聚乙烯管（PE）熱熔接頭超聲波檢測問題分析

韓光明 蔡 勤

（1. 遼陽宏偉無損檢測工程有限公司，遼寧 遼陽 111000；2. 廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，廣東 珠海 519002）

1 聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭與金屬焊接接頭缺陷種類不同的原因分析

目前，無損檢測行業(yè)利用A型超聲波、TOFD、超聲相控陣等檢測設備檢測聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭存在問題的主要原因，是沒有真正了解聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭中缺陷的種類及特點。

一些無損檢測標準規(guī)定，聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭中存在與金屬焊接接頭相同的裂紋、未熔合、未焊透、條形和圓形等五類缺陷。

1.1 金屬焊接的工藝過程

金屬焊接的工藝過程是先將需要焊接的母材加工成一定形狀的坡口，施焊前將被焊工件組對在一起并留有一定間隙，通常采用電弧加熱的方法，使其坡口區(qū)域及填充材料快速加熱熔化并快速結(jié)晶凝固。同時根據(jù)被焊工件的工藝要求，在焊接區(qū)域控制適當?shù)睦鋮s速度（自然冷卻或保溫），從而得到理想的焊接接頭，這就是我們所熟悉的金屬焊接。

金屬焊接過程實際上是金屬被加熱、熔化和冷卻的冶金過程，其物理變化是在原子之間進行的。

1.2 PE（聚乙烯）管道熱熔熔接的工藝過程

PE管是高分子聚合物，熱熔“熔接”是利用熱塑性塑料隨溫度變化而呈現(xiàn)不同的物態(tài)變化，在適當溫度范圍內(nèi)將PE管兩端面加熱到粘流態(tài)(熔融溫度)后停止加熱并移去加熱裝置，在一定壓力作用下兩側(cè)管端粘流態(tài)斷面充分接觸，聚合物分子之間發(fā)生遷移、擴散、扭結(jié)或纏繞后形成熔接接頭。

聚合物的形態(tài)隨著溫度與時間的變化，由固態(tài)→粘流態(tài)→固態(tài)，其物理變化是在分子之間進行的，很顯然其工藝過程與金屬焊接有顯著的不同[1]。

1.3 聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭與金屬焊接接頭缺陷類型不同的原因分析

（1）金屬焊接接頭中有熱裂紋或冷裂紋，而PE管材料是高分子聚合物，具有很強的塑性和彈性的特點，因此不具備產(chǎn)生裂紋缺陷的條件；

（2）金屬焊接接頭中未焊透是產(chǎn)生在鈍邊間隙中的，而聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭不存在鈍邊和鈍邊間隙，因此不可能產(chǎn)生像金屬焊縫中的未焊透缺陷；

（3）金屬焊接接頭中的夾渣（即標準中的條形缺陷和圓形缺陷）是在焊接過程中殘留在焊縫中的焊藥皮或焊劑形成的。而聚乙烯（PE）管道熱熔熔接過程中不存在這樣的物質(zhì)，如果非要認為聚乙烯（PE）管道在熔接過程中有異物進入的話，其概念也不應稱之為夾渣。因為聚乙烯（PE）管道接頭中的“夾渣”可能是在現(xiàn)場施工過程中夾進去的土石塊，因此應稱之為“夾雜”；

這是一個強加的概念，由聚乙烯（PE）管道熔接工藝也可以得到說明，在熔接過程中當加熱過程完成之后移除加熱板僅數(shù)秒鐘管子將在壓力下對接，此時是不可能進入土石塊的。

假設移出加熱板的瞬間，在風力作用下有微小的塵土進入熔融狀態(tài)的管端表面，也會隨著內(nèi)、外翻邊的形成而被擠出，冷卻后形成的熔合面怎么會存在夾雜缺陷呢？

（4）金屬焊接接頭中有氣孔缺陷（即標準中條形缺陷和圓形缺陷的一種），而且經(jīng)常以鏈狀、密集或單個狀態(tài)存在。而PE管熱熔熔接接頭最終是在約4Mpa（約40公斤）壓力作用下成型的，不難想象什么樣的氣孔缺陷可以在這么大的壓力下仍然保持氣孔形狀而不被擠破；

（5）金屬焊接接頭中有未熔合缺陷，是焊材熔化后未與母材坡口面充分熔合在一起形成的，而聚乙烯（PE）管道接頭沒有坡口，因此不可能產(chǎn)生與金屬焊接接頭中性質(zhì)相同的未熔合缺陷。

通過上述分析可知，聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭中不可能存在與金屬焊接接頭中相同的氣孔、夾渣、裂紋、未焊透、未熔合等類型缺陷[2]。

1.4 聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭中“未充分熔合”缺陷的產(chǎn)生過程及力學性能的特點

（1）產(chǎn)生“未充分熔合”缺陷的條件

冷焊的概念：

接頭熔接溫度或時間低于規(guī)定值形成的缺陷定義為冷焊。

過焊的概念：

接頭熔接溫度超過規(guī)定值（短時間）形成的缺陷定義為過焊。

無論是冷焊或過焊，均使聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭僅僅實現(xiàn)了簡單的“粘接”連接，聚合物分子之間并沒有發(fā)生遷移、擴散、扭結(jié)或纏繞，將在這種條件下形成的聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭定義為“未充分熔合”；

（2）“未充分熔合”缺陷的力學性能

聚乙烯（PE）管道熱熔熔接過程中，只有聚合物分子之間發(fā)生了遷移、擴散、扭結(jié)或纏繞，其熔接接頭的強度才能達到理想要求，而存在“未充分熔合”缺陷的熔接接頭其機械強度僅僅達到合格接頭的約二分之一左右。

2 存在“未充分熔合”缺陷熱熔熔接接頭聲學性能試驗

2.1 試驗條件

試驗選用“衰減式”CBC-100型數(shù)字式超聲波探傷儀，兩只2Z13×13K1低頻縱波窄脈沖斜探頭，無“未充分熔合”缺陷模擬試樣一塊，存在“未充分熔合”缺陷模擬試樣三塊。

2.2 試驗過程

參考圖1與圖2，在每塊模擬試樣接頭兩側(cè)分別取五個測試點，利用一發(fā)一收的測試方法測試聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭的聲學性能。分別將獲得的反射回波幅度調(diào)整至基準高度80%讀取探傷儀衰減器的剩余讀數(shù)，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1，1#試樣無“未充分熔合”缺陷，2#～4#試樣“未充分熔合”缺陷逐漸嚴重。

2.3 試驗結(jié)論

通過表1試驗數(shù)據(jù)得到一個非常重要的信息。

由表1可知，有、無“未充分熔合”缺陷的熱熔熔接接頭聲衰減的平均值都在74dB左、右，這說明存在“未充分熔合”缺陷的聚乙烯（PE）熱熔熔接接頭存在嚴重的“透聲”現(xiàn)象。

3 聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭中“未充分熔合”缺陷A型超聲波、TOFD、超聲相控陣等檢測設備檢測結(jié)果分析

3.1 A型超聲波探傷儀的檢測分析

參考圖3～圖6，分別采用一次波、二次波與串列式掃查方式，對圖4與圖6熱熔熔接接頭中“未充分熔合”缺陷進行掃查，都沒有“未充分熔合”缺陷的反射回波出現(xiàn)。

3.2 超聲相控陣儀器的檢測分析

A型顯示的超聲波探傷儀，是依據(jù)缺陷反射回波的位置及幅度，或被檢工件底波幅度的變化，判斷被檢工件中是否存在缺陷。

參考圖7，超聲相控陣探頭是由多個壓電晶體組成，多個壓電晶體輻射的超聲場分別掃查到缺陷，形成多個最原始的A掃描波形。超聲相控陣設備的B、C掃描視圖，就是由最原始的多個A掃描波形組合得到的。

由試驗得知，聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭中的“未充分熔合”缺陷存在嚴重的“透聲”現(xiàn)象，因而無法獲得A掃描波形。如果無法獲得A掃描波形，那么超聲相控陣檢測設備如何實現(xiàn)對聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭檢測呢？

3.3 TOFD儀器的檢測分析

參考圖8，TOFD檢測技術是基于缺陷衍射信號進行數(shù)據(jù)分析和判讀，并利用獲得的TOFD圖像判讀是否存在缺陷。

聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭整道口的熔接條件是相同的，即無缺陷端點，且“未充分熔合”缺陷還存在嚴重的透聲現(xiàn)象。TOFD檢測是否可以獲得“未充分熔合”缺陷的衍射波？如果得不到衍射波TOFD儀器如何檢測聚乙烯（PE）管道的熱熔熔接接頭？

4 A型超聲波、TOFD、超聲相控陣等檢測設備無法檢測“未充分熔合”缺陷的理論分析

4.1 超聲檢測靈敏度的概念

檢測靈敏度是指在確定的聲程范圍內(nèi)檢測出最小缺陷的能力，一般以有效檢出工件中某一規(guī)定尺寸的缺陷作為度量，實際檢測中根據(jù)產(chǎn)品技術要求或有關標準確定檢測靈敏度。

4.2 超聲檢測靈敏度的調(diào)整

超聲檢測靈敏度調(diào)整就是確定選用的檢測儀器與探頭，能夠有效地發(fā)現(xiàn)對比試塊中的缺陷時檢測儀器的靈敏度余量。

4.3 超聲對比試塊的定義

對比試塊是指與被檢件材料化學成分相似，聲學性能相同或相近，含有意義明確參考反射體的試塊。用以調(diào)節(jié)超聲檢測設備的靈敏度和聲程，以將所檢出的缺陷信號與已知參考反射體所產(chǎn)生的信號相比較，即用于檢測校準的試塊[3]。

4.4 對比試塊上不同形狀參考反射體的反射特征

對比試塊上一般采用不同形狀的參考反射體，常用參考反射體有長橫孔、短橫孔、平底孔、橫通孔、V形槽、矩形槽和線切割槽。

（1）對比試塊上長橫孔、橫通孔的反射回波特征與工件內(nèi)部具有一定長度的裂紋、未焊透、未熔合和條狀夾渣等缺陷的反射回波相類似；

（2）對比試塊上短橫孔在近場區(qū)表現(xiàn)為線狀缺陷的反射特征，在遠場區(qū)表現(xiàn)為點狀缺陷的反射特征；

（3）對比試塊上的平底孔一般具有面積型缺陷反射體的特征；

（4）對比試塊上的 V 槽、矩形槽、線切割槽具有表面開口線性缺陷的反射特征。

4.5 A型超聲波、TOFD、超聲相控陣等檢測標準選用的對比試塊舉例

目前正在執(zhí)行的有關聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭，A型超聲波、TOFD、超聲相控陣等檢測標準所用對比試塊分別如圖9～圖12所示[4]。

上述對比試塊上的橫通孔、平底孔、矩形槽等規(guī)則反射體全部是“不透聲”的，而聚乙烯（PE）管道熔接接頭中的“未充分熔合”缺陷是嚴重透聲的，即聲學性能完全不同，這些試塊的選用不符合超聲對比試塊的定義。

同時，也不應該用上述對比試塊上的橫通孔、平底孔、矩形槽等不同規(guī)則反射體確定超聲檢測靈敏度。

5 結(jié)語

通過上述分析可以得出如下結(jié)論：

（1）聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭中的“未充分熔合”缺陷，由于存在嚴重的透聲現(xiàn)象而無法獲得最原始的A掃描波形；

（2）PE管材的整道接頭是在同一條件下熔接而成的，不存在缺陷端點；

（3）目前使用的對比試塊上的橫通孔、平底孔、矩形槽等不同規(guī)則反射體的反射特征，不能模擬“未充分熔合”缺陷的反射特征。

因此，A型超聲波、TOFD、超聲相控陣等超聲波檢測設備，都不具備檢測聚乙烯（PE）管道熱熔熔接接頭的條件。