聚乙烯燃气管道焊接质量无损检测技术的应用.pdf

上海煤气上海煤气 2023 年第 4 期 9 9 聚乙烯燃气管道焊接质量无损检测技术的应用 上海海贤能源股份有限公司 周思君 摘要：聚乙烯燃气管道的焊接质量将直接影响城镇燃气管网安全运行，但仅采用外观检查、现场检查和焊机数据分析等检查手段，不能有效评定其焊接质量。超声相控阵检测技术是基于脉冲反射法检测技术发展起来的一种新型检测方法，能有效灵活地控制超声波束的入射角度、焦点及焦距，使其适用性和检测有效性大大增强。在工程应用实例中，采用该无损检测技术对热熔和电熔接头的不同类型缺陷进行定量评级，并结合现场实际安装情形分析焊接质量的影响因素，可取得良好的效果；同时，提出了该技术推广应用的建议。关键词：聚乙烯燃气管道 焊接 无损检测 超声相控阵检测技术 聚乙烯(PE)管道因其质量轻、可回收、使用寿命长和耐腐蚀等特点被广泛应用于城镇燃气管网系统。目前上海海贤能源股份有限公司(以下简称公司)运行的 PE 燃气管道主要使用在低压燃气管网系统中，运行压力为 2 kPa，长度约为 753 km，占燃气管道总长的 53%。据 2021 年 1 月9 月公司抢维修记录报告，有 60 起各类埋地燃气管泄露事故中PE 管占 36 起，其中 8 起为 PE 管自然损坏。1 PE 管道焊接方式 目前 PE 燃气管道允许使用的两种焊接方式分别是热熔对接和电熔套接。热熔对接是把表面处理干净的 PE 管用加热装置将要熔焊的两根管材端面加热至规定的温度下，将两根管材对接熔合，熔合要在一定的压力下进行。电熔套接就是先用直径与管材匹配的电熔套接接头将两根管材套住，然后将接头里热阻丝通电发热对管材表面的聚乙烯分子加温至熔合状态，使套接接头与管材熔合。不管采用何种焊接方式，都是根据 PE 管材的直径及管材配件来选择的，但对于公称外径小于 90 mm 或壁厚小于 6 mm 的应采用电熔套接。PE 材料焊接时由于不需要焊条，在焊接时保证了焊合处材料和母材一致，管材熔合处端面如果处理干净和焊接工艺达到了要求，熔合处基本不会产生缺陷。一旦焊接时没达到相关工艺要求，如加热时温度过高或过低时就会使焊接接头产生过焊、冷焊等缺陷。尤其在焊接环境较为恶劣的施工现场，泥土、污水等会吸附在 PE 管材端面，若未及时清理干净，这些污染物会一起熔合到管材端面处，在熔合焊缝处出现气孔、未熔合、夹杂物等焊接缺陷，从而影响 PE 管道的焊接质量1。2 PE 管道焊接质量检验 2.1 检验方法 燃气工程 PE 管道焊接质量检验现在采用的是外观检查、现场检查和焊接数据分析检查。CJJ 632018聚乙烯燃气管道工程技术标准中规定：燃气管道工程的验收包括管道连接的验收和管道工程的试验。管道连接验收中，电熔接头应满足管材和管件相互对、观察孔内物料顶起、接缝处物料和电阻丝未被挤出等要求；热熔接头应通过卷边对称性试验、接头对正性检验和部分接头卷边切除检验。管道工程的试验应进行管道吹扫、强度试验和严密性试验。上述这些要求主要是对施工过程进行质量控制，并不能直观展现焊接质量。电熔接头超声检测的量化评级技术趋于成熟，主要有 GB/T 294612012 聚乙烯管道电熔接头超声检测和 GB/T 294602012含缺陷聚乙烯管道电熔接头安全评定。热熔接头超声检测通过改善耦合聚焦技术，大大提高了检测灵敏度和信噪比。 1010 2023 年第 4 期 上海煤气上海煤气 上海市质量技术监督局发布的 DB31/T 10582017燃气用聚乙烯(PE)管道焊接接头相控阵超声检测作为检验层面的技术标准，将超声相控阵检测方式作为标准检测方法。2.2 超声相控阵检测 传统超声检测使用单一的探头，采用机械扫查的方式移动探头对工件进行扫查。受工件的形状和耦合程度的限制，这种检测模式速度慢、灵敏度较低，仅能在仪器上显示扫描波形图，测量结果显示不具体，无法根据需要灵活改变聚焦深度等参数，难以满足检测需求。超声相控阵检测技术是基于脉冲反射法检测技术发展起来的一种新型检测方法。超声相控阵探头是由若干个相对独立的阵元组成，相当于一个单阵元用晶片分割法分成若干小阵元，其中每个小阵元都能独立发射声波，按照不同的延时法则(Delay laws)控制每个阵元发射声波的时间顺序，使不同阵元发射的超声波束叠加形成超声波阵面，改变声束聚焦点和聚焦方向合成相控阵波束，最终生成扫描图像。与脉冲反射法相比，超声相控阵检测技术的声束偏转角可任意改变、聚焦深度在试验过程中可调节、检测的灵敏度高。采用超声相控阵技术，可以通过计算机灵活地控制超声波束的入射角度、焦点及焦距，且超声波束可在探头内快速平移调整，同时保证接收信号有良好的分辨率和信噪比。这也使超声相控阵技术检测接头的适用性大大增强2。3 工程应用实例 3.1 项目概况 水域春岸雅苑配套燃气排管工程项目位于奉贤区大型居住社区内，在贤浦路以东、北行路南北两侧，分为南北区，住宅建筑面积 15.66 万 m2，住户 1 592 户，属较大型住宅配套建设项目。该项目于 2019 年 8 月 26 日开工，先行施工中压燃气管道，至 2021 年 4 月中旬开始实施低压 PE 管敷设工作，管材材质为 SDR11、PE80，供应商均为航天能源，口径包括 dn250、dn200、dn160、dn110、dn63、dn50及 dn40，检测工作与现场敷设同步实施。3.2 检测评定依据 检测评定依据为 DB 31/T 10582017，首先判断接头中存在的缺陷，然后根据接头中存在的缺陷性质、数量和密切程度，其质量等级可划分为、级。热熔接头缺陷性质包括：孔洞、熔合面夹杂(如夹砂、灰尘、金属等)、未熔合及裂纹。其中，熔合面夹杂缺陷的质量分级的评定见表 1。表 1 熔合面夹杂缺陷的质量分级 级别 与内外壁贯通的熔合面夹杂 在接头熔合面中间的熔合面夹杂 X5%T，Y10%T X10%T，且在任何连续 300 mm 的焊缝长度中，当 Y 累计长度不超过 20 mm X10%T，Y20%T X15%T，且在任何连续 300 mm 的焊缝长度中，当 Y 累计长度不超过 50 mm 大于级者 注：T 为管材壁厚。电熔接头缺陷性质包括：接头中的孔洞、熔接面夹杂(如夹物、油污、氧化皮未刮等)、冷焊、过焊、电阻丝错位及管材承插不到位。其中，冷焊缺陷和孔洞缺陷的质量分级的评定见表 2、表 3。表 2 冷焊缺陷的质量分级 级别 冷焊程度 小于 10%小于 30%大于级者 表 3 孔洞缺陷的质量分级 级别 单个孔洞 组合孔洞 X/L5%且 h5%T 累计尺寸 X/L10%且 h5%T X/L10%且 h10%T 累计尺寸 X/L15%且 h10%T 大于级者 注：X 为该缺陷在熔合面轴向方向上尺寸，L 为标称熔合区长度，T为电熔接头管材壁厚，h 为孔洞自身高度。3.3 检测结果与分析 本项目采用的超声相控阵检测设备为海骄BAMBOO-300E 型，符合 GB/T 27664.12011无损检测 超声检测设备的性能与检验 第 1 部分：仪器，耦合剂为 PE 专用耦合剂，符合 NB/T 47013.152021承压设备无损检测.第 15 部分：相控阵超声检测。设备经中国特种设备检测研究院通过性能测试并出具合格评价报告。根据现场施工进度，共分 11 天(跨度从 4 月到 上海煤气上海煤气 2023 年第 4 期 11 11 9 月)对现场 PE 管道焊接作业进行超声相控阵现场检验，其中电熔接头 100%检测，计 141 个；热熔接头按 10%抽样检测，计 29 个。按 DB31/T 10582017 对不同类型缺陷进行定量评级，接头质量等级划分为、级，达到、级标准可评定合格，级及以上评定不合格，需要返修后再行检测。最终检验结果为：热熔接头质量一次合格率为96.55%，1 个接头夹杂类缺陷级，除此以外均为 级；电熔接头质量一次合格率为 92.20%，10 个接头级，缺陷类型为夹杂和孔洞类，除此以外，共有 34 个接头级，具体缺陷类型的数量见表 4。表 4 电熔、级缺陷类型的接头数量 缺陷类型 级 级 数量/个 占比/%数量/个 占比/%夹杂 2 1.42 0 0 冷焊 14 9.93 9 6.38 承插不到位 0 0 0 0 过焊 1 0.71 0 0 孔洞 17 12.05 1 0.71 对有特征缺陷的焊接质量具体分析如下：(1)熔合面夹杂。热熔接头编号 R-003 的超声相控阵显示如图 1 所示，测得缺陷高度 4.27 mm，该 dn200 管段壁厚为 18.18 mm，计算得出缺陷高度占壁厚的 23.49%。对照表 1，该接头在熔合面中夹杂缺陷长度15%壁厚，质量评定为级。图 1 R-003 超声相控阵显示 分析原因为焊机加热板表面粘有泥土灰尘，焊接时黏附在管材端面形成熔合面夹杂缺陷。(2)冷焊缺陷。本次检测结果电熔接头有 9 处冷焊缺陷级，数量最多。如编号 D-068 的超声相控阵测得其底面信号缺失长度 9 mm，该电熔管件口径 dn63 的熔合区长约 27 mm，可知缺陷占比达33.33%。对照表 2，冷焊缺陷占比大于 30%，质量评定为级。该接头安装现场如图 2 所示，分析原因为焊接时管材管件不同轴，部分管材管件之间存在间隙，使得电阻丝热量不能传递至管材，管材管件不能熔合在一起，造成冷焊。此类缺陷在超声相控阵检测时表现为底面信号缺失。图 2 D-068 安装现场(3)孔洞缺陷。编号 D-004 口径为 dn63 的管段安装现场和超声相控阵显示如图 3 图 4 所示，测得孔洞长度 4.7 mm，计算得出孔洞长度占熔合区长度的 17.41%。对照表 3，孔洞长度大于 10%，质量评定为级。分析原因为管材管件装配时不同轴，造成局部间隙过大，形成严重孔洞缺陷。图 3 D-004 安装现场 图 4 D-004 超声相控阵显示 综上可知熔合面夹杂、冷焊、孔洞等缺陷生成主要与现场施工操作规范与否相关。电熔套接安装时一旦存在不同轴、插入不到位等情况，极易引起冷焊、孔洞焊接缺陷。热熔对接时加热板温度、管 1212 2023 年第 4 期 上海煤气上海煤气 材表面清洁度、安装错边量和焊接冷却压力等不满足工艺要求时，会产生未熔合、过焊、熔合面夹杂、孔洞等缺陷。4 结语 本项目超声相控阵质量检测工作是在各参建单位重视及聚焦的情况下进行，检测结果级缺陷占比 20.5%、级缺陷占比 7%。如没有第三方检测监督工作，相信焊接总体质量可能会更低。从公司年度安全管理运行数据分析，PE 泄露占比 60%，其中 PE 接头处属自然泄露为 13.3%，因此需要分析 PE 燃气管道焊接产生质量问题的原因，并提出有针对性的工作举措，加强管理、提高意识、规范操作，从而提升现场焊接质量控制效果。超声相控阵检测技术对于 PE 燃气管道焊接尤其是对电熔接头的质量控制具体良好的效果。考虑到经济性等因素，建议在相对高风险项目中如学校、商场等项目中推行，对于住宅项目有条件逐步实施。参考文献：1 刘向薇.超声相控阵技术对聚乙烯管道焊接接头的检测研究J.焊接技术,2019,48(11):24-26.2 施建峰,陶杨吉,安成名,等.聚乙烯燃气管道超声相控阵检测工程应用案例分析J.压力容器,2020,37(12):54-62.Application of Non-destructive Test Technician for Welding Quality of Polyethylene Gas Pipes Shanghai Haixian Energy Co.,Ltd.ZHOU Sijun Abstract:The welding quality of polyethylene gas pipe will directly affect the safe operation of urban gas pipelines,but the welding quality cannot be effectively evaluated only through the implementation of appearance inspection,on-site inspection,and welding machine data analysis.Ultrasonic phased array detection technology is a new detection method developed based on pulse detection devices.It can effectively and flexibly control the incident angle,focal point,and focal length of the ultrasonic beam,which greatly enhances its applicability and detection effectiveness.In engineering application examples,the non-destructive test methods were used to quantitatively rate different types of defects in hot melting and electric fusion joints,and the factors affecting welding quality were analyzed based on the actual installation situation on site.Suggestions for promoting the application of this technology were also proposed.Keywords:polyethylene gas pipes,welding,non-destructive test technician,ultrasonic phased array detection technology (上接第 4 页)Inspection Judgment and Treatment Schemes of Rusting on Urban Gas Crossing Steel Pipes Shanghai Energy Construction Group Co.,Ltd.ZHENG Cheng Abstract:In-service urban gas pipeline,especially steel pipes,the effect of corrosion in steel pipes is increasingly prominent with the increasing operating life.The gas crossing pipes(bridge pipes)is mostly laid along the bridge.There are sufficient water vapor and many electric transmission facilities such as cables with much stray current,which is easy to cause rusting on pipes and affect the safe operation of the pipeline.Therefore,regular inspection and judgment of in-service gas steel pipes and necessary repairing or reconstruction can ensure that the pipeline operation is under the safe control.Taking the inspection project of a specific bridge pipe in Shenzhen as an example,inspection judgment and treatment schemes of rusting are introduced,and the corresponding repair measures are given to ensure that the pipeline operation is under the safe control.Keywords:gas,crossing pipes,potential corrosion,inspection judgment