超声相控阵检测技术在聚乙烯...道电熔焊接质量控制中的应用_陈艳.pdf

11城市燃气 2022/10 总第 572 期燃气技术Gas Technology陈 艳厦门华润燃气工程有限公司超声相控阵检测技术在聚乙烯燃气管道电熔焊接质量控制中的应用摘要：聚乙烯管道以其良好的力学性能，耐腐蚀性强、使用寿命长等优点大量应用于城市燃气管网，其焊口质量一直是城市燃气管道施工管理的重点环节，常规的电熔焊接质量控制手段已无法满足需求。超声相控阵检测技术应用于聚乙烯燃气管道电熔焊口的无损检测，已有较为成熟完善的检测设备和检测标准。通过对在建项目现场的聚乙烯电熔接头进行抽查并对检测结果进行分析，得出以下结论：超声相控阵检测技术可以有效检测出焊口的内部缺陷情况，极有效的提升焊接质量及质量控制水准。关键词：聚乙烯管道焊接；超声相控阵检测；焊接缺陷；电熔接头doi:10.3969/j.issn.1671-5152.2022.10.0031 引言城市燃气管网一般位于城市市政道路下方或者居民区内，其安全、稳定、可靠的运行与城市居民的日常生活和人身安全息息相关。根据美国塑料管道数据库委员会（PPDC）对聚乙烯管道失效位置的统计数据表明，管道69.7%的失效发生在管件和接头位置1。作为管道系统的薄弱部3 华科，叶昊，王桂增，等.基于声波的输气管道泄漏检测与定位技术J.华中科技大学学报（自然科学版），2009，37（S1）：180-183.4 郝雅立.EMD 及盲源分离在管道泄漏检测中的应用研究D.北京：燕山大学，2013.5 赵利强，王建林，于涛.基于改进EMD 的输油管道泄漏信号特征提取方法研究J.仪器仪表学报，2013，34（12）：2696-2702.6 王秀芳，王昕.EEMD 近似熵和支持向量机的管道泄漏特征向量提取研究J.化工自动化及仪表，2015（11）：1226-1229.7 吴微，陈维强，刘波.用BP神经网络预测股票市场涨跌J.大连理工大学学报，2001，41（1）：9-15.8 谭永红.基于BP神经网络的自适应控制控制理论与应用，1994（1）：84-88.9 王贇松，许洪国.快速收敛的BP神经网络算法J.吉林大学学报（工）2003.33（4）：79-84.10 王美玲，王念平，李晓.BP神经网络算法的改进及应用J.计算机工程与应用，2009，45（35）：47-48.11 王海洋，王良风，阮晓辉.次声波管道泄漏检测技术在天然气输气管道上的应用J.城市燃气，2016（000），11：10-13.陈 艳超声相控阵检测技术在聚乙烯燃气管道电熔焊接质量控制中的应用12城市燃气 2022/10 总第 572 期燃气技术Gas Technology位，聚乙烯焊口一直是质量控制的重点。但是现阶段对电熔接头的检测手段非常有限，不似热熔接头可以通过进行翻边切除检验进行进一步的检查。电熔接头施工中的焊接质量控制一般依赖过程控制和外观检查。这个过程人为主观性较大，而且这些方式均无法观察到焊接接头的内部缺陷，这些隐藏的缺陷随着聚乙烯燃气管道的服役时间而逐渐暴露，带来严重的安全隐患。超声相控阵检测技术作为新兴的聚乙烯管道电熔接头无损检测技术不仅可以作为无损检测手段对焊口质量进行监控；还可以依据检测出的质量缺陷分析其发生原因，对聚乙烯燃气管道施工质量控制中的薄弱环节进行分析及改善，可以很好的提升城市燃气管道施工质量管理水平，延长管道使用寿命。2 聚乙烯燃气管道常规焊接质量控制方式依据国家现行聚乙烯燃气管道工程技术标准（CJJ63-2018），聚乙烯电熔焊接质量控制程序归纳为焊接前准备、焊接过程控制、焊接后检查，见表1。在聚乙烯燃气管道无损检测技术出现之前，焊口质量仅限于依照严格的焊接工序，外观检查、及管道系统强度试验来进行控制。城市燃气工程的主要特点是：周边人员流动密集、工程量不大，工期紧张，数量众多，施工地点分散，一般分布在城市的各个地方，跨度范围大。受到施工管理人员及现场监理人员的人力限制，无法同时对每个工地进行完整的全过程的监管，使大部分焊接质量的过程控制只能以外观抽查及检查焊接数据的方式进行。然而在实际施工中，由于人为操作因素和环境条件的不可控，不可避免的会对焊接接头质量产生一定影响。常规检测方法有着很大的局限性，无法观察到接口内部的缺陷，更无法判断出存在的缺陷是否会对管道系统产生严重的影响。若在施工中遇见可疑焊口，或者对焊接质量有争议的情况下，现阶段只能使用破坏性试验的手段进行检查，需将问题焊口切除，并移送第三方机构进行剖面检验，剥离试验等测试，随即所产生的材料消耗、人工工时等因素变化，致使增加工程造价，同时对工期亦产生很大影响。3 超声相控阵检测技术3.1超声相控阵检测原理区别于传统的超声检测一般采用单晶探头发射和接收超声波，探测范围有限。超声相控阵技术是采焊接前准备1.焊接操作人员应取得特征设备作业人员操作许可证，并按规定进行年审，保证焊接时许可证在有效期内。2.焊接设备必须采用全自动电熔焊机，并按规定定期进行检定和校准，周期不应超过一年。3.焊接之前应对管材和管件进行检查，管材表面划伤深度不得超过壁厚的10%；管件等设施应保证外包装完好。4.电熔焊机与电熔管件需在同样环境下使用，如果存放地点与施工现场温差较大时，应在连接前将管材、管件及焊机在施工现场放置一段时间，使其温度接近施工现场温度。5.管道末端应切成直角并清除碎屑，保证端面平整、光滑、无毛刺。清洁焊接面，按规定要求使用专门的工具刮削氧化皮，清理管材内的杂物，保持焊接面干燥。焊接过程控制1.将管材插入电熔管件承口内，同时必须避免强力插入。校直待连接的管材管件，使其在同一轴线上。在安装过程中电熔管件与管材应处于无应力条件下，然后根据要求安装夹具，防止焊接过程中管道移动。2.严格按照生产厂家的规定设置相关焊接参数，现大部分是采用扫描管件上的条形码信息进行参数设置；读取后应再次确认焊机显示的焊接参数与管件标识一致。3.电熔焊接过程中和冷却期间，不可以拆开夹具，不得移动管材管件，也不得对其施加外力。焊接后检查1.管道与管件的轴线是否对正。2.管材或插口管件在电熔管件端口处应有明显的氧化皮刮削痕迹。3.检查管件端口接缝处是否有熔融料溢出。4.熔合指示柱应正常升起或从观察孔可以看到有少量熔融料溢出，溢料不应呈流淌状。5.管件内的电阻丝不应被挤出。表1聚乙烯电熔焊接质量控制13城市燃气 2022/10 总第 572 期燃气技术Gas Technology用多阵元的阵列换能器，可以在固定探头位置的情况下，依靠控制每个阵元的发射和接收时间，来改变声束的聚焦深度和偏转角度2。多个阵元的聚焦使得超声波有足够的能量反射并被接收3。其很好的解决了聚乙烯管道电熔焊口无损检测中材料声衰减大、内埋金属丝干扰缺陷辨别、工艺性缺陷（冷焊、过焊等）检测难度大的问题。以孔洞缺陷为例，检测原理如图1（a）所示，如果电熔焊接接头中存在孔洞缺陷，孔洞缺陷会反射超声波。在超声图像中除了正常显示的电阻丝和管材内壁的反射信号外，在熔合面处会出现孔洞缺陷的反射信号3。3.2超声相控阵检测的相关检测标准随着对聚乙烯管道无损检测研究的不断深入，从经济性、可靠性、实用性来说，最适合电熔接头无损检测方法是超声相控阵成像检测技术。近10年来，聚乙烯电熔管道无损检测技术标准大量发布。国际化标准组织（ISO）、美国材料与实验协会（ASTM）等组织颁布了聚乙烯管道的超声检测技术与微波检测技术标准1。国内学者经过大量的实验研究，提出了“冷焊特征线”4的概念。冷焊特征线是焊接过程中粘流态聚乙烯与固态聚乙烯的交界线5。在超声图像中，冷焊特征线表现为电阻丝信号上方一条水平的反射信号。研究数据表明特征线与电阻丝距离和焊接时间成近似线性的关系4，并使用特征线与电阻丝间距变小的百分比来表示冷焊的严重程度，填补了冷焊安全评定技术的空白；又对聚乙烯电熔焊接中的缺陷分类、缺陷特征图谱、图谱和缺陷的对应关系、缺陷的可接受准则进行归纳，针对聚乙烯电熔焊接无损检测颁布了国标含缺陷聚乙烯管道电熔接头安全评定（GB/T29460-2012）和聚乙烯管道电熔接头超声检测（GB/T29461-2012），使聚乙烯电熔接头无损检测有了最早的国家标准支撑。在行标承压设备无损检测 第15部分：相控阵超声检测（NB/T47013.15-2021）中给出了相关缺陷的量化方法及焊口分级；在压力管道规范-公用管道（GB/T38942-2020）中明确提出了相控阵超声检测技术可以作为城市燃气聚乙烯管道施工中电熔接头和热熔接头的无损检测方式，并加入了聚乙烯管道无损检测相关规定。上海是最早使用聚乙烯无损检测的地区，于2017年就颁布了地方标准燃气用聚乙烯(PE)管道焊接接头-相控阵超声检测（DB31/T 1058-2017）；随后，内蒙古于2020年1月发布了燃气用埋地聚乙烯管道焊接接头超声相控阵检测技术规范 第1部分：通用要求（DB15/T 1819.1-2020）；广东省特种设备行业协会也于2020年7月批准了团体标准聚乙烯燃气管道电熔焊接接头相控阵超声检测（T/GDASE00142020）。在深圳等地区，已经开始使用超声相控阵技术对聚乙烯焊接接头进行无损检测。超声相控阵检测技术作为无损检测技术应用于实际工程中已有较为完善的规范和检测标准支撑。可以对聚乙烯电熔接头的焊口内部进行进一步的检测完善，提升焊口的质量控制。3.3超声相控阵检测技术的应用在实际工程中，一般面临着施工现场的环境复杂多变，即使已经全面使用全自动电熔焊机等方式来避免外界因素干扰，但是依然存在着现场电源电压不够图1超声波相控阵检测原理（b）超声图像中孔洞缺陷（a）孔洞缺陷超声相控阵检测原理图3 陈 艳超声相控阵检测技术在聚乙烯燃气管道电熔焊接质量控制中的应用管材外壁管件外壁管件内壁电阻丝反射波管材内壁反射波熔合面缺陷（孔洞）反射波管材内壁孔洞导线探头电阻丝熔合面L14城市燃气 2022/10 总第 572 期燃气技术Gas Technology稳定、接头表面杂质难以清理干净、现场施工水平差异等因素，这些因素影响着聚乙烯电熔焊口的焊接质量。本文旨在利用超声相控阵检测设备在施工现场对电熔接头进行检测，试探究超声相控阵检测技术在提升焊接质量中的应用。3.3.1 现场检测情况通过对在建工地的电熔接头进行了抽查。先按现有标准对其进行外观检查，而后使用超声相控阵设备对其进行无损检测。（1）图2（a）为夹杂缺陷的电熔套筒。首先对此电熔套筒进行外观检查。得出结论：指示柱正常升起，内部两端均无溢料，管材承插深度正常。从外观检查结果来看该管件并无太大问题。使用超声相控阵检测设备对该电熔套筒的焊口内部情况进行检测，得到超声检测图像图2（b）。由图2（b）显示该管件焊口中存在贯穿性熔合面缺陷，判断应为夹杂缺陷。据此判断在施工时存在不规范的情况。现场工人对焊接面清洁不到位或者未按要求进行氧化皮刮削，残留的水和泥土等杂质引起了夹杂缺陷。此熔合面缺陷已经严重超出标准要求范围，属于不合格焊口。（2）图3（a）为存在冷焊现象的电熔弯头，同样先进行了外观检查，并未发现明显问题。然后对其进行超声无损检测，得到超声检测图像，见图3（b）。由图3（b）显示该管件的冷焊特征线与电阻丝距离约为4.2mm，与厂家确认后得知此规格管件实验室标准焊接下所测得特征线距离标准数据为5.7mm。依据GB/T29460-2012中的冷焊程度计算公式H=（1-L/L）100%，可以得出该接头冷焊程度为26%，存在一定的冷焊现象，但并未超过规范所规定的30%界限。对该工地的其他焊口进行抽查，仍存在不同程度的冷焊情况。因施工时间属于雨季，天气潮湿多雨，温度多变，焊机电压不稳定，易发生冷焊。经厂家建议，将焊接电压及焊接时间进行适当增加，得到新的超声图像。将新的超声图像与图3（b）进行比对，可以看出冷焊特征线距离有所提高，见图4。降低了该电熔管件的冷焊程度。（3）图5（a）为存在孔洞缺陷的电熔三通。从照片可以看出因连日下雨，管沟中积水较多，对管件进行无损检测，发现此管件存在着多处较为严重的孔洞缺陷，见图5（b-d）。孔洞缺陷主要由于焊接前管材表面的水残留，在电熔焊接时随着焊