聚乙烯燃氣管道熱熔接頭冷焊缺陷的微波檢測技術研究

牛小馳 車 飛 陳 斯

（1.北京市特種設備檢驗檢測研究院 北京 100029）

（2.北京西管安通檢測技術有限責任公司 北京 100107）

（3.北京市燃氣集團有限責任公司特種設備檢驗所 北京 100011）

國務院、市場監管總局相繼印發城鎮燃氣安全排查整治工作方案，對燃氣用壓力管道進行風險研判、強化防控和消除隱患刻不容緩。聚乙烯燃氣管道作為壓力管道的一種，在城鎮燃氣建設中應用非常廣泛。隨著聚乙烯管道服役期限越來越久，暴露出來的隱患也越來越多。目前以宏觀檢測為主的缺陷檢測技術已無法滿足由于使用量快速增長而產生的經濟性與安全性的需求[1]。傳統的無損檢測技術對于聚乙烯壓力管道缺陷的檢測均存在局限性，管道缺陷無法及時檢出，導致了潛在的安全和環境風險。如何對聚乙烯燃氣管道熱熔接頭實施有效的無損檢測，建立完善的缺陷識別與評判體系，對聚乙烯燃氣管道的安全運行具有重大意義。本文使用目前國內外先進的聚乙烯微波檢測技術，對熱熔接頭的冷焊缺陷進行表征與分析，對檢測結果的可靠性進行了力學性能驗證，同時對破壞性斷口進行了微觀結構分析，可為聚乙烯燃氣管道的焊接質量、檢測方法和運行維護提供技術支撐。

1 微波檢測原理

微波無損檢測設備的原理圖如圖1 所示，微波發射器在一定頻率范圍內發射單一頻率微波，當微波在介電材料中傳播時，由于材料結構的不連續或內部缺陷，會引起介電特性，即不同的復介電常數的變化，從而導致微波反射波幅值和相位的不同，接收傳感器采集到反射波信號后與發射波進行對比，進一步計算出介電材料內部結構和缺陷的位置，最終呈現出實時影像[2]。

圖1 微波檢測裝置原理圖

以美國為主的發達國家早在20 世紀80 年代就開發了微波檢測相應的技術和設備，美國1986 年開始使用微波檢測技術檢測核電用聚乙烯管焊接接頭的內部缺陷，并使用微波檢測技術對一些航天及軍工尖端材料進行檢測與研究，至今微波檢測技術已在聚乙烯管焊接接頭[3]、風電葉片[4]、復合材料、核電用橡膠膨脹接頭等領域得到了廣泛應用。憑借無危害、非接觸、無須耦合等優勢，該技術將在非金屬及其復合材料檢測應用領域逐漸發揮重要作用，在城市燃氣、新能源（風電、核電）、石油石化、航空航天等領域也將展現廣闊的應用前景。

微波無損檢測方法已于2016 年被收錄至美國無損檢測學會標準中，2018 年美國材料試驗協會頒布了標準ASTM E3101-18《聚乙烯管熱熔接頭的微波無損檢測》[5]，我國近幾年引進微波檢測技術之后，相關機構也在加速推進微波無損檢測聚乙烯管道熱熔接頭的相關標準。

2 熱熔接頭的冷焊缺陷及其產生機理

聚乙烯管材具有優良的抗腐蝕性、耐磨性、柔韌性和抗應力開裂性，與金屬管道完全不同，服役的聚乙烯管道本體和熱熔焊縫不會產生腐蝕、裂紋而失效，根據行業資料調研獲悉，目前聚乙烯管道的失效形式主要為熱熔焊縫的局部開裂而導致的漏氣，而焊縫位置的局部開裂產生機理正是焊縫區域分子鏈出現異常，即產生冷焊缺陷。

聚乙烯管的現場安裝以熱熔焊接形式為主，通常將聚乙烯管兩端面加熱到熔融溫度，使其達到黏流態后移去加熱裝置，在設定的壓力下保證接口斷面充分接觸，使聚合物分子之間相互扭結，最后冷卻成堅硬的焊接接頭[6]。合格的焊接接頭表現為分子結構經過再結晶后在微觀層面形成了足夠數量的長鏈結構，如圖2（a）所示；如果在接頭冷卻的過程中，受到其他因素干擾或影響，接頭熔合區沒有形成足夠的分子長鏈，即接頭區域為非長鏈結構，如圖2（b）所示，這類接頭在外觀上與合格接頭難以區分，甚至能夠通過早期的耐壓試驗，但是在服役的過程中卻會過早地以脆性方式失效，通常被稱為冷焊缺陷[7]。

圖2 熱熔接頭分子鏈結構示意圖

冷焊缺陷的本質是焊縫區域分子鏈結構發生異常，其產生原因主要有2 個方面[8]，一方面是焊接過程施加了不恰當的焊接工藝參數，比如過冷、過熱、欠壓、過壓以及不當的熱和力的組合；另一方面是由于焊接時外來的污染，如油脂、灰塵等異物在焊接程序切換時粘在融合面上，隔絕分子鏈的互相滲透和纏結。這種分子鏈結構的變化雖然不會引起超聲能量和射線能量的變化，因此現有的超聲、射線等無法檢測冷焊缺陷，但冷焊缺陷會引起材料復介電常數的變化，這也是微波能夠檢測出冷焊缺陷的主要原因[9]。

3 冷焊缺陷的微波檢測與表征

3.1 含冷焊缺陷的熱熔接頭試樣制備

本文采用滄州明珠塑料股份有限公司出品的DN110、PE100、SDR17 聚乙烯燃氣管材制作正常工藝參數的合格接頭和含有冷焊缺陷的試樣，以比對微波檢測方法對冷焊缺陷的表征。其中冷焊缺陷試樣通過在焊接接頭切換過程中，混入油類異物，制造冷焊缺陷，制備熱熔對接接頭的參數見表1。

表1 熱熔接頭試樣參數信息表

3.2 微波檢測

采用EVISIVE 微波全自動檢測設備，對熱熔接頭試樣進行全周向掃描，使用檢測設備及照片見圖3。掃描的同時獲取整個接頭厚度方向的微波檢測結果圖。

圖3 熱熔焊接試樣微波檢測照片

3.3 微波檢測結果

圖4（a)為合格的熱熔接頭微波檢測圖，圖像中央的色帶即為熱熔接頭，水平方向代表接頭的周向長度，合格的接頭在微波圖像上會顯示1 條寬度均勻的色帶。圖4（b)為經過微波檢測并確定存在冷焊缺陷的熱熔接頭，圖中色帶不連續的位置為冷焊缺陷，2#試樣中總共有2 處冷焊缺陷，較為嚴重的冷焊缺陷出現在300 ～340 mm 的位置，從圖4（b)可以看出，該處位置接頭區域的色帶幾乎消失，即該處接頭結構的介電性能值與合格接頭處產生了差異，其微觀屬性為分子長鏈的缺失。2#試樣另一處冷焊缺陷位于135 ～145 mm 的位置，從圖4（b)可以看出，該處位置接頭區域的色帶同樣消失，消失長度約10 mm。綜合以上微波檢測結果，可以確定冷焊往往存在于焊接接頭的局部區域，并能夠與其他合格的位置形成明顯對比。

圖4 微波檢測結果圖

4 力學性能測試

為了進一步分析驗證2#試樣含有冷焊缺陷位置的實際焊接質量和強度，按照GB／T 19810—2005《聚乙烯（PE)管材和管件 熱熔對接接頭 拉伸強度和破壞形式的測定》要求，對2#含冷焊缺陷接頭進行截取，在焊縫的合格區域和存在冷焊缺陷的區域進行取樣，取樣位置如圖5（a）所示，制備4 個A 型拉伸試樣，以5 mm／min 的恒定速度進行拉伸試驗，直到試樣完全破壞，對應斷口形貌如圖5（b）所示，拉伸測試結果見表2，拉伸曲線如圖6 所示。

表2 拉伸試樣結果信息表

圖5 2#試樣拉伸位置及斷口形貌

圖6 拉伸試驗曲線圖

由圖5 可以確定，微波檢測結果顯示的合格區域（#1、#3）對應的斷口形貌為韌性斷裂，微波檢測結果顯示的冷焊區域（#2、#4）對應的斷口形貌為脆性斷裂，即微波檢測結果所表征的冷焊缺陷與破壞性拉伸試驗斷口形貌一致。

通過分析圖6 的拉伸試驗曲線可以看出，#1、#3兩個拉伸試樣在拉伸-斷裂過程經歷了彈性變形、屈服變形、頸縮、應力集中、斷裂的過程，焊縫位置變形量較大，達到75 ～85 mm 之間，焊縫位置的強度較大，拉伸過程強度得到了釋放；#2、#4 兩個拉伸試樣在彈性變形階段即發生斷裂，焊縫位置變形量僅為5 ～10 mm，為典型的脆性斷口、強度不足。

5 掃描電鏡結果

對拉伸試驗中的脆性斷口和韌性斷口進行電鏡掃描，分析其微觀形態。使用ZESSI 公司生產的型號為QUANTA450 的環境掃描電子顯微鏡，在加速電壓800 kV 下，對試樣進行觀察。圖7、圖8 展示了拉伸斷口試樣宏觀形貌的電鏡掃描照片。

圖7 脆性斷口特征圖

圖8 韌性斷口特征圖

圖7 的形貌顯示脆性斷口的形態，脆性斷口的微觀組織表現為分子鏈較少，存在較大的銀紋斷面。

圖8 的形貌顯示韌性斷口上局部少量的分子鏈拉伸后斷裂的形態，掃描電鏡結果仍然能觀察到單個的分子鏈斷裂形態，進一步證實了熱熔接頭的微觀組織結構是分子鏈結構。

6 結束語

1）聚乙烯管熱熔焊接接頭的主要缺陷為冷焊缺陷，其產生機理為焊接過程中未產生足夠量的分子長鏈結構，即分子鏈未充分纏繞。

2）冷焊缺陷大大降低了熱熔對接接頭的力學性能，同時使微觀結構發生變化。通過對拉伸試驗中的脆性斷口進行掃描電鏡測試，進一步確定了脆性斷口的微觀屬性，存在較為微弱的分子鏈結構。

3）微波由于對聚乙烯材料的介電特征十分敏感，可以準確地檢測熱熔接頭的冷焊缺陷，微波檢測結果與接頭的力學拉伸試驗和微觀斷口形貌結果相符合。

4）建議加快推進聚乙烯管道熱熔接頭微波無損檢測方法標準體系建設，推動微波無損檢測技術在實際工程中的應用，逐步完善聚乙烯管道安全風險評價方法。