聚乙烯管道焊接接头的超声波检测

摘 要

摘要：介绍了聚乙烯管道热熔焊接和电熔焊接的原理、焊接接头的检测方法，探讨了聚乙烯管道焊接接头的超声波检测，介绍了聚乙烯管道接头失效基础数据库系统。关键词：聚乙烯管道；热熔
摘要：介绍了聚乙烯管道热熔焊接和电熔焊接的原理、焊接接头的检测方法，探讨了聚乙烯管道焊接接头的超声波检测，介绍了聚乙烯管道接头失效基础数据库系统。
关键词：聚乙烯管道；热熔焊接；电熔焊接；超声波检测；焊接接头
Ultrasonic Detection of Welding Joint of Polyethylene Pipe
XU Jiayi，WANG Li
Abstract：The electro-fusion welding and heat-fusion welding principles of polyethylene pipe and detection method of welded joint are introduced.The uhrasonie detection of welded joint of polyethylene pipe is discussed.The time.based database system for joint failure of polyethylene pipe is introduced.
Key words：polyethylene pipe；heat-fusion welding；electro-fusion weldingg； uhrasonie detection；welded joint
1 概述
    聚乙烯管道凭借其耐腐蚀性、密封性好、高韧性、重量轻、使用寿命长等优点在燃气行业得到了越来越多的应用。聚乙烯管道系统的可靠性是燃气安全供应的有力保障，而管道接头是聚乙烯管道系统中最薄弱的环节，因为在接头焊接过程中，常因操作不当或操作环境恶劣产生各种缺陷，影响管道的安全使用[1]。因此，对聚乙烯管道接头进行缺陷检测非常必要。
2 聚乙烯管道焊接方式与接头检测
    聚乙烯管道的焊接方式主要有热熔焊接和电熔焊接。热熔焊接基本原理是将两根聚乙烯管道的端面紧贴于加热工具上，加热端面直至熔融，撤掉加热工具后，将两个熔融的端面紧靠在一起，在压力的作用下保持到接头冷却，使之成为一个整体。热熔焊接常见缺陷形式有熔合面缺陷、孔洞、裂纹、工艺缺陷等。
    电熔焊接基本原理是将高阻值的金属丝预先埋入电熔管件塑料套管内壁，插接好后，通入电流，金属丝发热使其周围的塑料升温熔化并彼此融合，冷却后成为一个整体[2]。电熔焊接的突出优点是质量可靠、施工效率高。因为电熔管件的制造技术要求较高，成本较高，早期主要应用在直径较小的燃气管道系统。近年来随着技术的进步，电熔焊接的应用日益广泛。电熔焊接常见缺陷形式有夹杂、孔洞、金属丝错位、冷焊等。
    常见的焊接接头检测方法有目视检测、破坏性试验和超声波检测。目视检测只能看到表面缺陷，不能直接观察到接头的内部缺陷，检测不可靠；破坏性试验是一种抽样检测方法，无法针对特定接头进行检测；相对而言，超声波检测是目前最为有效的检测方法，尤其是近几年，以浙江大学郑津洋教授为代表的一些学者，在传统超声波检测的基础上进行了大量研究，取得了新的进展。
3 热熔焊接接头的超声波检测
    文献[3]指出，在对热熔焊接接头做探伤的各种超声波检测方法中，可采用振幅捕捉法和回波脉冲法。振幅捕捉法是用两个不同的探针，一个作为传输器，另一个作为接收器，信号由传输器发出，通过潜在的缺陷带到达接收器。记录传输信号的振幅，振幅减小表示焊接存在不完整性。回波脉冲法通常只有一个探针，同时作为传输器和接收器，记录反射信号是否出现，若出现则表明某处存在缺陷；再记录反射信号的消失时间，用于确定试样缺陷的位置。这两种技术对焊接表面含有沙粒和油脂的试样进行检测时，都得到了令人满意的结果。衍射消失时间技术(TOFD)也是一种超声波技术，它记录的是脉冲在不连续尖端的衍射图形，因此特别适用于裂纹、缺焊及对于扫描平面的一般垂直缺陷的检测。衍射消失时间技术能鉴别出常规超声波技术检测不到的冷焊。
    南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室的于润桥等[4]测量了聚乙烯管道的纵横波声速及热熔焊缝声衰减系数，确定了聚乙烯管道的声学性能。采用小波域去噪理论去除噪声，提高了检测回波的信噪比。试验表明，超声波检测方法适用于聚乙烯管道热熔焊缝的焊接质量检测。
    2008年，郑津洋教授等首次提出了聚乙烯管道热熔对接接头耦合聚焦超声波检测方法及检测装置，并获得了发明专利。该检测方法和装置具有灵敏度高、检测精度高、可靠性高、检测效率较高、操作失误率低等特点。检测方法为：①使耦合剂液体定位在管道接头熔合区外表面；②采用球形曲晶片的超声波探头浸没在耦合剂液体中，使焦点定位于管道接头熔合区的中线；⑧超声波探头沿着管道直径方向进行直线扫查运动以及沿着管道圆周方向进行匀速扫查运动；获得的信号数据由计算机处理后形成C扫描图像。超声波检测装置包括：耦合盛装装置、采用球形曲晶片的超声波探头、机械扫查装置、信号处理与控制系统和计算机[5]。
4 电熔焊接接头的超声波检测
    美国McElroy.Mfg公司使用传统的A扫描方法只能检测出接头中的一些夹杂物，日本Osaka Gas公司使用传统的B扫描方法也没能取得很好的检测效果，英国焊接学会(TWI)曾采用超声波相控阵方法开发出可以对电熔接头缺陷进行检测并判断焊接过程是否正确的设备[6]。我国近几年也有一些学者对电熔焊接接头的超声波检测进行了研究。
    ① 中国特种设备检测研究院等单位对电熔焊接接头焊接质量的无损检测方法进行了试验研究。研究成果表明：对电熔焊接接头采用超声波相控阵动态聚焦并结合B扫描成像技术，能够对焊接接头的质量进行检测，对缺陷进行定位。通过试验和剖开验证表明：研制的超声波相控阵探头对聚乙烯电熔接头进行检测的壁厚范围是6～30mm，融合面缺陷的定量与定位精度达0.5mm，孔洞和气泡的定量与定位精度达1.0mm，金属丝错位的定位精度达0.5mm，能够满足工程技术上的需要[7]。
    ② 冷焊被认为是聚乙烯管道接头最危险的缺陷之一，也是现有无损检测方法难以发现的一类缺陷。冷焊缺陷产生的原因是焊接热输入不够，导致聚乙烯管道连接强度不能达到预期的要求。
    郑津洋等[8]在电熔焊接接头检测中首次发现聚乙烯电熔接头内部存在一条由微小气泡造成的特征线，该特征线位置会随焊接条件的改变而规律地改变。在恒定功率条件下，特征线与电阻丝之间的距离与加热时间成近似的线性关系；对同一材料和规格的聚乙烯电熔接头，在一定的焊接工艺条件下(焊接时间、输入功率、焊接初始温度)，特征线与电阻丝间的距离为某一定值，因此可以采用特征线与电阻丝间的距离来间接表征冷焊程度，当它们的距离小于正常距离时为冷焊。在此基础上，提出一种全新的冷焊缺陷超声波检测方法，即先利用相控阵超声波检测系统测量特征线和电阻丝间的距离，再利用经验公式评估冷焊程度。经验公式为：
 
式中H——冷焊程度
    d——冷焊时特征线与电阻丝的距离，mm
    d0——正常焊接时特征线与电阻丝的距离，
    利用式(1)对焊接接头冷焊程度进行评定，其精度均在5%之内，可满足工程上焊接接头的检测要求。该方法原创性地提出了高精度的冷焊缺陷检测方法，解决了冷焊缺陷检测和评定的国际难题，提高了我国城市燃气管道的安全保障能力。
5 聚乙烯管道接头失效基础数据库
    郑津洋等[8]研究得到的超声波检测方法要求检测人员具备聚乙烯管道焊接接头缺陷和超声波检测的相关知识，对检测人员要求较高。为便于实际应用，降低对检测人员专业知识要求，且能准确检测出缺陷类型、危险性及对应的力学性能，王非等[1]采用VB和SQL Server软件开发了聚乙烯管道接头失效基础数据库系统，供相关研究人员、工程检验人员及焊工培训师等使用。该数据库可实现对含缺陷聚乙烯电熔与热熔接头的缺陷类型、外观特征及对应的超声波图谱的组织管理、查询及浏览等功能。
    该数据库系统的使用方法为：通过超声波相控阵聚焦技术和耦合聚焦技术对电熔和热熔接头焊接界面的缺陷情况进行检测，并分别通过B扫描和C扫描成像技术实时成像。将得到的超声波图谱与数据库中已存储的各类缺陷的超声波图谱进行对比，即可确定缺陷类型，同时可推知该接头的拉伸性能、爆破性能、剥离性能等，从而确定接头的危险程度。
    该数据库可以为聚乙烯管道接头无损检测人员快速准确地检测、识别电熔及热熔接头中的缺陷特征，判断缺陷类型及其危害性提供帮助。
参考文献：
[1] 王非，李广忠，邵汉增，等.聚乙烯管道接头超声波检测基础数据库软件开发[J].中国塑料，2010，24(6)：86-90.
[2] 阳代军，霍立兴，张玉凤.塑料压力管道的焊接方法及其发展动向[J].中国塑料，2001，15(3)：16-20.
[3] 李玉娥，魏若奇，者东梅.聚乙烯管材热熔对接焊性能评价方法进展[J].化学建材，2005，21(6)：16-19.
[4] 于润桥，徐长英，罗水云，等.PE管超声波检测试验[J].无损检测，2008，30(2)：112-114.
[5] 郑津洋，丁守宝，郭伟灿，等.聚乙烯管道热熔对接接头耦合聚焦超声波检测方法及检测装置：中国，200810121786.7[P].2009-03-25.
[6] 王卉，郑津洋，郭伟灿，等.聚乙烯管道电熔焊接接头的超声波检测[J].压力容器，2007，24(5)：45-49.
[7] 石秀山，何仁洋，任峰，等.埋地聚乙烯管道安全检验关键技术及工程应用[J].管道技术与设备，2011(1)：23-25.
[8] 郑津洋，郭伟灿，施建峰，等.聚乙烯电熔接头冷焊缺陷的超声波检测方法[J].焊接学报，2008，29(9)：1-4.
 
 
    (本文作者：徐家怡 王丽 天津市燃气集团有限公司市场开发部 天津 300010)