考慮聲衰減聚乙烯熱熔接頭典型缺陷相控陣檢測

趙星波 郭 濤 黃 炯 李澤煒

（1. 紹興市特種設備檢測院，浙江 紹興 312071；2. 紹興市特種設備智能檢測與評價重點實驗室，浙江 紹興 312071）

0 引言

燃氣用聚乙烯管道因耐腐蝕，在市政公用事業中大量應用。聚乙烯（polyethylene，PE）管道在中低壓管網建設的使用比例超過65%，一旦發生事故，社會影響面大，經濟損失嚴重，如吉林松原“7.4”燃氣管道爆炸事故、福建長樂“1.16”燃氣管道泄漏爆炸事故等。如何有效檢出熱熔接頭的典型缺陷，保障聚乙烯管的熔接質量，一直是行業的熱點難題[1]。聚乙烯熱熔接頭的檢測方法主要有射線檢測、紅外檢測、微波檢測、超聲波相控陣檢測等[2,3]，超聲波相控陣檢測技術因高分辨力和靈敏度，應用較為廣泛[4-6]。但是聚乙烯材質具有聲衰減和聲頻散特性，信號畸變嚴重，檢測信噪比低[7-10]，加上人工制作缺陷與檢測實際有較大差距，仍然需要繼續改進研究。

1 國家及相關標準要求

我國通過國家標準和各類團體標準進一步規范熱熔接頭的超聲相控陣檢測要求，如GB/T 38942-2020《壓力管道規范 公用管道》標準7.2.3.3.3塑料管道無損檢測應符合下列規定：（b）除設計文件另有規定外，現場電熔焊接和熱熔焊接的管道及管路附件焊接處宜進行100%相控陣超聲波檢測，當進行焊接前工藝評定或焊口檢測結果出現爭議時，參照TSGD2002規定的破壞性檢驗與試驗方法進行試驗驗證；（c）城鎮燃氣和供熱中使用的聚乙烯塑料管道中，公稱尺寸為DN40～D400的電熔焊接接頭和公稱尺寸為DN75～DN400的熱熔對接焊接接頭可進行相控陣超聲波檢測。其他規格聚乙烯管道和其他類型塑料管道焊接接頭的相控陣超聲無損檢測技術可參照實施。

T/CASEI 006-2022《在役聚乙烯管道檢驗與評價》8.4.3中指出，對開挖處的焊接接頭進行外觀檢查，必要時進行無損檢測，電熔接頭超聲檢測按照NB/T 47013.15附錄A進行，熱熔接頭的超聲相控陣檢測參照本文件附錄E《聚乙烯燃氣管道熱熔接頭相控陣超聲檢測方法》和附錄G《熱熔接頭相控陣檢測特征圖譜》進行。

2 現有檢測體系存在的問題

2.1 關于熱熔接頭的缺陷種類劃分不夠統一

金屬焊接的過程是先將母材進行坡口加工，施焊前將被焊工件組對并留有間隙，通過電弧加熱等方式，坡口區域及填充材料快速加熱熔化并快速結晶凝固，本質上是金屬被加熱、熔化、冷卻的過程，即固態→液態→固態。金屬焊接接頭中存在的缺陷按性質分為裂紋、未熔合、未焊透、條形缺陷和圓形缺陷五類。聚乙烯管是高分子聚合物，熱熔熔接是利用熱塑性塑料隨溫度變化而呈現不同的物態變化，即由固態→粘流態→固態，兩種工藝過程不盡相同，進而兩者工藝過程產生的缺陷種類也不同[11]。

（1）金屬焊縫中有熱裂紋和冷裂紋，而PE管材料是高分子聚合物，具有很強的塑性和彈性，不具備產生裂紋的條件；

（2）金屬焊縫中未焊透是產生于鈍邊間隙中，PE管熱熔接頭不存在鈍邊和鈍邊間隙，因此不可能產生像金屬焊縫中的未焊透；

（3）金屬焊縫中的夾渣（即標準中的條形缺陷和圓形缺陷）是在焊接過程中，殘留在焊縫中的焊藥皮或焊劑形成的。PE管熔接過程中管端清理不干凈，或者在施工時移除加熱板的過程中有異物進入，確實會形成缺陷痕跡特征，稱之為夾雜更科學；

（4）金屬焊縫中有氣孔缺陷（即標準中條形缺陷和圓形缺陷的一種），而且經常以鏈狀、密集或單個狀態存在。PE管熱熔接頭是在一定壓力作用下成型的，即使有氣孔缺陷，也會在外力作用下被擠破，或者被擠出到翻邊位置。而內外翻邊基本上和管材僅僅是貼合在一起，對熔接接頭強度沒有實質性的影響；

（5）金屬焊縫中有未熔合缺陷，是焊材熔化后未與母材坡口面充分熔合在一起形成的(PE接頭沒有坡口)。PE管熱熔接頭中可能有類似缺陷，即在加熱完成后，管材處于熔融態，在熔接的過程中因為工藝參數執行不到位，造成管材的分子鏈沒有充分纏繞，導致接頭強度下降。業內定義為未充分熔合缺陷。金屬和PE管的缺陷種類劃分有一定的不同，歸納情況如表1所示。本文主要針對未熔合缺陷和夾雜缺陷進行模擬試樣檢測。

表1 金屬和PE缺陷種類對比

2.2 標準試塊的制作與實際檢測情況不符

對不存在未熔合缺陷（1#試樣），如圖1與存在嚴重程度不同的未充分熔合缺陷（2#試樣）熱熔接頭和母材進行透聲性能試驗，試驗方法如圖2所示，透聲試驗數據如表2所示。

圖1 1#試樣和2#試樣示意圖

圖2 PE接頭透聲試驗示意圖

表2 透聲試驗數據

試驗結論如下：

（1）有、無未充分熔合缺陷熱熔接頭聲衰減平均74dB與母材聲衰減65dB不同。而且熱熔接頭相對于母材聲衰減量更多，這是由于熱熔接頭在外部擠壓力作用下形成熔合區，擠壓力加大了熔合區的密度致使聲衰減量降低；

（2）有、無未充分熔合缺陷熱熔接頭的聲衰減沒有明顯差別（73.3～74.9dB）；

（3）PE熔接接頭中的未熔合缺陷是嚴重透聲的。

NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測第3部分：超聲檢測》指出，標準試塊是指與被檢件材料化學成分相似，聲學性能相同或相近，含有意義明確參考反射體的試塊，用以調節超聲檢測設備的靈敏度和聲程，以將所檢出的缺陷信號與已知反射體所產生的信號相比較，即用于檢測校準的試塊。一般采用不同形狀的參考反射體，常用參考反射體有長橫孔、短橫孔、橫通孔、平底孔、V 型槽、矩形槽和線切割槽。以GB/T 33488.4-2017《化工用塑料焊接制承壓設備檢驗方法 第4部分：超聲檢測》，如圖3垂直入射縱波檢測試塊和圖4斜入射縱波檢測試塊均采用橫通孔，T/CASEI 006-2022《在役聚乙烯管道檢驗與評價》中對比試塊，如圖5所示，采用平底孔，上述對比試塊上的橫通孔、平底孔等規則反射體全部是“不透聲”的，而PE熔接接頭中的未熔合缺陷是嚴重透聲的，即聲學性能完全不同，不符合超聲波的基本理論。因此在開展實際檢測時，應選擇透聲的試樣作為標準試樣。

圖3 垂直入射縱波檢測試塊

圖4 斜入射縱波檢測試塊

圖5 T/CASEI 006-2022校準試塊圖紙

3 解決方案

3.1 相控陣檢測原理

利用微型探頭陣列產生超聲波束，建立聚焦法則使電子裝置控制每個陣列單元的發射和接收時間，從而產生出多個超聲波束，通過控制陣列的激發和接收時間，控制波束角度、聚焦深度、聚焦尺寸等，實現工件的快速掃描成像[12]。通過設置聲束的折射角度、激勵晶片數量、晶片間距、楔塊情況、聚焦深度等，儀器計算出合理的延時規律來滿足相應檢測。

3.2 PE管聲衰減系數的測定

一般碳鋼聲衰減系數為0.01～0.03dB/mm, 相比PE管的超聲波傳播能量衰減更為嚴重，相比于縱波，橫波波長較短，穿透能量差，因此通常采用縱波對PE管進行檢測。選取自然缺陷試樣PE-1（圖6）和試樣PE-2（圖7）將直探頭放在PE管上，使聲波在上下表面來回反射，在示波屏上出現多次底波，由于厚度小，聲束尚未擴散，仍處于近場區，其材質衰減系數按照式（1）進行，經過測試計算，兩個試樣的聲衰減系數如表3所示。

圖6 PE-1試樣

圖7 PE-2試樣

圖8 PE-1相控陣檢測示意圖

表3 PE管熱熔試樣的聲衰減系數值

式中：m, n為底波的反射次數；

Bm, Bn為第m，n次底波高度；

δ為反射損失，每次反射損失約為（0.5～1.0）dB；

d為試樣的厚度。

3.3 PE自然缺陷試樣聲速測定

由于PE管為粘彈性材料，能量衰減大，不同方向上聲速測量有差異，且聲速測量值受探頭在試樣上的測量位置的影響。首先在模擬試樣（PE-1）上測量試件的厚度，如圖，試樣的聲速校準結果見圖9，以此類推，對PE-2進行聲速校準。

3.4 楔塊設計與優化

楔塊的材料一般應具有低聲速和低聲衰減的特性，曲率與管道表面形狀吻合盡量減少界面聲能損失。由于聚乙烯材料材質比較疏松，聲速在2300m/s左右，使用常規的超聲波相控陣聚苯烯材質楔塊聲速與檢測母材接近聲速在2330m/s，因此很難實現S掃偏轉，導致難以獲得滿意的物理偏轉角度、檢測出現盲區等相關問題。PE管道檢測用斜楔關鍵在于材料的選擇與聲束方向和擴散角的控制。楔塊的入射角度計算按式（2）計算[13]。

式中α為楔塊入射角度，（°）；

β1、β2為熱熔接頭檢測區域中所需要的折射角度，是掃查角度范圍內的起始角度和結束角度，（°）；

CL1、CL2為楔塊和待檢接頭中的聲速，m/s。

由于聚乙烯中橫波速度很小，衰減也很大，在常規角度入射時斜楔塊與聚乙烯界面上轉換的橫波聲能很小，可以忽略不計，因此設計采用縱波檢測。為了實現最佳的檢測效果，前后做了2種不同材質和不同結構的楔塊調整：

第一種楔塊設計采用水囊模式，如圖10所示，采用水作為聲束偏轉介質，水的聲速為1480m/s，小于聚乙烯的聲速，理論上可以獲得較好的偏轉角度。楔塊為中空結構，中間有凹槽兩端粘連著高彈性薄膜，使用時向楔塊內注水，并施加一定壓力壓縮薄膜以起到密封作用, 但水囊過于柔軟，材質過薄，在現場使用中穩定差，囊體易損，很難滿足現場的檢測。

第二種楔塊設計從楔塊材質方面加以優化，采用低聲速彈性凝膠體材料。通過聲速測定和靈敏度對比試驗，該材料可以替代水作為聲束偏轉介質，材質比柔性水囊要穩定，結構相對更簡單，耐磨性更強，解決第一種水囊楔塊在實驗過程中遇到的收到壓力情況下導致被檢工件底波不均勻的狀況，而且現場損壞率較高的問題得到解決。從楔塊機構方面加以優化，如圖11所示，第一種水囊楔塊為U型結構，在現場實驗的過程中由于該結構的密封性問題不能予以很好的解決，由于漏水的情況導致現場楔塊的中心高度一直無法固定，從而實驗無法穩定的進行，后期通過金屬包邊的方式來進行楔塊包裹，解決了第一種楔塊中心高度變化的問題。

圖11 改進后的楔塊

4 檢測試驗結果

4.1 PE-1試塊檢測結果

如圖12所示，中間標記的為缺陷顯示信號，上面的信號為探頭側內部卷邊信號反射，下面的信號反射為內卷邊探頭對側反射信號，由于聲速偏轉的角度不同，信號反射有強弱差異，偏轉角度與缺陷聲速方向垂直則信號強，反之則弱。

圖12 PE-1相控陣檢測圖譜

如圖13所示，可以看出未熔合缺陷信號顯示，圖譜右側沒有卷邊信號顯示，這是由于工件內部的卷邊被去除，可見相控陣對于PE材質的結構能夠清晰表征。并且將相控陣檢測結果和射線底片（如圖14所示）進行對比，內卷邊部位去除位置和相控陣結果基本一致。

圖13 時間模式記錄相控陣圖譜

圖14 未充分熔合缺陷射線檢測底片

4.2 PE-2試塊檢測結果

PE-2試件為夾雜缺陷，從相控陣圖譜上（如圖15所示）可以清晰顯示，從射線檢測反饋的結果看，有兩處夾雜缺陷（如圖16所示），兩者結論一致。

圖15 PE-2相控陣檢測圖譜

圖16 PE-2射線檢測圖譜

4.3 影響檢測效果的誤差分析

（1）根據不同的檢測厚度選用合理的探頭頻率，一般選用2.5～7.5M頻率范圍，厚壁的使用低頻探頭，薄壁使用高頻探頭，厚壁PE管可以考慮分層掃查；

（2）檢測面的耦合情況，對檢測效果影響較大，經過實驗驗證使用水耦合比使用機油要好很多，使用注水裝置持續水耦合可以有效的保證檢測效果；

（3）掃查裝置設計合理性對檢測結果現象較大，一般適應鏈式導軌，能夠有效保證探頭前沿與焊縫中心距離，保證圖譜的完整性和一致性；

（4）相控陣楔塊偏轉角度的合理設計，以及楔塊材質的選擇對于檢測結果有直接影響，在有效的聲速范圍內盡可能擴大角度偏轉范圍滿足覆蓋，楔塊材質需選用低聲速，透聲性好的材質，這兩個因素對于圖譜成像效果影響較大。

5 結語

（1）PE管制作與金屬工藝過程不同，缺陷種類也不同，PE熱熔接頭缺陷以未熔合和夾雜為主；

（2）慎重選擇PE超聲檢測標準試塊，標準試塊應盡可能選擇自然缺陷，具備透聲性質的材質屬性；

（3）超聲相控陣檢測方法對PE熱熔接頭缺陷檢測是有效的。但是應綜合考慮各種誤差因素，制定特殊的檢測工藝。