聚乙烯及其复合管道安全检测与评价方法

聚乙烯及其复合管道安全检测与评价方法

王秋英

河南联塑实业有限公司河南周口466700

摘要：随着工业迅速发展，能源和环保成为人类日益关注的焦点，如何把能源消耗和环境污染降到最低限度已经成为世界性的问题。

关键词：聚乙烯管；复合管；焊接接头；无损检测；安全评定

聚乙烯及其复合管道广泛应用于油气输送、城市燃气等能源领域，其安全性至关重要.焊接接头的安全检测及评价是聚乙烯及其复合管道系统安全的关键技术。

1概述

管道作为五大运输方式之一，是输送石油、天然气等关键能源物质的主要手段，对国民经济的发展和稳定起着至关重要的作用，是国民经济的“生命线”。随着“西气东输”、“川气东送”等重大工程的实施和城市化的高速发展，管道运输以其高效率、低成本和安全可靠的优势，越来越显示出强劲的发展潜力。相比传统金属管道，聚乙烯及其复合管道具有耐腐蚀、柔韧性好、使用寿命长和不污染输送介质（如饮用水）等优点，符合国家倡导的“低碳”、“绿色”的发展方向，是国家中长期发展规划中主推的管材之一。

2焊接接头无损检测原理

无损检测原理，针对熔焊面与检测面平行且两者之间存在电阻丝阻隔的聚乙烯管道电熔接头，引入高频相控阵动态聚焦和电子线扫查技术，设计了电熔接头专用相控阵探头，通过相控阵探头线性阵元排列方式和触发时间控制，动态调节声束焦距，获取焦点位置信息。超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理，超声阵列换能器内部含有多个压电晶片，每个压电晶片形成一个发射／接收阵元，运用电子技术，按计算得到的时序控制激发各个阵元，使阵列中各阵元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面，在效果上相当于改变了换能器的空间排列形式。同样，在反射波的接受过程中，按一定规则和时序控制接收阵元的接受并进行信号合成，再将合成结果以适当形式显示，由此实现了超声波声束的动态聚焦。电子线扫查是以固定数量的阵元，以相同聚焦规则沿着探头排列方向移动扫描，直到整个探头扫描完毕的扫查方式。通过记忆各焦点的位置信息和其反射波幅值，形成B扫查成像技术，在断面图上可获得缺陷的深度位置、水平位置以及用辉度（或颜色）表示的缺陷波高。对于熔焊面与检测平面垂直且带不规则卷边结构的聚乙烯热熔焊接接头，发明了全自动卷边切除技术与装置口，使之能够更方便快捷高效地自动切除聚乙烯管道热熔接头内外卷边，从而基本排除外卷边对超声检测产生的干扰。针对聚乙烯材料的声学特征和聚乙烯管道热熔接头特有的结构特点，原创性地提出了液浸耦合与超声曲面聚焦相结合的耦合聚焦技术口，其技术原理如图1所示。

图1耦合聚焦技术原理

3检测方法与精度

聚乙烯电熔接头的超声检测要求被测表面应当没有污物，连接好超声检测设备并根据所要检测的接头尺寸选择合适的探头，调整仪器灵敏度，直到超声图像清晰为止，将耦合剂涂于被检表面，沿宽度方向移动探头以检查整个接头同时记录接头情况。探头频率应与套筒厚度相匹配，表1为不同频率探头适用的套筒厚度值。聚乙烯电熔接头超声检测调节灵敏度可以采用两种方法：校准试块调节法和试件金属丝调节法。校准试块调节法将探头放置在校准试块表面，并调

表1不同频率探头适用的套简厚度

节至获得的图像有足够的分辨率和灵敏度可以鉴别每个侧面的钻孔。试件金属丝调节法将探头放置在与测试件同厚度的合格的电熔接头外表面，然后调节至获得的图像有足够的分辨率和灵敏度可以鉴别每一根电阻丝。用于聚乙烯管材的聚乙烯材料，国家标准对其物理性质（如密度、模量）以及添加剂含量（如炭黑等）均有严格的规定，可以认为不同批次的聚乙烯管材之问的声速差异可以忽略。此外，对焊接后焊区材料进行测试，发现其密度、模量等与声速相关的物理量在各个区域的差异并不显著。因此，研究中不考虑材料批次以及焊接引起的声速差异。具体检测时，在待检的电熔接头上涂抹上耦合剂，以90。为间隔选择4个探测点，观测显示器是否有可记录信号。以传感器宽度为扫描区域宽度沿套筒圆周移动传感器探测整个接头，是否有可记录信号被检测到，如果检测到可记录信号，将传感器沿周向扫查，以确定缺陷分布的范围。通过对大量带有典型缺陷的试块、试样的检测试验，结合工程实践，验证超声相控阵聚焦技术对聚乙烯电熔接头熔合面缺陷、孔洞及金属丝错位等缺陷均有较高的检测灵敏度和检出精度。结果表明，对金属丝上方≥1．0mm、金属丝信号之间≥1．0mlTl以及金属丝信号下方≥2．0mm的缺陷有1009，6的检出率；对熔合面缺陷、金属丝上方的孔洞及金属丝错位的定量、定位精度可达0．5mm，对金属丝下方孔洞的定量、定位精度可达1．0mm。检测灵敏度和检出精度符合电熔接头质量控制要求。通过试制含缺陷热熔对接接头，并采用耦合聚焦技术进行可靠性检验，结果表明该技术可有效检出接头中的1的孔洞、Imm高的裂纹和典型的未熔合缺陷。通过对比试验证明其对缺陷的检测灵敏度优于TOFD技术和传统的接触法斜波技术。

4冷焊检测原理与方法

4.1冷焊检测原理，对电熔接头进行超声相控阵Ｂ扫描成像，发现电熔接头超声成像图谱中电阻丝回波信号上方有一条水平方向的白色亮线。由于这条超声信号线在焊接结束后能被永久地固化在电熔接头内部，成为记录该接头的焊接工艺或焊接条件的“指纹”，因而将其称为特征线。因而只要建立起特征线位置与焊接输入热量的关系，就可以根据特征线位置判断电熔接头是否存在冷焊缺陷，并用以表征其冷焊程度。在相同的焊接电压下，焊接时间直接决定了焊接输入热量。随着焊接时间的增加，特征线离电阻丝的距离也逐渐变大。由于超声检测特征线在电熔焊接过程中与熔融区边界的位置重合，因而建立高精度的电熔焊接温度场模型并准确预测熔融区扩展规律成为冷焊检测与表征的关键。电熔焊接过程温度场结果的误差来源包括模型参数的测量误差（包括聚乙烯材料参数、焊接工艺参数以及接触热阻）、数值计算方法的误差以及有这些误差相互耦合产生的新的误差。由于每个因素都随温度呈非线性变化规律，由因素与因素之间相互耦合产生的影响将更加难以预计。因此，准确获得这些材料的参数值，清楚各个因素对结果的影响，将数值计算方法的误差限制在一定范围之内，从而防止各个误差因素之间的非线性耦合，是保证温度场预测结果准确性的关键。考虑上述各焊接参数的影响建立电熔焊接过程温度场模型，将实测的材料参数和电阻丝参数随温度的变化规律带入模型计算。传统的理论分析和有限元方法计算包含多个非线性变化参量及其之间相互耦合数值模型时，往往存在收敛困难及计算精度较差的问题。为此，开发了具有智能调整时间步长的数值计算程序，可根据每一时间步温度变化幅度自适应调整时间步长，确保温度场计算结果具有较高精度。根据温度场预测结果发现，在熔融区形成以后，其扩张速率基本是均匀的，即除了焊接开始阶段，特征线与电阻丝之间的距离随焊接时间近似成线性关系。通过对比熔融区边界与电阻丝间距以及实际测量得到特征线与电阻丝之间距离，表明该温度场模型可准确预测特征线的移动规律。

4.2冷焊检测方法，由于特征线与电阻丝之间的距离与焊接输入热量之间有明确的对应关系，因而可将其用于冷焊的间接检测，其实施方法为：（1）利用超声检测方法对正常焊接接头焊接部分的某一截面进行检测，获得超声反射信号图像，测得该超声反射信号图像中的特征线与电阻丝的距离L。（2）对待测电熔接头同样进行超声检测，获得某一截面的超声反射信号图像，测得该超声反射信号图像中的特征线与电阻丝的距离Ｌ；（3）根据上述两个图像中的特征线距离电阻丝的远近来判断该待测电熔接头是否存在冷焊缺陷。

可用于标识熔融区边界的特征线，提出了高精度的焊接温度场预测模型及其算法，揭示了聚乙烯及其复合管道冷焊的形成及其检测机理，实现了聚乙烯及其复合管道冷焊检测与表征。

参考文献：

[1]周明阳，浅谈聚乙烯及其复合管道安全检测与评价方法.2016.