折射角度分別為40°和80°，聚乙烯的縱波聲速在2 350 m/s左右，聚苯乙烯的縱波聲速約為2 360 m/s，根據(jù)公式（2）計(jì)算得楔塊入射角度為60.85°，為便于楔塊加工，取入射角度為60°。實(shí)際檢測(cè)中，擴(kuò)大掃查角度范圍以顯示更完整的接頭二次回波圖像，掃查角度實(shí)際為30°～80°。

表2 熱熔接頭檢測(cè)方案

圖3 工藝驗(yàn)證試塊

圖4 工藝驗(yàn)證結(jié)果

公稱直徑為315 mm的待檢接頭，其管材的尺寸比為17、厚度為18.7 mm，通過工藝驗(yàn)證，選擇相同檢測(cè)方案進(jìn)行檢測(cè)。上述檢測(cè)方案進(jìn)行工藝驗(yàn)證，試塊由公稱直徑為315 mm的熱熔接頭切割而成，并于熔合界面處設(shè)置4個(gè)直通孔作為孔洞缺陷，如圖3所示；驗(yàn)證結(jié)果存在清晰且明顯的4個(gè)孔洞缺陷反射信號(hào)和下方的卷邊信號(hào)，如圖4所示。因此，上述檢測(cè)方案滿足公稱直徑為315 mm待檢接頭的檢測(cè)要求。2.3 檢測(cè)結(jié)果

2.3.1 電熔接頭檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)GB/T 29461—2012中的超聲圖譜和GB/T 29460—2012中缺陷的表征，電熔接頭檢測(cè)樣本中存在正常電熔接頭和含電阻絲錯(cuò)位、孔洞、熔合面缺陷、過焊或冷焊缺陷的電熔接頭。其中，正常電熔接頭的檢測(cè)圖如圖5所示，圖中電阻絲均勻排布，電阻絲下方帶有明顯逐漸衰弱的拖尾現(xiàn)象；特征線的反射信號(hào)明顯，且特征線與電阻絲間距合理；拖尾現(xiàn)象下方存在管壁的反射信號(hào)。

圖5 正常電熔接頭檢測(cè)圖

含電阻絲錯(cuò)位、孔洞、熔合面缺陷、過焊或冷 焊缺陷的電熔接頭檢測(cè)圖如圖6所示。

圖6 含缺陷電熔接頭檢測(cè)圖

電阻絲錯(cuò)位的檢測(cè)圖如圖6（a）所示，第2根與第3根電阻絲的水平間距為2.5 mm，第4根與第5根電阻絲的正常水平間距為1.2 mm，電阻絲在水平方向上發(fā)生了位移?？锥吹臋z測(cè)圖如圖6（b）所示，第4根電阻絲旁邊存在一個(gè)無拖尾的反射信號(hào)，且該信號(hào)使第4根電阻絲的拖尾現(xiàn)象消失，電阻絲附近存在孔洞。熔合面缺陷的檢測(cè)圖如圖6（c）所示，電阻絲下方出現(xiàn)明顯反射信號(hào)，特征線與電阻絲接近，熔合界面未熔合。過焊的檢測(cè)圖如圖6（d）所示，存在孔洞缺陷和電阻絲錯(cuò)位，熔區(qū)材料發(fā)生裂解，可以看出，第5根與第6根電阻絲中間存在無拖尾的反射信號(hào)，且該信號(hào)使第6根電阻絲的拖尾現(xiàn)象消失，電阻絲附近存在孔洞；第4根與第5根電阻絲的水平間距為4.54 mm，第6根和第7根電阻絲的水平間距為2.23 mm。冷焊缺陷的檢測(cè)圖如圖6（e）所示，特征線與電阻絲的間距L′=1.85 mm，正常焊接相同型號(hào)電熔接頭的電阻絲間距平均值L=2.6 mm，焊接界面已經(jīng)熔合，但是強(qiáng)度不足。根據(jù)GB/T 29460—2012中冷焊程度計(jì)算公式（見式（3））計(jì)算得冷焊程度H=28.8%，小于30%，該冷焊缺陷為可以接受缺陷。

2.3.2 熱熔接頭檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)熱熔接頭在超聲相控陣檢測(cè)中的成像規(guī)律，熱熔接頭檢測(cè)樣本中存在正常熱熔接頭和含疑似孔洞、裂紋或熔合面夾雜缺陷的熱熔接頭。正常的熱熔接頭檢測(cè)圖如圖7所示，深度19 mm處存在明顯的卷邊信號(hào)，且卷邊上方的焊縫檢測(cè)區(qū)域中無其他明顯反射信號(hào)。

圖7 正常熱熔接頭檢測(cè)圖

圖8 含缺陷熱熔接頭檢測(cè)圖

疑似孔洞、裂紋和熔合面夾雜缺陷的熱熔接頭檢測(cè)圖如圖8所示?？锥慈毕輽z測(cè)圖如圖8（a）所示，焊縫檢測(cè)區(qū)域中存在一個(gè)明顯的反射信號(hào)且邊緣較為圓潤(rùn)，接頭內(nèi)部疑似存在孔洞。裂紋的檢測(cè)圖如圖8（b）所示，焊縫檢測(cè)區(qū)域中存在兩個(gè)明顯的反射信號(hào)且在同一垂直線上，位于上方的反射信號(hào)強(qiáng)度高于下方的反射信號(hào)，熔合面局部區(qū)域疑似存在縫隙。熔合面夾雜缺陷如圖8（c）所示，焊縫檢測(cè)區(qū)域內(nèi)存在較弱的反射信號(hào)，且其邊緣較為模糊，熔合面上疑似存在外來夾雜物。

3 分析與討論

3.1 燃?xì)夤艿廊毕萸闆r

操作人員預(yù)先被告知所焊接接頭將進(jìn)行無損檢測(cè)，且現(xiàn)場(chǎng)使用的焊機(jī)具有焊接時(shí)間記錄與報(bào)警功能，因此，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)了現(xiàn)有聚乙烯燃?xì)夤艿垒^好的焊接質(zhì)量水平。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)56個(gè)電熔接頭和54個(gè)熱熔接頭按不同公稱直徑、缺陷類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.1.1 電熔接頭缺陷情況

電熔接頭樣本中共存在35個(gè)含缺陷的電熔接頭，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示（圖中，不同公稱直徑含缺陷接頭的概率如點(diǎn)線圖所示，相同公稱直徑中含有不同缺陷的接頭數(shù)量如柱狀圖所示）。由圖9可以看出，公稱直徑較大的電熔接頭、缺陷出現(xiàn)概率較大。其中，2個(gè)公稱直徑為90 mm的彎頭電熔接頭未出現(xiàn)任何缺陷；1個(gè)公稱直徑為250 mm的直通電熔接頭，同時(shí)出現(xiàn)電阻絲錯(cuò)位和孔洞缺陷。不同缺陷類型中，電阻絲錯(cuò)位、孔洞缺陷和過焊缺陷出現(xiàn)的概率較高，熔合面缺陷出現(xiàn)的概率較低。樣本中共存在23個(gè)含電阻絲錯(cuò)位缺陷的電熔接頭，概率為41.1%；24個(gè)含孔洞缺陷的電熔接頭，概率為42.9%；14個(gè)含過焊缺陷的電熔接頭，其概率為25.0%；1個(gè)含熔合面缺陷的電熔接頭，概率為1.8%；1個(gè)冷焊缺陷的電熔接頭，概率為1.8%。

圖9 電熔接頭的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖10 不可接受缺陷的檢測(cè)圖像

根據(jù)GB/T 29460—2012，含缺陷電熔接頭通過安全評(píng)價(jià)得出共存在4個(gè)含有不可接受缺陷的電熔接頭，危險(xiǎn)缺陷概率為7.1%。4個(gè)缺陷分別為1個(gè)電阻絲錯(cuò)位、2個(gè)孔洞和1個(gè)熔合面缺陷。含不可接受電阻絲錯(cuò)位的直通電熔接頭，第1根電阻絲與第2根電阻絲相互接觸，如圖10（a）所示；含不可接受孔洞的直通電熔接頭，第5～7根電阻絲之間存在長(zhǎng)度為6.70 mm的單個(gè)孔洞，該孔洞長(zhǎng)度大于熔合區(qū)長(zhǎng)度的10%，如圖10（b）所示；另一個(gè)含不可接受孔洞的直通電熔接頭，第2～4根電阻絲之間存在長(zhǎng)度為6.93 mm的孔洞，孔洞長(zhǎng)度大于熔合區(qū)長(zhǎng)度的10%，如圖10（c）所示。其中，上述2個(gè)含不可接受孔洞的電熔接頭熔合區(qū)長(zhǎng)度都為40 mm。含不可接受熔合面缺陷的直通電熔接頭，電阻絲下方全部為未熔合信號(hào)，熔合面完好區(qū)域的長(zhǎng)度為零，小于GB 15558.2—2016中規(guī)定熔合區(qū)的標(biāo)稱長(zhǎng)度，如圖10（d）所示。此熔合面缺陷是焊接時(shí)間過短造成的未熔合，現(xiàn)場(chǎng)檢出后進(jìn)行重新焊接，修復(fù)了該熔合面缺陷。

3.1.2 熱熔接頭缺陷情況

熱熔接頭樣本中共存在10個(gè)含缺陷的熱熔接頭，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示（圖中，不同公稱直徑含缺陷接頭的概率如點(diǎn)線圖所示，相同公稱直徑中含有不同類型缺陷的接頭數(shù)量如柱狀圖所示）。公稱直徑較大的熱熔接頭缺陷出現(xiàn)概率較大。公稱直徑為200 mm熱熔接頭的缺陷出現(xiàn)概率為13.3%；公稱直徑為315 mm熱熔接頭的缺陷出現(xiàn)概率為20.5%。不同缺陷類型中，孔洞和熔合面夾雜缺陷出現(xiàn)的概率較高，裂紋缺陷出現(xiàn)的概率較低。樣本中，含孔洞缺陷的熱熔接頭共存在4個(gè)，含夾雜缺陷的熱熔接頭共存在5個(gè)，含裂紋缺陷的熱熔接頭僅存在1個(gè)。

圖11 熱熔接頭缺陷概率統(tǒng)計(jì)

3.2 焊接缺陷的產(chǎn)生原因

焊接過程中，人員操作、焊接機(jī)器、管材管件、焊接工藝和焊接環(huán)境等因素容易導(dǎo)致焊接接頭處出現(xiàn)缺陷。

電熔接頭樣本中，由于電熔焊接主要應(yīng)用于燃?xì)飧牡拦こ?，埋地管道被切割后存在預(yù)彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致重新接上的管材在彎曲段焊接，造成管件和管材之間局部配合間隙過大或過小。管道預(yù)彎曲應(yīng)力或者焊接時(shí)間過長(zhǎng)將導(dǎo)致電阻絲錯(cuò)位缺陷；焊接接頭的焊接熱量不足或管件與管材的間隙過大將導(dǎo)致冷焊缺陷或熔合面缺陷；焊接時(shí)間過長(zhǎng)將導(dǎo)致孔洞或過焊缺陷。檢測(cè)結(jié)果中冷焊缺陷和熔合面缺陷出現(xiàn)較少，主要由于焊接程序的嚴(yán)格控制、焊機(jī)的報(bào)警反饋功能和預(yù)設(shè)的焊接時(shí)間為合適焊接時(shí)間范圍中的較高值［18］。

熱熔接頭樣本中，由于熱熔接頭主要應(yīng)用于主管網(wǎng)的管路新建工程，管材公稱直徑和壁厚較大，而壁厚較大將導(dǎo)致冷卻時(shí)管壁各處散熱速度不一致，從而造成對(duì)接面出現(xiàn)縮孔，并且熱熔焊接的焊接環(huán)境較為雜亂，泥土、水、油污等微小顆粒可能附著在管件端面。較大的縮孔將形成孔洞缺陷；管件端面不平整和未完全冷卻便卸除夾具都可能導(dǎo)致裂紋缺陷的產(chǎn)生；管件端面不潔凈將導(dǎo)致熔合面夾雜缺陷。

4 總結(jié)與建議

本文對(duì)深圳市10個(gè)燃?xì)夤艿拦こ痰木垡蚁┕艿肋M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)不停氣檢測(cè)，檢測(cè)出電熔與熱熔接頭的各類焊接缺陷，排查了聚乙烯燃?xì)夤芫W(wǎng)中存在的安全隱患。本次對(duì)在役城市燃?xì)饩垡蚁┕艿赖臒o損檢測(cè)與安全評(píng)定可為聚乙烯管道無損安全評(píng)價(jià)的進(jìn)一步推廣提供示范。

4.1 總結(jié)

（1）超聲相控陣檢測(cè)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法已經(jīng)成熟，可實(shí)現(xiàn)公稱直徑為32～315 mm聚乙烯燃?xì)夤艿赖默F(xiàn)場(chǎng)不停氣檢測(cè)，檢測(cè)精度和靈敏度均可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）10個(gè)聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ痰臋z測(cè)數(shù)據(jù)顯示，電熔接頭中不可接受缺陷的概率為7.1%，熱熔接頭的缺陷出現(xiàn)概率為18.5%。從管徑分布上分析，聚乙烯管道的公稱直徑越大，焊接接頭出現(xiàn)缺陷的概率越高。

（3）電熔接頭檢測(cè)出電阻絲錯(cuò)位、孔洞、熔合面缺陷、過焊和冷焊缺陷，其中電阻絲錯(cuò)位、孔洞和過焊缺陷為常見缺陷；熱熔接頭檢測(cè)出孔洞、裂紋和熔合面夾雜缺陷，其中孔洞和熔合面夾雜缺陷為常見缺陷。

4.2 建議

（1）含缺陷聚乙烯燃?xì)夤艿澜宇^大多能滿足燃?xì)夤こ痰尿?yàn)收要求，但缺陷可能在使用過程中發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致燃?xì)夤艿佬孤?。建議將聚乙烯燃?xì)夤艿赖臒o損檢測(cè)納入施工驗(yàn)收規(guī)范中。

（2）電熔焊接工藝雖然強(qiáng)度和自動(dòng)化程度高，但不同管件生產(chǎn)廠家的熔區(qū)長(zhǎng)度、焊接電阻、焊接時(shí)間各不相同，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度低，出現(xiàn)焊接缺陷的概率高。建議全面地對(duì)相關(guān)規(guī)格產(chǎn)品的焊接工藝、焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與驗(yàn)證。

（3）建議加快聚乙烯管道熱熔接頭的無損檢測(cè)與安全評(píng)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。