【论文精选】相控阵超声技术在PE管电熔焊接检测的应用

原创 陈鹏，等 煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

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作 者： 陈鹏，徐希军，梁宁，徐万恒

第一作者单位： 卓裕（广东）工程建设有限公司

摘自《煤气与热力》2021年3月刊

参考文献示例

陈鹏 ，徐希军 ，梁宁 ，等 .    相控阵超声技术在 PE 管电熔焊接检测的应用 ［J］.    煤气与热力， 2021，41（3） ：A16-A19，A22.

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焊接

1    概述

目前对非金属压力管道焊缝 焊接 质量的无损检测技术还比较薄弱，检测有一定的局限性。常用的检测方法及其标准是： GB/T 29461 — 2012 《聚乙烯管道电熔接头超声检测》、 JB/T 10662 — 2013 《无损检测聚乙烯管道焊缝超声检测》、 GB/T 32563 — 2016 《无损检测超声检测相控阵超声检测方法》、 DB31/T 1058 — 2017 《燃气用聚乙烯（ PE ）管道焊接接头相控阵超声检测》。这几种检测方法及其标准对 PE 管道焊缝、管件焊接接头的焊接质量检测结果的判定还不太完善，有一定的局限性，不能对缺陷进行定量判别，还有待进一步完善。

 

目前，国内燃气行业 PE 管道焊缝、管件焊接质量基本上依赖施工阶段对焊接工艺、焊工操作水平、焊接机器等相关 焊接 要素进行控制，对焊接质量的检测方法和焊接缺陷判定标准尚不成熟和全面。

 

2    相控阵超声检测原理

 

相控阵超声检测技术是利用延迟电路的电子技术控制相控阵探头，实现超声波发射、接收的方法。相控阵超声探头由多个独立的压电晶片组成阵列，按一定的规则和时间间隔（即相位）用电子系统控制激发各个晶片单元，这些晶片发射的超声波波阵面会产生波的干涉，形成所需的整体波阵面，通过有效地控制发射超声波束（波阵面）的形状和方向，实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。其具体工作原理如下。

 

超声波探伤仪将触发信号传送至相控阵控制器，相控阵控制器将信号变换成特定的高压电脉冲，每个晶片只发射一个电脉冲，使产生的超声波束具有一定角度，并聚焦在一定深度。 4 个晶片的激励电脉冲有微小时差，上下 2 个晶片的激励先于中间 2 个晶片，时差决定了波阵面形状。相控阵系统发射原理见图 1 。

图 1    相控阵系统发射原理

该超声波束遇到缺陷即反射回来，相控阵控制器接收回波信号后，按接收聚焦法则变换时间，并将这些信号汇合一起，形成一个脉冲信号，反馈传送至超声波探伤仪。回波信号的接收也存在延时。相控阵系统接收原理见图 2 。

 

图 2    相控阵系统接收原理

当 PE 管道经电熔、热熔熔融焊接后，若焊接熔融物中有杂质，例如：泥土、树叶、油渍、水污染物、气孔、夹渣、氧化皮等，焊接熔融物材质就不是单一的 PE 管设计要求材质；若存在母材缺陷、局部超刮、冷焊、过焊、电阻丝错位等现象进行焊接后，焊接熔融物中的物质发生了物理或化学变化，其焊接熔融物也不是单一的 PE 管设计要求材质。用相控阵超声技术检测时，当超声波束经过这些不是单一材质的焊接熔融物时，超声波束会发生折射、反射或延时，超声波束传输会发生变化，以此可检测出该超声波束扫描区域的缺陷。

3    试件制作

 

2019 年 4 月 10 日，在广州东永港华燃气有限公司工装安装试验室，选取港华辉信工程塑料有限公司生产的 PE100 SDR11 de63 电熔管件（套筒），按照港华投资有限公司《聚乙烯管道工程质量手册（ PEQA ）》操作规程制作了 2 个标准试件，又制作了与 PEQA 操作规程个别条款相悖的 6 个人为缺陷试件。

 

1 号试件和 2 号试件为标准试件。

 

3 号试件：二次焊接，即在加热过程中断电，二次加热。

 

4 号试件：冷焊，即焊接加热时间不足。

 

5 号试件：过焊，即焊接加热超时，反复加热。

 

6 号试件：左侧管子按要求刮氧化皮，右侧管子不刮氧化皮。

 

7 号试件：左侧管子完好，右侧用刮刀制作 3 个孔洞，再划一段长度为 5 mm 、深度小于 0.1 mm 的划痕。

 

8 号试件：试件完好，只是焊接用两端均未刮氧化皮，左侧管子焊接表面抹油 10 mm × 10 mm 范围，右侧管子焊接表面抹泥浆 10 mm × 10 mm 范围。

 

4    检测结果分析

 

检测过程中对缺陷的判定依据 DB31/T 1058 — 2017 等相关标准。

 

标准试件和缺陷试件制作完成后，用相控阵超声检测方法对试件进行缺陷扫描查找，有缺陷的试件均能检测出缺陷和缺陷的具体位置，并将缺陷逐一进行记录。根据相控阵超声检测结果，判断 6 个缺陷试件中的 3 号试件、 4 号试件、 5 号试件存在明显的缺陷，判定为不合格； 6 号试件、 7 号试件、 8 号试件虽存在缺陷，但缺陷在其合格允许范围内，判定为合格。

 

4.1  1 号试件（标准试件）

 

焊接要求：按照港华投资有限公司 PEQA 操作规程操作。

 

试件实测特征图谱中显示熔合区特征线与电阻丝的距离为 1.7 mm ，特征线正常。

 

判定结果：合格。

 

4.2  2 号试件（标准试件）

 

与 1 号试件相同。

 

判定结果：合格。

 

4.3  3 号试件（二次焊接）

 

焊接要求：先通电 20 s ，断电后隔 600 s 再通电 20 s 。

 

试件实测特征图谱（见图 3 ）显示，熔合区有 2 条特征线，第 1 次通电 20 s 产生的特征线与电阻丝的距离为 0.8 mm ，第 2 次通电 20 s 产生的特征线与电阻丝的距离为 1.1 mm 。

 

图 3    二次焊接试件实测特征图谱

 

缺陷信号描述：该检测结果中产生的 2 条特征线，为通电焊接中断，再次通电焊接所致，且特征线位置偏低，试件实测特征图谱与标准中的冷焊标准特征图谱相同，判定为冷焊。

 

缺陷位置：冷焊类为全管体整圈。

 

判定结果：不合格。

 

4.4  4 号试件（冷焊）

 

焊接要求：通电 20 s 后断电（冷焊）。

 

试件实测特征图谱（见图 4 ）显示，熔合区特征线与电阻丝的距离为 0.8 mm 。

 

图 4    冷焊试件实测特征图谱

 

缺陷信号描述：该试件实测特征图谱中特征线距电阻丝的距离为 0.8 mm ，分析判定为焊接时间不足或电压不足，与冷焊标准特征图谱相同，判定为冷焊。同时存在直径小于 1 mm 的单个小气孔。

 

缺陷位置：冷焊类为全管体整圈，双侧特征线位置均偏低。

 

判定结果：不合格。

 

4.5  5 号试件（过焊）

 

焊接要求：通电 60 s 后断电（过焊）。

 

试件实测特征图谱（见图 5 ）显示，熔合区特征线高于电阻丝 2.5 mm 。

 

图 5    过焊试件实测特征图谱

 

缺陷信号描述：该试件实测特征图谱中特征线位置高于电阻丝 2.5 mm ，原因为焊接时间过长或电压偏高，判定为过焊。

 

缺陷位置：过焊类为全管体整圈，双侧特征线均高于电阻丝 2.5 mm 。

 

判定结果：不合格。

 

4.6  6 号试件（氧化皮未刮）

 

焊接要求：焊接试件左侧管子按 PEQA 操作规程要求刮氧化皮，右侧管子不刮氧化皮。

 

试件实测特征图谱（见图 6 ）显示，熔合区特征线位置高于电阻丝 1.8 mm 。

 

图 6    氧化皮未刮试件实测特征图谱

 

缺陷信号描述：该检测结果特征线位置正常，套筒内存在小气孔，为母材缺陷，属于套筒生产制造过程中产生，不属于该次电熔接头焊接试验考核缺陷。

 

缺陷位置：套筒内存在直径 1 mm 的小气孔，位置距右侧起点 36 mm 、右侧电极顺时针方向约 37 °处。

 

判定结果：合格。

 

4.7  7 号试件（孔洞、划痕）

 

焊接要求：试验用管子左侧完好，右侧管子用刮刀制作 3 个直径 1 mm 、深度 2 mm 的孔洞，再划一段长 5 mm 、深小于 0.1 mm 的划痕。

 

试件实测特征图谱（见图 7 ）显示，熔合区特征线位置高于电阻丝 1.7 mm 。

 

图 7    孔洞、划痕试件实测特征图谱

 

缺陷信号描述：该试件实测特征图谱中特征线位置与标准特征图谱特征线位置相同，但熔合面存在 1 mm × 2 mm 未熔的小面积。分析判定为管件外表面凹坑（孔洞）或存在杂质导致未熔。

 

缺陷位置：小面积未熔合区位于距右侧起点 51 mm 、右侧电极顺时针方向约 58 °处。

 

判定结果：合格。

 

4.8  8 号试件（污染）

 

焊接要求：试件完好，只是两端管子均未刮氧化皮，左侧管子抹油约 10 mm × 10 mm 范围，右侧管子抹泥浆约 10 mm × 10 mm 范围。

 

试件实测特征图谱（见图 8 ）显示，熔合区特征线位置高于电阻丝 1.6 mm 。

 

图 8    污染试件实测特征图谱

 

缺陷信号描述：该试件实测特征图谱中特征线位置正常，与标准特征图谱特征线位置基本相同。熔合面存在 2 块 1 mm × 2 mm 未熔的小面积。分析判定为管件外表面凹坑或存在杂质（油、泥土）导致未熔。

 

缺陷位置：缺陷 1 在距左侧起点 38 mm 、左侧电极逆时针方向约 54 °处；缺陷 2 在距右侧起点 40 mm 、右侧电极顺时针方向约 56 °处。

 

判定结果：合格。

 

5    不同检测方法对比

 

为了进一步验证相控阵超声检测技术，我们将试件送中国特种设备检测研究院进行数字化 X 射线摄影（ DR ）和破坏性试验，对比分析不同检测方法对不同缺陷类型的识别能力，结果如下。

 

5.1   相控阵超声技术

 

可判别过焊、冷焊缺陷，局部超刮缺陷，母材缺陷，杂质污染缺陷，电阻丝错位缺陷，气孔、夹渣缺陷；对氧化皮未刮小缺陷和油渍、水污染小缺陷能检出，但不能定量判定。

5.2   数字化 X 射线摄影（ DR ）

 

可判别母材缺陷，电阻丝错位缺陷，气孔、夹渣缺陷；不能识别过焊、冷焊缺陷，氧化皮未刮缺陷，局部超刮缺陷，油渍、水污染缺陷，其他杂质污染缺陷。

 

5.3   破坏性试验

 

只能判别氧化皮未刮缺陷和杂质污染缺陷；不能识别过焊、冷焊缺陷，局部超刮缺陷，母材缺陷，油渍、水污染缺陷，电阻丝错位缺陷，气孔、夹渣缺陷。

 

用相控阵超声技术、数字化 X 射线摄影（ DR ）、破坏性试验对试件进行检测比较，含有不合格缺陷的试件，相控阵超声技术均能检测出；数字化 X 射线摄影（ DR ）和破坏性试验只能检测出较大缺陷，较小缺陷检测不出来。因此，相控阵超声技术对燃气 PE 管道电熔焊接管件焊接的质量检测具有较为广泛的适用性、实用性和可行性。

 

6    相控阵超声技术的优缺点  

6.1   优点

 

①相控阵超声技术检测灵敏度高、检测分辨率高、检测效率高。

②实时彩色成像，包括 A/B/C/D/S 显示，便于缺陷判读。

 

③超声相控阵技术可以检测复杂工件。常规超声波检测因为探头超声波束角度单一，存在很大的盲区，造成漏检。而超声相控阵技术可以快速、直观地检测。

 

④容易检测各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，定量、定位精度高。

 

⑤扫查装置简单，便于携带、操作和维护。

 

⑥检测结果受人为因素影响小，数据便于储存、管理和调用，便于连接电脑打印查看。

 

6.2   缺点

 

①相控阵超声技术目前只能检测燃气 PE 管道的电熔焊接管件中存在的缺陷，尚不能对热熔焊接焊缝进行有效的质量检测，尤其对竖向走向的缺陷、密集小气孔缺陷难以检出。

 

②目前在国内相控阵超声技术还没有相应的判定不合格缺陷范围的标准。

 

7    结论及研究方向

①相控阵超声技术可以检测燃气 PE 管道电熔焊接管件焊接存在的缺陷。

 

②相控阵超声技术对燃气 PE 管道电熔焊接管件焊接的质量检测具有较为广泛的适用性、实用性、可行性。

 

③今后的研究方向，一是对 PE 管道电熔焊接管件焊接可接受的微小缺陷进行定量判定；二是检测 PE 管道热熔焊缝存在的缺陷。

 

④建议依据相关标准规范，制作标准试块，以此制定判定不合格缺陷的标准，对缺陷进行定量、定性判定。

（本文责任编辑：鲁德宏）

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