聚乙烯管道焊接接頭的超聲波檢測

摘 要

摘要：介紹了聚乙烯管道熱熔焊接和電熔焊接的原理、焊接接頭的檢測方法，探討了聚乙烯管道焊接接頭的超聲波檢測，介紹了聚乙烯管道接頭失效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：聚乙烯管道；熱熔
摘要：介紹了聚乙烯管道熱熔焊接和電熔焊接的原理、焊接接頭的檢測方法，探討了聚乙烯管道焊接接頭的超聲波檢測，介紹了聚乙烯管道接頭失效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：聚乙烯管道；熱熔焊接；電熔焊接；超聲波檢測；焊接接頭
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
    聚乙烯管道憑借其耐腐蝕性、密封性好、高韌性、重量輕、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)在燃?xì)庑袠I(yè)得到了越來越多的應(yīng)用。聚乙烯管道系統(tǒng)的可靠性是燃?xì)獍踩?yīng)的有力保障，而管道接頭是聚乙烯管道系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，因?yàn)樵诮宇^焊接過程中，常因操作不當(dāng)或操作環(huán)境惡劣產(chǎn)生各種缺陷，影響管道的安全使用[1]。因此，對聚乙烯管道接頭進(jìn)行缺陷檢測非常必要。
2 聚乙烯管道焊接方式與接頭檢測
    聚乙烯管道的焊接方式主要有熱熔焊接和電熔焊接。熱熔焊接基本原理是將兩根聚乙烯管道的端面緊貼于加熱工具上，加熱端面直至熔融，撤掉加熱工具后，將兩個熔融的端面緊靠在一起，在壓力的作用下保持到接頭冷卻，使之成為一個整體。熱熔焊接常見缺陷形式有熔合面缺陷、孔洞、裂紋、工藝缺陷等。
    電熔焊接基本原理是將高阻值的金屬絲預(yù)先埋入電熔管件塑料套管內(nèi)壁，插接好后，通入電流，金屬絲發(fā)熱使其周圍的塑料升溫熔化并彼此融合，冷卻后成為一個整體[2]。電熔焊接的突出優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量可靠、施工效率高。因?yàn)殡娙酃芗闹圃旒夹g(shù)要求較高，成本較高，早期主要應(yīng)用在直徑較小的燃?xì)夤艿老到y(tǒng)。近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，電熔焊接的應(yīng)用日益廣泛。電熔焊接常見缺陷形式有夾雜、孔洞、金屬絲錯位、冷焊等。
    常見的焊接接頭檢測方法有目視檢測、破壞性試驗(yàn)和超聲波檢測。目視檢測只能看到表面缺陷，不能直接觀察到接頭的內(nèi)部缺陷，檢測不可靠；破壞性試驗(yàn)是一種抽樣檢測方法，無法針對特定接頭進(jìn)行檢測；相對而言，超聲波檢測是目前最為有效的檢測方法，尤其是近幾年，以浙江大學(xué)鄭津洋教授為代表的一些學(xué)者，在傳統(tǒng)超聲波檢測的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量研究，取得了新的進(jìn)展。
3 熱熔焊接接頭的超聲波檢測
    文獻(xiàn)[3]指出，在對熱熔焊接接頭做探傷的各種超聲波檢測方法中，可采用振幅捕捉法和回波脈沖法。振幅捕捉法是用兩個不同的探針，一個作為傳輸器，另一個作為接收器，信號由傳輸器發(fā)出，通過潛在的缺陷帶到達(dá)接收器。記錄傳輸信號的振幅，振幅減小表示焊接存在不完整性。回波脈沖法通常只有一個探針，同時(shí)作為傳輸器和接收器，記錄反射信號是否出現(xiàn)，若出現(xiàn)則表明某處存在缺陷；再記錄反射信號的消失時(shí)間，用于確定試樣缺陷的位置。這兩種技術(shù)對焊接表面含有沙粒和油脂的試樣進(jìn)行檢測時(shí)，都得到了令人滿意的結(jié)果。衍射消失時(shí)間技術(shù)(TOFD)也是一種超聲波技術(shù)，它記錄的是脈沖在不連續(xù)尖端的衍射圖形，因此特別適用于裂紋、缺焊及對于掃描平面的一般垂直缺陷的檢測。衍射消失時(shí)間技術(shù)能鑒別出常規(guī)超聲波技術(shù)檢測不到的冷焊。
    南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的于潤橋等[4]測量了聚乙烯管道的縱橫波聲速及熱熔焊縫聲衰減系數(shù)，確定了聚乙烯管道的聲學(xué)性能。采用小波域去噪理論去除噪聲，提高了檢測回波的信噪比。試驗(yàn)表明，超聲波檢測方法適用于聚乙烯管道熱熔焊縫的焊接質(zhì)量檢測。
    2008年，鄭津洋教授等首次提出了聚乙烯管道熱熔對接接頭耦合聚焦超聲波檢測方法及檢測裝置，并獲得了發(fā)明專利。該檢測方法和裝置具有靈敏度高、檢測精度高、可靠性高、檢測效率較高、操作失誤率低等特點(diǎn)。檢測方法為：①使耦合劑液體定位在管道接頭熔合區(qū)外表面；②采用球形曲晶片的超聲波探頭浸沒在耦合劑液體中，使焦點(diǎn)定位于管道接頭熔合區(qū)的中線；⑧超聲波探頭沿著管道直徑方向進(jìn)行直線掃查運(yùn)動以及沿著管道圓周方向進(jìn)行勻速掃查運(yùn)動；獲得的信號數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)處理后形成C掃描圖像。超聲波檢測裝置包括：耦合盛裝裝置、采用球形曲晶片的超聲波探頭、機(jī)械掃查裝置、信號處理與控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)[5]。
4 電熔焊接接頭的超聲波檢測
    美國McElroy.Mfg公司使用傳統(tǒng)的A掃描方法只能檢測出接頭中的一些夾雜物，日本Osaka Gas公司使用傳統(tǒng)的B掃描方法也沒能取得很好的檢測效果，英國焊接學(xué)會(TWI)曾采用超聲波相控陣方法開發(fā)出可以對電熔接頭缺陷進(jìn)行檢測并判斷焊接過程是否正確的設(shè)備[6]。我國近幾年也有一些學(xué)者對電熔焊接接頭的超聲波檢測進(jìn)行了研究。
    ① 中國特種設(shè)備檢測研究院等單位對電熔焊接接頭焊接質(zhì)量的無損檢測方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究成果表明：對電熔焊接接頭采用超聲波相控陣動態(tài)聚焦并結(jié)合B掃描成像技術(shù)，能夠?qū)附咏宇^的質(zhì)量進(jìn)行檢測，對缺陷進(jìn)行定位。通過試驗(yàn)和剖開驗(yàn)證表明：研制的超聲波相控陣探頭對聚乙烯電熔接頭進(jìn)行檢測的壁厚范圍是6～30mm，融合面缺陷的定量與定位精度達(dá)0.5mm，孔洞和氣泡的定量與定位精度達(dá)1.0mm，金屬絲錯位的定位精度達(dá)0.5mm，能夠滿足工程技術(shù)上的需要[7]。
    ② 冷焊被認(rèn)為是聚乙烯管道接頭最危險(xiǎn)的缺陷之一，也是現(xiàn)有無損檢測方法難以發(fā)現(xiàn)的一類缺陷。冷焊缺陷產(chǎn)生的原因是焊接熱輸入不夠，導(dǎo)致聚乙烯管道連接強(qiáng)度不能達(dá)到預(yù)期的要求。
    鄭津洋等[8]在電熔焊接接頭檢測中首次發(fā)現(xiàn)聚乙烯電熔接頭內(nèi)部存在一條由微小氣泡造成的特征線，該特征線位置會隨焊接條件的改變而規(guī)律地改變。在恒定功率條件下，特征線與電阻絲之間的距離與加熱時(shí)間成近似的線性關(guān)系；對同一材料和規(guī)格的聚乙烯電熔接頭，在一定的焊接工藝條件下(焊接時(shí)間、輸入功率、焊接初始溫度)，特征線與電阻絲間的距離為某一定值，因此可以采用特征線與電阻絲間的距離來間接表征冷焊程度，當(dāng)它們的距離小于正常距離時(shí)為冷焊。在此基礎(chǔ)上，提出一種全新的冷焊缺陷超聲波檢測方法，即先利用相控陣超聲波檢測系統(tǒng)測量特征線和電阻絲間的距離，再利用經(jīng)驗(yàn)公式評估冷焊程度。經(jīng)驗(yàn)公式為：
 
式中H——冷焊程度
    d——冷焊時(shí)特征線與電阻絲的距離，mm
    d0——正常焊接時(shí)特征線與電阻絲的距離，
    利用式(1)對焊接接頭冷焊程度進(jìn)行評定，其精度均在5%之內(nèi)，可滿足工程上焊接接頭的檢測要求。該方法原創(chuàng)性地提出了高精度的冷焊缺陷檢測方法，解決了冷焊缺陷檢測和評定的國際難題，提高了我國城市燃?xì)夤艿赖陌踩Ｕ夏芰Α?/span>
5 聚乙烯管道接頭失效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫
    鄭津洋等[8]研究得到的超聲波檢測方法要求檢測人員具備聚乙烯管道焊接接頭缺陷和超聲波檢測的相關(guān)知識，對檢測人員要求較高。為便于實(shí)際應(yīng)用，降低對檢測人員專業(yè)知識要求，且能準(zhǔn)確檢測出缺陷類型、危險(xiǎn)性及對應(yīng)的力學(xué)性能，王非等[1]采用VB和SQL Server軟件開發(fā)了聚乙烯管道接頭失效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，供相關(guān)研究人員、工程檢驗(yàn)人員及焊工培訓(xùn)師等使用。該數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)對含缺陷聚乙烯電熔與熱熔接頭的缺陷類型、外觀特征及對應(yīng)的超聲波圖譜的組織管理、查詢及瀏覽等功能。
    該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用方法為：通過超聲波相控陣聚焦技術(shù)和耦合聚焦技術(shù)對電熔和熱熔接頭焊接界面的缺陷情況進(jìn)行檢測，并分別通過B掃描和C掃描成像技術(shù)實(shí)時(shí)成像。將得到的超聲波圖譜與數(shù)據(jù)庫中已存儲的各類缺陷的超聲波圖譜進(jìn)行對比，即可確定缺陷類型，同時(shí)可推知該接頭的拉伸性能、爆破性能、剝離性能等，從而確定接頭的危險(xiǎn)程度。
    該數(shù)據(jù)庫可以為聚乙烯管道接頭無損檢測人員快速準(zhǔn)確地檢測、識別電熔及熱熔接頭中的缺陷特征，判斷缺陷類型及其危害性提供幫助。
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    (本文作者：徐家怡 王麗 天津市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司市場開發(fā)部 天津 300010)