聚乙烯燃氣管道焊接接頭超聲相控陣檢測技術

王亮 湯文斌 夏健

江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院 （江西南昌 330052）

聚乙烯具有良好的耐腐蝕性、優異的機械性能和良好的可加工性等特點。聚乙烯管道的使用壽命是防腐層完好鋼管的2 倍，能抵抗地震等自然災害的影響，因此作為燃氣管道的主要材料被廣泛應用。目前，國內絕大多數城鎮中低壓燃氣管道均采用聚乙烯管[1]。

在管道的安裝過程中，焊接是一項重要的工藝。但是，焊接過程中容易產生焊接缺陷，如氣孔、夾渣、裂紋等。目前，國內聚乙烯燃氣管道工程管理多參照CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》，該標準規定對管道的連接驗收需要經過焊接前準備（主要是對人員、設備、管材等的檢查），焊接過程控制（嚴格按照操作規程及規定的焊接參數進行），焊接后檢查（電熔主要檢測指示柱，熱熔進行卷邊切除等）3 個步驟。這些管理方式存在著很大的局限性，無法觀察到焊口內部的缺陷，同時不能判斷出存在的缺陷會對其產生多大的影響。如果不能及時發現缺陷并修復會給管道使用帶來嚴重的安全隱患，因此，對焊接接頭進行無損檢測是確保管道安全運營的關鍵步驟之一。

超聲相控陣檢測技術具有設備便攜、操作簡便、運行無輻射、結果直觀等優點，適用于燃氣管道現場不停氣檢測。GB/T 38942—2020《壓力管道規范公用管道》規定，公稱尺寸為40～400 mm 的電熔焊接接頭和公稱尺寸為75～400 mm 的熱熔對接焊接接頭可進行相控陣超聲檢測。這兩種類型幾乎覆蓋了現場中所有規格的聚乙烯燃氣管道，也充分說明了利用超聲相控陣檢測技術對聚乙烯燃氣管道進行檢測的可行性。

1 超聲相控陣檢測技術原理

超聲相控陣是一種非破壞性檢測技術，利用多個發射和接收元件的陣列（如圖1 所示），通過相位控制和波束形成實現對被檢測物體內部的聚焦和掃描[1]。通過接收反射信號并進行信號處理，可以獲取圖像信息，用于缺陷檢測和定位。

超聲相控陣系統由多個發射元件組成，每個元件可以單獨激發。通過控制激發時間和幅值，每個發射元件會發出一個超聲脈沖。這些脈沖在不同的角度下被發射，并覆蓋被檢測物體的整個區域。每個發射元件的脈沖到達時間略有差異，這就引入了相位控制的概念。通過調節每個發射元件的激發時間，可以控制超聲波的相對到達時間，從而使超聲波能夠在被檢測物體內部的特定位置聚焦。相控陣系統中的發射元件可以按照不同的時間延遲并依次激發，產生一系列微小的超聲波脈沖。通過合理調整激發元件的相位和幅值，這些脈沖可以合成一個聚焦的波束。聚焦點的位置和深度可以通過調整相位來控制。通過逐步改變發射元件的激發時間和幅值，可以使聚焦點在被檢測物體內部進行掃描，這樣可以對整個區域進行快速而全面的檢測。通過改變陣列中多個發射元件的激發順序，還可以實現多角度的掃描。通過對接收到的信號進行處理和分析，可以重建出被檢測物體內部的圖像。

2 聚乙烯燃氣管道超聲相控陣檢測

2.1 電熔接頭檢測

對于電熔接頭的檢測，早在2012 年就推出了GB/T 29461—2012《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》，其中涵蓋了檢測程序和驗收標準等。國家能源局也于2021 年發布了NB/T 47013.15—2021《承壓設備無損檢測第15 部分：相控陣超聲檢測》，該標準更完善地規范了聚乙烯管道電熔接頭的超聲相控陣檢測。

NB/T 47013.15—2021 適用于公稱直徑為40～400 mm、公稱壁厚為3.6～36.4 mm 的聚乙烯管道焊接接頭，這點同GB/T 38942—2020 中規定的范圍相吻合，方便了該標準的實施。

NB/T 47013.15—2021 將試塊分為對比試塊和模擬試塊，并根據不同的曲率半徑將對比試塊分為3 種型號，且對試塊的加工精度和鉆孔直徑作了明確的限定。該標準還對檢測區域、探頭的選擇、探頭的布置、聚焦設置和檢測時機作出了明確的說明，具有很強的操作性。

NB/T 47013.15—2021 將電熔接頭中的常見缺陷分為6 類，分別為孔洞缺陷、熔接面缺陷、冷焊、過焊、電阻絲錯位和管材承插不到位?？锥慈毕菔请娮杞z上方的氣泡和熔合區中間位置的縮孔；熔合面缺陷主要包括未熔合、夾雜、油污等；冷焊缺陷是輸入熱量不足而造成熔合區小于正常焊接接頭的熔合區；過焊缺陷是接頭焊接熱量過大造成的，過焊的熔合區大于正常焊接接頭的熔合區，通常會出現孔洞、電阻絲錯位等缺陷；電阻絲錯位是電阻絲在水平、垂直方向或兩個方向均有的錯位；承插不到位屬于裝配缺陷，可通過單邊熔合區位置判斷管材是否承插到位。

對于電熔接頭的檢測，國內學者進行了大量研究。林師一等[2]通過對聚乙烯電熔焊接常見的缺陷進行檢測分析，證實了相控陣檢測方法對聚乙烯電熔焊接缺陷的檢測具有比較高的精度及可靠性，能夠用于工程實踐。陳艷[3]通過對在建項目現場的聚乙烯電熔接頭進行抽查并對檢測結果進行分析，發現相控陣檢測技術可有效檢測出焊口的內部缺陷情況，為提升電熔焊接質量控制水準提供了幫助。胡磊[4]提出一種基于多尺度小波閾值去噪和圖像均值算法相結合的方式對聚乙烯燃氣管道電熔接頭檢測圖像進行處理，提升了檢測效率和檢測準確度，能更清晰地呈現聚乙烯燃氣管道電熔接頭的相關缺陷。上述研究表明：超聲相控陣檢測技術對于聚乙烯電熔焊接缺陷的檢測具有很高的可靠性，應用于在建項目現場時對控制電熔焊接質量起到很好的指導作用。對于電熔接頭檢測圖像處理技術的研究也在如火如荼地進行，大大提升了檢測準確度，相信在不久的將來，超聲相控陣技術應用于電熔焊接接頭內部缺陷檢測將逐步為人們所熟知及認可。

2.2 熱熔接頭檢測

對于熱熔接頭的檢測標準相對滯后，目前，國內外尚未頒布利用超聲相控陣技術檢測熱熔接頭的標準，但其檢測方法已經成熟。上海于2017 年頒布地方標準DB31/T 1058—2017《燃氣用聚乙烯（PE）管道焊接接頭相控陣超聲檢測》，該標準給出了熱熔接頭檢測的規范性附錄和特征圖譜的資料性附錄。內蒙古于2020 年1 月發布了DB15/T 1819—2020《燃氣用埋地聚乙烯管道焊接接頭超聲相控陣檢測技術規范》，該標準對熱熔接頭檢測從靈敏度的設置到檢測程序再到檢測數據的分析都作出詳細說明，具有很強的操作性。

國內學者在聚乙烯管道熱熔接頭檢測方面也進行了大量研究。王少軍等[5]提出了采用超聲相控陣動態聚焦和S 掃查成像技術對聚乙烯熱熔接頭進行檢測。檢測結果驗證了該方法的可行性并利用其進行了工程檢測驗證，為超聲相控陣技術在聚乙烯熱熔接頭檢測中的推廣提供了經驗。張曉寶[1]通過研究相控陣檢測探頭的聲場特性，模擬仿真接頭缺陷在不同探頭參數下的變化，為優化設計探頭參數組合提供了幫助，最后對制備的試樣進行超聲相控陣檢測和質量評定，研究結果表明該技術對聚乙烯熱熔焊接接頭缺陷有很好的檢測效果。施建峰等[6]對燃氣管道工程中的熱熔接頭進行現場不停氣檢測，通過檢測結果統計缺陷出現的概率，分析缺陷的產生原因（可能是泥土、水、油污等微小顆粒附著在管體端面，管體端面不平整和提前卸除夾具導致產生裂紋等），為聚乙烯燃氣管道規范施工和現場檢測提供幫助。上述研究表明超聲相控陣技術應用于熱熔接頭檢測已通過模擬仿真和工程檢測的驗證，在其實際應用中也為規范施工提供了幫助。

3 結語

現階段，聚乙烯燃氣管道電熔接頭的超聲相控陣檢測技術及標準已經成熟，無論是國標還是特種設備行業標準，都對其有比較明確的判斷依據和評判標準，可以用于電熔焊口質量檢查，提升聚乙烯燃氣管道施工質量控制水平。

對于聚乙烯燃氣管道熱熔焊口，超聲相控陣技術也有很好的檢測效果。目前，只有上海和內蒙古頒布了相關標準，國家層面標準還未出臺，希望國家層面關于聚乙烯燃氣管道熱熔焊接接頭的超聲相控陣檢測標準盡快出臺。

燃氣管道安全關乎公共安全，焊接缺陷的擴展會導致燃氣管道泄漏，目前國標只是建議對聚乙烯的電熔和熱熔焊口采用相控陣檢測技術，在驗收標準中未作要求。建議今后在修訂驗收規范時可以參照聚乙烯熱熔焊接翻邊切除檢驗，對燃氣管道焊接接頭的無損檢測設置一定的抽查比例。