燃氣聚乙烯管道熱熔接頭聲發射檢測研究

王曉梁 李 陳 孫志濤

江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 （江蘇南通 226001）

由于聚乙烯管具有耐腐蝕、不易泄漏、高韌性、優良的撓性、良好的抗刮痕能力、良好的快速裂紋抵抗能力、壽命長等特點，2000 年以后，我國新建的中低壓城鎮燃氣管道大規模使用聚乙烯管。針對熱熔接頭缺陷，目前較為成熟的無損檢測手段主要有相控陣檢測技術和X 射線檢測技術。聲發射檢測技術是根據結構內部發出的應力波來判斷內部損傷程度的一種新型動態無損檢測方法，可以在構件或材料的內部缺陷或潛在缺陷處于運動變化的過程中進行檢測。聲發射檢測已應用于航空航天、石油、化工、鐵路、汽車、建筑和電力等領域，是一種重要的無損檢測技術，與常規無損檢測技術相比有兩個基本特點：一是對動態缺陷敏感，在缺陷萌生和擴展過程中能實時發現；二是聲發射波來自缺陷本身而非外部，可以得到有關缺陷的豐富信息，檢測靈敏度與分辨率高。使用過程中聚乙烯熱熔接頭出現的破裂和泄漏等損傷，均伴隨著“聲”的產生。嘗試運用聲發射技術對聚乙烯管道進行模擬檢測，為后期開展燃氣聚乙烯管道聲發射檢測提供借鑒。

1 試驗概況

目前，各方對聚乙烯管道熱熔接頭的缺陷形式分類暫未形成一致的意見[1]，選擇具有代表性的冷焊、氣孔、夾雜、過焊作為缺陷源，并制作一根無缺陷的聚乙烯管道用于比對檢測結果[2]。對這5 根聚乙烯管道在實驗室內進行氮氣打壓，從而檢測管道在內壓載荷下的缺陷活動狀況，并根據此過程中聲發射信號的強弱與活性程度對管道的本質安全狀況進行分析。管道長度為5 m，分別由2 根2.5 m 長的管道熱熔熔接而成，基本參數見表1。

表1 試驗工件基本參數

分別在管道兩端和中部焊接位置布置3 個聲發射傳感器。聲發射設備采用美國PAC 公司的SAMOS 型48 通道聲發射儀，傳感器型號為R3I，試壓管道傳感器布置見圖1。本次聲發射檢測系統包括換能器、前置放大器、主放大器、處理器和記錄顯示裝置。檢測系統的性能應符合NB/T 47013.9—2012《承壓設備無損檢測 第9 部分：聲發身檢測》中附錄的要求。換能器的諧振頻率范圍為20～100 kHz，確保有足夠的接收靈敏度。選用的聲發射儀器有實時顯示和記錄功能，有覆蓋檢驗區域的足夠通道數,可記錄超過系統檢測閾值的撞擊數、幅度、計數或能量參數。采用時差定位方法時應能記錄信號的到達時間。

圖1 聲發射傳感器布置

試驗過程中選擇氮氣作為充裝介質進行打壓， 加載過程如圖2 所示。

圖2 聲發射加載過程

2 聲發射信號衰減測試

用模擬源校準檢測靈敏度。模擬源應能重復發出彈性波。采用?0.5 mm，硬度為HB 的鉛筆芯折斷信號作為模擬源。鉛芯伸出長度約為2.5 mm，與管道表面夾角約為30°。其響應幅度值取3 次以上響應平均值。在管道的頂端布置一聲發射傳感器，每隔100 mm 進行斷鉛，從而測試聲發射信號在管道上的傳播特性，距離（時間）-幅值關系見表2 和圖3。

圖3 聲發射衰減測試時間-幅值信號

表2 聲發射衰減測試距離-幅值關系

從聲發射信號的傳播距離與幅值測試數據可看出，管道架空狀態下，聲發射信號傳播距離達到1.9 m 左右時，其信號幅值達到38 dB。在承壓設備聲發射檢測過程中，一般情況下門檻選取40 dB。因此在實際檢測過程中，理論上兩個聲發射傳感器之間的距離不大于3.6 m。為提高檢測效率、防止有效聲發射信號的丟失，傳感器間距選取3 m 左右較為合適。對于重點檢測部位，如彎頭、三通或懷疑有缺陷的部位，需要單獨增設傳感器進行檢測。

3 5 根管道聲發射檢測結果

3.1 完好管道加載過程聲發射檢測

加載檢測前，應進行背景噪聲的測量，建議檢測背景噪聲的時間不少于15 min。背景噪聲大于所設定的閾值時，應設法消除背景噪聲的干擾或中止檢測。在管道上依次布置3 個傳感器，背景噪聲測量完成后，進行聲發射檢測。0～6 s 為升壓階段，6～16 s 為保壓階段，16～19 s 為降壓階段，從3 號傳感器處進氣升壓，分別采集管道在升壓、保壓、泄壓階段的聲發射信號，如圖4 所示。

圖4 完好管道聲發射檢測信號

（1）由于管道較短，充氣過程對于聲發射檢測的影響巨大，充氣時的氣流干擾聲信號非常強，很難判斷其中是否夾雜有缺陷的擴展信號，因此在實際檢測過程中，被檢測位置應盡可能遠離進出氣口。

（2）在實際保壓過程中，可以明顯看出1 號和2號傳感器未采集到任何聲發射信號，可見在此過程中管道始終處于安全穩定狀態，未產生明顯的缺陷擴展現象。

3.2 冷焊缺陷狀態下管道聲發射檢測

從3 號傳感器處進行進氣升壓，2 號傳感器位置處的焊縫布置有假焊缺陷。0～5 s 為升壓階段，5～16 s 為保壓階段，16～28 s 為降壓階段，結果如圖5 所示。可以看出：管道的充氣過程給3 號傳感器的聲發射采集帶來了巨大的影響，且在保壓過程中仍然出現了氣體泄漏，因此給1 號和2 號傳感器的保壓信號采集帶來了一定影響，從而采集到了一些聲發射噪聲信號。1 號傳感器由于遠離進氣口，其聲發射信號數量較2 號傳感器少。

圖5 冷焊熱熔接頭管道聲發射檢測信號

對進氣閥門進行維修后重新打壓測試，結果如圖6 所示。可以看出，升壓和降壓過程中出現了明顯的聲發射信號，保壓過程中基本上未出現聲發射信號。可見，在此次加載的壓力下，管道中預制的假焊缺陷未出現擴展，缺陷始終穩定，呈現死缺陷現象。

圖6 冷焊熱熔接頭管道聲發射檢測信號

3.3 夾雜缺陷狀態下管道聲發射檢測

對于夾雜缺陷管道，0～7 s 為升壓階段，7～17 s為保壓階段，17～21 s 為降壓階段，其中2 號傳感器位置處的焊縫布置有夾雜缺陷，結果如圖7 所示。可以看出，升壓和降壓過程中出現了明顯的聲發射信號，保壓過程中基本上未出現聲發射信號。可見，在此次加載的壓力下，管道中預制的夾雜缺陷未出現擴展，缺陷始終穩定，呈現死缺陷現象。

圖7 含夾雜熱熔接頭管道聲發射檢測信號

3.4 氣孔缺陷狀態下管道聲發射檢測

對于含氣孔缺陷管道，0～4 s 為升壓階段，5～20 s 為保壓階段，20～28 s 為降壓階段，測試信號如圖8所示。其中1 號和3 號傳感器位置處的焊縫布置有氣泡缺陷。可以看出，升壓和降壓過程中出現了明顯的聲發射信號，保壓過程中基本上未出現聲發射信號。可見，在此次加載的壓力下，管道中預制的氣孔缺陷未出現擴展，缺陷始終穩定，呈現死缺陷現象。

圖8 含氣孔熱熔接頭管道聲發射檢測信號

3.5 過焊缺陷狀態下管道聲發射檢測

對于含過焊缺陷管道，0～3 s 為升壓階段，4～20 s 為保壓階段，20～28 s 為降壓階段。其中1 號和2號傳感器位置處的焊縫布置有過焊缺陷，檢測信號如圖9 所示。升壓和降壓過程中出現了明顯的聲發射信號，而保壓過程中基本上未出現聲發射信號。可見，在此次加載的壓力下，管道中預制的過焊缺陷未出現擴展，缺陷始終穩定，呈現死缺陷現象。

圖9 過焊熱熔接頭管道聲發射檢測信號

4 結語

（1）此次管道聲發射檢測的最大加載壓力為0.40 MPa，在這一壓力下管道預制的缺陷均未出現明顯的擴展，說明在0.40 MPa 的壓力下，管道滿足繼續使用的條件。

（2）聚乙烯材質呈現的缺陷擴展聲發射特征與金屬材質完全不同。為了更好地識別和判定缺陷的安全狀況等級，建議對聚乙烯材料進行基礎的材料破壞及力學性能實驗，并在此基礎上收集其聲發射特征參數，為后續現場檢測提供必要的數據支撐。

（3）由于聚乙烯材質的塑性比鋼制管道大得多，其缺陷擴展是否呈現突發性的特征，以及其發生的頻率特性都會影響聲發射信號的識別，因此建議先采用寬頻帶聲發射傳感器對信號進行更廣范圍的采集，在準確判斷缺陷的頻率分布之后，再使用窄頻傳感器進行檢測。

聚乙烯管道的聲發射檢測還處于研究階段，實際使用前還需要進行大量的研究工作，如信號特征、判別規則、傳感器設計、檢測工藝制定等。