摘要：通过对聚乙烯管不同焊接工艺所形成的焊缝结构分析，了解相应的焊接缺陷产生的机理，针对各自形成的焊缝形状，选择不同的超声检测工艺。对电熔焊接接头检测，采用相控阵超声检测工艺，优化其灵敏度、扫查孔径和聚焦深度的工艺参数来提高检测效率；对热熔焊接接头采用TOFD检测方法，选择合适TOFD楔块材质和规格来提高检测分辨力。

　　关键词：聚乙烯管,电熔焊接,热熔焊接,相控阵检测,TOFD检测

　　0引言

　　聚乙烯管近年来广泛应用于城市燃气管网，其管材特点：首先是作为一种惰性材料具有良好的耐腐蚀性能，抵抗大部分介质的破坏；其次聚乙烯管采用热熔和电熔焊接，没有外来添加物，使得焊缝材料与管材一致，焊接接头和管材一体化，不会由于接头变形造成泄漏；再次聚乙烯管是一种韧性性能好的材料，具有很强的抗裂性，同时又有很大的挠性，适合埋地管道的应用；最后聚乙烯管有着强大的抗划痕能力，能够缓慢抵御材料的裂纹扩展。聚乙烯管能被大量应用，还是因为其使用寿命非常长，所以聚乙烯管为市政燃气管网提供完善的系统解决方案。

　　1聚乙烯管常用检测方法

　　目前国内标准CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》中对管道工程的检验除了焊接部位外观检查，就是分段的强度试验。而对聚乙烯管道工程的竣工验收应按现行行业标准GB/T 51455—2023《城镇燃气输配工程施工及验收标准》规定执行，电熔焊接接头质量主要是外观目视检查，检验项目为管材轴线对正、端口焊接处的表面处理、焊缝处的熔融料是否溢出、电阻丝的错位。对热熔连接焊口的质量检验也是采用目视检查、量尺测量，卷边切除检查，检验项目为卷边对称性检验、接头对正性检验和卷边切除检验。目前，采用DR检测只能观察到电熔钢丝的排列和连续状况。要全面地检测内部焊接质量，还需要应用超声波检测方法以及B扫描、C和D扫描实时成像技术开展对聚乙烯燃气管接头的无损检测研究，有效检出焊缝中的焊接缺陷。

　　2电熔接头的相控阵检测

　　聚乙烯其声波衰减系数非常大，是钢材的很多倍，其声阻抗比有机玻璃还低。同一条件下其声强很小，采用超声波的常用检测方法效率很低，无法完成对焊接接头质量的检测。但通过采用数量较多的阵元排列和不同聚焦算法的相控阵探头，能够有效地提高检测灵敏度。

　　2.1电熔接头的焊接缺陷

　　电熔接头焊接缺陷包括孔洞、未熔合、冷焊、过焊、电阻丝错位、管材承插不到位等。接头中的孔洞包括电阻丝上方的气泡和熔合区中间位置的缩孔，这些是体积型缺陷，往往与钢丝重合或相连，在B扫描图上能全面显示。熔接面缺陷包括未熔合、夹杂、油污等缺陷，缺陷所在的面为聚乙烯电熔接头的熔合面，与探头的扫查面平行，适合纵波检测。

　　工艺性缺陷之一的冷焊和过焊是由于接头焊接热量偏离正常焊接工艺所需的热输入量造成的，冷焊和过焊的熔合区宽度往往偏离正常焊接工艺的熔合区，超声相控阵线性扫查时可探测到熔合区边界线，将B扫描图上所显示的边界线与电阻丝间距离的变化来表示焊接工艺偏离的严重程度。过焊缺陷的熔合区，通常会伴随出现孔洞、电阻丝错位等缺陷。

　　此外管材承插不到位是属于装配缺陷，会降低连接处的承载能力，造成管道断裂。此类缺陷可通过单边熔合区的位置判断管材是否承插到位。

　　2.2相控阵检测的工艺

　　由于电熔焊接是通过电阻丝通电加热来焊接，其焊接熔合面是与套管的表面相平行，所以采用的超声波型应该是纵波，采用线性扫描对焊接接头进行覆盖，探头平行于管件轴线，周向移动作平行线扫查相控阵超声波检测方法。对缺陷的定性根据D型显示，结合A、B、C扫描显示，对缺陷的性质进行分析。以B型显示和C型显示的图像中缺陷成像尺寸作为缺陷尺寸。使缺陷第一次反射波幅降至距离-波幅曲线时的B型或C型显示的图像边界即为缺陷边界，并由此测定缺陷的尺寸和面积。

　　聚乙烯管道电熔接头相控阵超声检测用探头采用一维线阵探头。探头的参数主要选择是频率和阵元数量，频率取决于焊接套管的厚度，因此管材厚度在20 mm以内的，选择探头频率为5 MHz，而管材厚度在10 mm以内的，选择探头频率为10 MHz。由于是垂直扫查，选择的楔块角度应为0°,因而也可以不采用楔块，直接利用探头与管材检测面进行接触，为保证探头的接触面避免磨损，在其探头面上贴上保护膜，也很便捷有效。

　　在对缺陷进行精确定量时，为了保证获得足够的灵敏度和分辨力时，需要选择正确的工艺参数，主要是灵敏度、扫查孔径和聚焦深度。

　　2.2.1灵敏度

　　灵敏度的确定首先调试扫查灵敏度，扫查灵敏度由工艺验证试验确定，选取PE-I型试块，共有5排不同深度的金属丝反射体，每排反射体共有6根间隔排列的钢丝，其间距依次为1、2、3、4、5 mm。增加仪器的增益，能够提高检测的灵敏度，但同时也将使始脉冲变宽，当闸门的起始点与始脉冲宽度有重叠部分，所以在此区域内的近表面缺陷回波就会被漏检。理论上来说，提高灵敏度就能增加分辨力，但应考虑近表面盲区。

　　2.2.2扫查孔径

　　相控阵探头和单晶片探头一样，也有主瓣和副瓣，但阵列探头还特有栅瓣的现象。主瓣是在探头激活孔径范围内的主声束，是检测时使用的主要声束，影响检测的灵敏度和分辨力。副瓣和栅瓣不利于主声束的检测，一方面会分散了超声波的能量，降低主声束的检测灵敏度和分辨力；另一方面会带来双峰或多峰的检测假象，造成误判。虽然这些影响是探头本身不可完全消除的，但可以采取措施来减小影响程度。

　　单个阵元由于宽度较小，其产生的主瓣扩散角很大，随着阵元个数n的增加，等于增加了探头有效孔径，同时将增大主声束的扩散角，提升主声束的声压，并降低副瓣的声压幅度。阵元数量增加后，近场区长度会增大，未扩散区的声束宽度也会加大，相应近场区的分辨力变差，但在远场区能获得相对较窄的声束和较高的分辨力。

　　相控阵探头的激活孔径增加，回波要达到基准波高，需要提高仪器的增益，但是一旦达到基准波高，钢丝间的横向分辨力变得极差，激活孔径为16个阵元参数时，聚焦深度为10 mm，此时检测20 mm深度的这排钢丝，已无法进行分辨。

　　选择探头聚焦20 mm深度，测试20 mm深度一排钢丝，分别采用孔径8个、12个、16个、24个和32个阵元进行线性扫描电熔接头。从S扫描图中可见，选择孔径8个阵元时，即使是5mm间隔的钢丝都无法清晰分辨边界，4 mm及以下间隔的4根钢丝的图像已经连接一起无法分开，如图1所示。

　　采用孔径16个阵元时，一排6根钢丝部分能被发现，间隔2 mm及以下的钢丝不能清晰分开，小缺陷分辨力能力较差。采用孔径24个和32个阵元时，一排6根钢丝都能被发现，各间隔钢丝都能被清晰分开，说明孔径变大后，横向的分辨力会增强，但单个钢丝的尺寸都变形会放大，对缺陷的精确定量也会发生退化，如图3所示为孔径24个阵元。

　　2.2.3聚焦深度

　　相控阵探头的各个阵元发射的信号通常都是主频相同的脉冲信号，增强的干涉叠加不仅意味着相应信号的相位差为周期的整数倍，而且脉冲信号的最高峰值要同时到达聚焦点，叠加信号才能增强达到最大幅值。在焊接接头初始扫查聚焦深度应设置在熔合面外侧1～3 mm。可将焦点设置在该区域，但应注意聚焦区以外声场劣化问题。

　　采用激活孔径20个阵元，聚焦15 mm深度，线性扫描深度15 mm一排钢丝，能清晰分辨各间隔距离的钢丝信号，间隔1 mm的信号也能分开显示，如图4所示。

　　采用相同的检测工艺参数，线性扫描深度10 mm一排钢丝，3号到6号钢丝之间不能清晰分开，也就是间隔3 mm及以下距离的相邻钢丝不能完全分辨；同样在该工艺参数下，线性扫描深度20 mm一排钢丝，单根钢丝变化不明显，但5号与6号钢丝之间不能清晰分开，也就是间隔1 mm的相邻钢丝不能分辨，其他的相邻钢丝还是能够清晰辨识。

　　结果表明，选择合理的检测工艺参数，相控阵检测能有效地发现接头中的孔洞、熔合面缺陷和金属丝错位等各类缺陷，具有较高的分辨力和信噪比。

　　3聚乙烯管道热熔熔接的TOFD检测

　　聚乙烯管是高分子聚合物组成的。在聚乙烯管道热熔焊接过程中，聚合物分子之间发生了迁移、扩散，其焊接接头的强度才能达到使用要求，在合适温度范围内将聚乙烯管两端面加热到熔融温度后停止加热并移去加热装置，在一定压力作用下两侧管端黏流态断面充分接触聚合。

　　3.1热熔焊接的缺陷类型

　　从聚乙烯管的焊接工艺中可知，在焊接前的准备工作中，需要对聚乙烯管的焊接端面进行清洁工序，所以在端面上是不存在水，油及其他异物。同时两侧聚乙烯管端面承受合适的压力下，就能粘接在一起，整个焊缝界面不会存在空气情形，因此焊接过程中不可能在焊缝中产生气孔，在焊接现场大量的检查过程中，也未发现气孔缺陷。所以，可以确认聚乙烯管热熔焊接在工艺指导下不会产生气孔缺陷。

　　对非金属夹渣，其产生机理是在焊接过程中，残留在焊缝熔池中由焊条药皮或焊剂产生的熔渣在凝固前没有及时浮出形成的。而聚乙烯管热熔前的准备和焊接过程中不存在外来添加物，所以产生此类缺陷的几率很低。

　　未焊透是由于产生在坡口两侧母材之间没有添加熔融材料，而聚乙烯管焊接热熔是管材端面整体加热呈熔融状态，在外加压力下整合一起，不可能产生未焊透缺陷。前述聚乙烯管的材料是高分子聚合物，具有很强的热塑性能，热熔焊接后不会产生残余应力，所以不论在焊接过程中还是在焊接冷却中，焊接热熔接头中不会存在热裂纹和冷裂纹缺陷。

　　未熔合缺陷是因为焊接热量输入不足以熔化管材端面，造成两侧端面或其中一侧端面的管材未呈黏流态，即使在两侧施加外压力，管材两侧端面无法进行彻底的粘接熔合，形成未熔合缺陷。所以，聚乙烯管的焊接粘接接头中存在这种缺陷，对热熔焊接接头来说是危害性缺陷。

　　3.2 TOFD检测的原理和工艺

　　由于前述推论可知，热熔焊接的聚乙烯管的焊接缺陷主要是未完全粘接和未粘接缺陷。该类缺陷都有很明显的自身高度，并且缺陷的方向与扫查面相垂直，缺陷的端点尖锐，超声的衍射特性就非常明显，所以很适合端点衍射时差法超声检测(TOFD)。

　　在对聚乙烯管检测时，第二介质是聚乙烯，其纵波声速是2 340 m/s。若探头楔块为有机玻璃是第一介质，其纵波声速是2 730 m/s，此时第二介质的纵波声速小于第一介质的纵波声速，在聚乙烯管中既有纵波又有横波，不适合采用超声波脉冲反射法检测。

　　TOFD技术使用的超声传感器，由一个压电晶片的探头安装在有机玻璃材料制的楔块上组成。楔块的设计保证在第二介质中产生一定折射角度的纵波。常用的角度是45°、60°和70°。第二介质的纵波折射角度应大于第一介质的纵波入射角，否则不能获得大角度的折射角，因此根据超声波的折射定律，第二介质的纵波声速应大于第一介质的纵波声速。第二介质聚乙烯纵波声速为2 340 m/s，而第一介质若为有机玻璃材料，其声速为2 730 m/s，这不符合折射定律的要求，所以有机玻璃不能作为检测聚苯乙烯管热熔焊接的TOFD探头楔块。而水的纵波声速1 450 m/s，符合折射定律的要求，所以水楔块可以作为聚苯乙烯管热熔焊接的TOFD探头楔块，但楔块的曲面应和管材的曲率相对应。

　　3.3 TOFD检测的有效性

　　聚乙烯热熔接头的燃气管材厚度一般在50 mm以下，常用在10～30 mm，根据TOFD检测的特点，选用一组TOFD探头在聚乙烯热熔接头卷边两侧进行圆周扫查，由于卷边有一定的宽度，有时候设定两探头PCS间距会小于卷边宽度，焊接完成后在检测前应切除卷边。

　　因为选用了水楔块，所以采用充水式耦合，探头选用多浦乐的TF5C6L-N-TF001-SL5-C-H-E一组探头，扫查器是专用检测PE管道链条扫查器MOS05，如图5所示。

　　热熔焊接工艺经焊接工艺评定后，确定的焊接参数主要是焊接温度、压力和焊接时间，容易变量就是焊接时间。选择一批管材，分别采用不同的焊接时间焊接样管，焊接时间分别为1.2、1.0、0.8、0.6、0.4、0.2 t。

　　选用f160×14.6 mm聚乙烯管进行热熔焊接，当采用超过正常焊接时间20%的工艺时，TOFD检测的图像经过判图后，未发现任何焊接缺陷。采用正常焊接时间t工艺，热熔焊接接头外观光滑平整，卷边切除检查表面无污染、无孔洞，卷边背弯试验没有开裂和裂纹，拉伸性能韧性通过。对TOFD判图进行分析，没有缺陷显示。这说明该焊接工艺对聚乙烯管的热熔焊接外观尺寸符合要求，力学性能满足标准，焊接接头的焊接质量优质可靠。

　　为了验证焊接时间的长短对焊接质量的影响，采用相对缩短的焊接时间的工艺，通过TOFD检测，来判定焊接内在质量。0.8 t焊接时间较短，图谱中虽然显示有局部错边，但没有焊接缺陷明显，焊缝质量还是合格；当缩短到0.6 t焊接时间后，通过TOFD检测，图谱中有自身高度较小的未熔合缺陷显示，表明焊接时间减短，焊缝中热输入减少，产生焊接缺陷的概率逐步增大。在热熔管试样制作1/4周长的未熔合，一个1/2厚度的竖孔以及贯通壁厚的一个通孔，在图谱中都能清晰显示，如图6所示。

　　4结论

　　通过优化检测工艺，在检测聚乙烯管的焊接接头时，都能确保符合要求的检测分辨力。相控阵检测电熔接头时，选择合适的灵敏度、激活孔径和聚焦深度，能保证获得符合标准的检测能力；通过带水楔块的TOFD检测，对热熔接头检测图谱中不仅能清晰显示不同位置、不同尺寸的未熔合缺陷，气孔和夹杂缺陷也能被分辨。

　　参考文献：

　　[1]王卉，郑津洋，郭伟灿，等.聚乙烯管道电熔焊接接头的超声检测[J].压力容器，2007，24(5)：45-49。

　　[2]董守江，邱建新，温友林，等.PE管热熔(焊接)粘接缺陷的研究[J].中国特种设备安全，2015，31(7)：65-68.