聚乙烯燃氣管道熱熔接頭冷焊缺陷的微波檢測技術(shù)研究

牛小馳 車 飛 陳 斯

（1.北京市特種設(shè)備檢驗檢測研究院 北京 100029）

（2.北京西管安通檢測技術(shù)有限責(zé)任公司 北京 100107）

（3.北京市燃氣集團有限責(zé)任公司特種設(shè)備檢驗所 北京 100011）

國務(wù)院、市場監(jiān)管總局相繼印發(fā)城鎮(zhèn)燃氣安全排查整治工作方案，對燃氣用壓力管道進行風(fēng)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(zhèn)燃氣建設(shè)中應(yīng)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(shù)已無法滿足由于使用量快速增長而產(chǎn)生的經(jīng)濟性與安全性的需求[1]。傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)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(dǎo)致了潛在的安全和環(huán)境風(fēng)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(nèi)外先進的聚乙烯微波檢測技術(shù)，對熱熔接頭的冷焊缺陷進行表征與分析，對檢測結(jié)果的可靠性進行了力學(xué)性能驗證，同時對破壞性斷口進行了微觀結(jié)構(gòu)分析，可為聚乙烯燃氣管道的焊接質(zhì)量、檢測方法和運行維護提供技術(shù)支撐。

1 微波檢測原理

微波無損檢測設(shè)備的原理圖如圖1 所示，微波發(fā)射器在一定頻率范圍內(nèi)發(fā)射單一頻率微波，當(dāng)微波在介電材料中傳播時，由于材料結(jié)構(gòu)的不連續(xù)或內(nèi)部缺陷，會引起介電特性，即不同的復(fù)介電常數(shù)的變化，從而導(dǎo)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(fā)射波進行對比，進一步計算出介電材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷的位置，最終呈現(xiàn)出實時影像[2]。

圖1 微波檢測裝置原理圖

以美國為主的發(fā)達國家早在20 世紀(jì)80 年代就開發(fā)了微波檢測相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備，美國1986 年開始使用微波檢測技術(shù)檢測核電用聚乙烯管焊接接頭的內(nèi)部缺陷，并使用微波檢測技術(shù)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(shù)已在聚乙烯管焊接接頭[3]、風(fēng)電葉片[4]、復(fù)合材料、核電用橡膠膨脹接頭等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。憑借無危害、非接觸、無須耦合等優(yōu)勢，該技術(shù)將在非金屬及其復(fù)合材料檢測應(yīng)用領(lǐng)域逐漸發(fā)揮重要作用，在城市燃氣、新能源（風(fēng)電、核電）、石油石化、航空航天等領(lǐng)域也將展現(xiàn)廣闊的應(yīng)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(xué)會標(biāo)準(zhǔn)中，2018 年美國材料試驗協(xié)會頒布了標(biāo)準(zhǔn)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(shù)之后，相關(guān)機構(gòu)也在加速推進微波無損檢測聚乙烯管道熱熔接頭的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2 熱熔接頭的冷焊缺陷及其產(chǎn)生機理

聚乙烯管材具有優(yōu)良的抗腐蝕性、耐磨性、柔韌性和抗應(yīng)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(chǎn)生腐蝕、裂紋而失效，根據(jù)行業(yè)資料調(diào)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(dǎo)致的漏氣，而焊縫位置的局部開裂產(chǎn)生機理正是焊縫區(qū)域分子鏈出現(xiàn)異常，即產(chǎn)生冷焊缺陷。

聚乙烯管的現(xiàn)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(tài)后移去加熱裝置，在設(shè)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(jié)，最后冷卻成堅硬的焊接接頭[6]。合格的焊接接頭表現(xiàn)為分子結(jié)構(gòu)經(jīng)過再結(jié)晶后在微觀層面形成了足夠數(shù)量的長鏈結(jié)構(gòu)，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(qū)沒有形成足夠的分子長鏈，即接頭區(qū)域為非長鏈結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示，這類接頭在外觀上與合格接頭難以區(qū)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(jié)構(gòu)示意圖

冷焊缺陷的本質(zhì)是焊縫區(qū)域分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生異常，其產(chǎn)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(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)，比如過冷、過熱、欠壓、過壓以及不當(dāng)?shù)臒岷土Φ慕M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(jié)。這種分子鏈結(jié)構(gòu)的變化雖然不會引起超聲能量和射線能量的變化，因此現(xiàn)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(fù)介電常數(shù)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(shù)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(shù)見表1。

表1 熱熔接頭試樣參數(shù)信息表

3.2 微波檢測

采用EVISIVE 微波全自動檢測設(shè)備，對熱熔接頭試樣進行全周向掃描，使用檢測設(shè)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(jié)果圖。

圖3 熱熔焊接試樣微波檢測照片

3.3 微波檢測結(jié)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(jīng)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(xù)的位置為冷焊缺陷，2#試樣中總共有2 處冷焊缺陷，較為嚴(yán)重的冷焊缺陷出現(xiàn)在300 ～340 mm 的位置，從圖4（b)可以看出，該處位置接頭區(qū)域的色帶幾乎消失，即該處接頭結(jié)構(gòu)的介電性能值與合格接頭處產(chǎn)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(qū)域的色帶同樣消失，消失長度約10 mm。綜合以上微波檢測結(jié)果，可以確定冷焊往往存在于焊接接頭的局部區(qū)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(jié)果圖

4 力學(xué)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(zhì)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(qū)域和存在冷焊缺陷的區(qū)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(yīng)斷口形貌如圖5（b）所示，拉伸測試結(jié)果見表2，拉伸曲線如圖6 所示。

表2 拉伸試樣結(jié)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(jié)果顯示的合格區(qū)域（#1、#3）對應(yīng)的斷口形貌為韌性斷裂，微波檢測結(jié)果顯示的冷焊區(qū)域（#2、#4）對應(yīng)的斷口形貌為脆性斷裂，即微波檢測結(jié)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(jīng)歷了彈性變形、屈服變形、頸縮、應(yīng)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(fā)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(jié)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(tài)。使用ZESSI 公司生產(chǎn)的型號為QUANTA450 的環(huán)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(tài)，脆性斷口的微觀組織表現(xiàn)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(tài)，掃描電鏡結(jié)果仍然能觀察到單個的分子鏈斷裂形態(tài)，進一步證實了熱熔接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)是分子鏈結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)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(chǎn)生機理為焊接過程中未產(chǎn)生足夠量的分子長鏈結(jié)構(gòu)，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(xué)性能，同時使微觀結(jié)構(gòu)發(fā)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(jié)構(gòu)。

3）微波由于對聚乙烯材料的介電特征十分敏感，可以準(zhǔn)確地檢測熱熔接頭的冷焊缺陷，微波檢測結(jié)果與接頭的力學(xué)拉伸試驗和微觀斷口形貌結(jié)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(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，推動微波無損檢測技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用，逐步完善聚乙烯管道安全風(fēng)險評價方法。