作者：王世波
作者单位：上海派普诺管道检测科技发展有限公司
摘要：由于乙烯聚合反应得到的聚乙烯（PE）是一种热塑性树脂，其抗冲击、抗开裂和耐蚀性等优点被广泛应用于承压类特种设备中的埋地中压天然气管道。目前，用于承受压力载荷的聚乙烯管道熔接方式为电熔焊接和热熔焊接，作为特种设备用途的聚乙烯管道对焊接工艺要求比较高，由于聚乙烯材料的物理声学性能和电熔焊接套筒内部金属构造的影响，常规超声波探伤技术很难检测出电熔接头内部的埋藏缺陷。超声相控阵检测技术不论是定量还是定性都能准确的检测出电熔接头内部的埋藏缺陷。
关键词：聚乙烯；特种设备；超声相控阵；电熔接头
一、引言
近年来，城乡建设的快速推进和经济的发展，同时对能源转型和环境整治的力度不断地提高,天然气作为当代的清洁能源被广泛用于国民生产和居民生活。城镇天然气在运输上基本以管道运输为主，聚乙烯管道具有造价低、挠性大、耐腐蚀、可熔焊等特点，慢慢取代传统钢质管道在城市管网中的应用。目前工作压力在0.1MPa≤P≤0.8MPa的新建天然气管道大部分以聚乙烯管道为主，在承压类特种设备中，聚乙烯管道的熔接方式为电熔焊接和热熔焊接。电熔焊焊接是一种自动焊的焊接形式，操作工艺简单，经济适用性大。受环境、焊接工艺和焊工水平等因素的影响，电熔焊接过程中熔合区部位往往会产生肉眼不可见的缺陷。由于输送介质载荷等影响，缺陷部位会产生应力集中，导致焊接接头是聚乙烯管道最为薄弱的地方，形成极大的安全隐患。采用超声相控阵检测方法对聚乙烯管道电熔焊接接头进行检测的优点在于检测速度快、环境无辐射、成本低、缺陷显示直观，是一种可以对电熔焊接缺陷进行有效检测的方法。
1.聚乙烯管道电熔接头缺陷及常规检测方法
1.1.聚乙烯管道电熔接头的缺陷类型
聚乙烯管道电熔焊接过程中，焊接接头形成的缺陷主要包括孔洞、夹杂、冷焊、过焊、电阻丝错位、管材承插不到位等。
·孔洞：位于电熔焊过程中熔融区域或相变界面的孔隙。孔洞缺陷分为单个孔洞和组合孔洞，是一种体积型缺陷，在定量上两者评级标准不同。孔洞形成的原因为焊接加热过程中严重过焊导致的材料过热汽化以及在焊接界面粘有水或潮湿杂质受热蒸发产生的气孔，同时冷却过程中散热不均而产生的材料收缩形成冷却缩孔。
·夹杂：该缺陷存在形式包含金属夹杂和非金属夹杂两种。缺陷形成原因可能是管件内壁与管材外壁在焊接前粘有杂质、管材外壁氧化皮未清理干净等。
·冷焊：管件和管材间的界面层分子扩散不到位，未能实现分子与分子之间的重新结合。缺陷形成原因是由于焊接热量过低造成的。
·金属丝错位：焊接过程中熔融区域内金属丝排列参之不齐，凝固后未能恢复原先的位置。形成原因是焊接热量过高，熔融区域材料流动性变大，金属丝受自身重力或随着熔融聚乙烯的流动发生位置变化，管件与管材配合过紧也会造成金属丝错位。
·过焊：焊接热量过高，相变区域过大，该缺陷通常会伴随着孔洞和金属错位同时存在。
·管材承插不到位：管材与套筒配合时，管材外壁未能完全覆盖套筒内壁的金属丝。
1.2.电熔接头常规检测方法及其局限性
电熔焊接接头常规的检测方法有目视检查、拉伸试验、耐压实验和常规超声探伤等。
目视检查只能通过观察孔查看熔融物溢出程度来预判焊接工艺是否合格，还有受检工件表面易见的缺陷，对于内部埋藏缺陷无法检测出来。
拉伸试验未能做到%的检测比例，这种以偏概全的方法并没有很强的说服力，而且在役的压力管道定期检验时无法满足这一检测条件。
耐压实验是通过打压后保压时间来判定焊接接头的质量，这种方法只能检测较大的缺陷和穿透性缺陷，对于非穿透性缺陷无法检测出来。
由于聚乙烯材料的特殊声学特性，常规超声探伤方法检测时超声波散射损失较大，加上套筒内部金属丝和聚乙烯声学特征差异造成的影响，常规超声探伤方法很难准确的检测出电熔接头的各类缺陷。
二、超声相控阵检测及结果分析
2.1.检测试块
2.1.1.对比试块
用于制作比试块的材料要和被检焊接接头材料声学性能相同或近似，且该材料内不得有大于或等于φ1mm平底孔当量的缺陷。
在DB31/T-给出了PE-Ⅰ和PE-Ⅱ两种对比试块，以PE-Ⅱ为例，该试块用于相控阵检测系统定位精度测试和时间增益（ACG）修正，由聚乙烯材料声学相似的材料制成。表面粗糙度应与被检工件相接近，检测面为平面，在以检测面为中心的R25半圆弧上均匀预埋35根φ1金属丝。如图1所示。
图1对比试块PE-Ⅱ
2.1.2.模拟试块
模拟试块是含缺陷的电熔接头，可以采用完好的焊接接头制造人工缺陷，试块的外观和几何尺寸应当和被检工件相同。
在DN（SDR11）的试块上加工一个1.1mm左右的孔洞缺陷进行阵检测，来验证超声波相控阵检测精度。
2.2.仪器和探头
试验使用的超声波相控阵型号为BAMBOO-E，该相控阵检测系统具有专业针对PE管道材料缺陷检测、适用于电熔、热熔焊接接头各种管道口径的模块化系统、编码定位扫查装置便于缺陷准确定位、在恶劣的现场环境下就能够进行操作的技术特点。
检测探头选用的是直探头，探头型号为5L-0.3*10，5代表探头发射超声波频率为5MHz、L表示线型阵元、为阵元个数、0.3代表每个阵元之间的间距为0.3mm、10表示阵元长度为10mm。仪器和探头外观如图2所示。
图2仪器探头和外观
2.3.耦合剂
耦合剂是用来实现探头与被检材料之间声能传递的一种介质，可以是粘稠状的液体，试验使用的耦合剂是由实验室专门配制而成，其声速与聚乙烯材料接近，声阻抗与聚乙烯材料相差不大，这样可以减少超声波的反射，声能损失就越小。探头与试块的耦合效果越好，可以减少超声波的折射，原点聚焦的效果越好。选用适当的耦合剂可以提高检测灵敏度。
2.4.检测结果及分析
检测试块为人工制造孔洞缺陷的模拟试块，试块实物图如图3所示。检测示意图如图4所示。模拟试块宏观剖面用钢尺测得水平轴向长度为1.1mm。
图3模拟试块宏观测量图
图4检测示意图
采用超声相控阵检测S扫描件成像技术测得缺陷模拟试块的成像图如图5所示。特征线是聚乙烯材料在焊接过程中材料发生相变区域的边界超声反射信号，焊接成型后是不可消失的，从检测图像中可以看出试块的特征线明显、电阻丝均匀排列、未有缺陷的地方底波信号连续。
当超声波遇到孔洞缺陷后，信号到达孔洞的地方便会反射到探头接收，此时缺陷的底波的信号会缺失或是非常微弱，导致底波的信号不连续。
图5相控阵检测成像图
超声相控阵测的孔洞的水平轴向长度为1.2mm，检测误差在9.09%左右，与宏观钢尺检测的误差较小，检测灵敏度极高，基本能够满足工程实际应用中的检测要求。
三、工程应用及效果评价
在对某燃气公司执行聚乙烯中压天然气管道全面检验的开挖坑检时，发现了两处孔洞型缺陷，超声相控阵检测成像如图6所示。
工程案例1
工程案例2
图6工程案例超声相控阵检测成像图
工程案例1中，该缺陷波反映出来的是单个孔洞缺陷，测得标称熔合区总长度L为40mm，缺陷在熔合面轴向方向尺寸X为3.3mm，且孔洞自身高度H小于壁厚的10%，X/Y的值为8.25%，质量评级为Ⅱ级。
工程案例2缺陷波反映的是组合孔洞缺陷，测得标称熔合区总长度L为45mm，缺陷在熔合面轴向方向尺寸X为18mm，X/Y的值为40%，质量评级为Ⅲ级。质量评级标准参照DB31T-进行，质量评级详情见表1。
表1孔洞缺陷的质量分级
在国标GB/T-里面已经明确规定，对于单个孔洞缺陷计算尺寸X/L＞10%和组合孔洞缺陷计算尺寸X/L＞20%的孔洞类型缺陷为不可接受的超标缺陷。
工程案例2中的缺陷已经明显不能满足压力管道的服役要求，需立刻对超标缺陷进行处理，告知使用单位后进行了切管重焊。对切下来的缺陷电熔焊接接头进行拉伸剥离试验，其脆性剥离百分比为45.03%＞33.3%，已不满足国标GB/T-的要求。含缺陷的电熔焊接接头剥离后的宏观剖面图见图7，可以明显的看出电阻丝旁边有大量的密集型组合孔洞缺陷，超声相控阵检测结果准确可靠。
图7工程案例2电熔接头拉伸剖面图
四、结语
近年来承压类特种设备安全事故越发频繁，聚乙烯燃气管道的焊接部位是最为脆弱的地方，往往发生泄漏事故的案例也是在焊接接头这一块。超声相控阵检测技术能够解准确有效的检查出聚乙烯管道电熔焊接接头的危害缺陷，便于及时处理工程隐患。国家和地方也陆续颁布相关超声相控阵检测技术规范和聚乙烯天然气管道定期检验中焊接接头检验标准，做到安全生产管理、管道完整性管理，确保人民的生命和财产安全。
道运行风险降到最低，从而进一步延长管道的使用寿命。