上海燃?xì)獬缑饔邢薰?朱翔宇

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)設(shè)定的延遲法則激發(fā)相控陣陣列探頭各獨(dú)立壓電晶片（陣元），合成聲束并實(shí)現(xiàn)聲束的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能，再按一定的延遲法則接受超聲信號(hào)并以圖像方式顯示被檢對(duì)象內(nèi)部狀態(tài)的超聲檢測(cè)技術(shù)。城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁㏄E 管道管理主要包括城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)對(duì)PE管道的材料管理、施工管理以及運(yùn)行管理，在日常作業(yè)過(guò)程中通過(guò)檢查、維修以確保PE管道的安全正常使用。由于PE材料的特殊性，對(duì)其管理的方式與鋼質(zhì)管道的管理方式存在差異，如何更好地對(duì)PE管道進(jìn)行施工管理和運(yùn)行管理是亟待解決的問(wèn)題。將相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到PE管道管理過(guò)程中可以解決PE 管道管理過(guò)程中電熔套筒和熱熔焊縫的質(zhì)量問(wèn)題，確保城鎮(zhèn)燃?xì)釶E管道的施工安全和運(yùn)行安全。

1 城鎮(zhèn)燃?xì)釶E管道管理現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)燃?xì)馐聵I(yè)的不斷發(fā)展，一系列新材料也被應(yīng)用到燃?xì)夤艿赖闹圃熘?，其中PE管道憑借其良好的柔韌性和耐腐蝕性受到越來(lái)越多城鎮(zhèn)燃?xì)夤镜那嗖A。但在現(xiàn)有PE管道的管理過(guò)程中，各家城鎮(zhèn)燃?xì)夤就鶄?cè)重于對(duì)PE管道管體的管理，缺少針對(duì)PE 管道附件（包括PE套筒、PE 等徑或變徑三通、PE變徑、PE 彎頭和PE端帽等）的管理。PE管道附件在與管道管材連接過(guò)程中，接頭會(huì)因?yàn)槠渌蛩氐挠绊懚a(chǎn)生一系列安全隱患，如接頭中的空洞、熔接面夾雜、冷焊、過(guò)焊、電阻絲錯(cuò)位等，這類問(wèn)題使用常規(guī)方法較難發(fā)現(xiàn)，繼而給PE 管道的管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

2 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一種新型的超聲檢測(cè)方法，該技術(shù)具有檢測(cè)分辨率高、靈敏度好、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，已應(yīng)用于高端工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的無(wú)損檢測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。針對(duì)PE材料的特殊性，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以較為客觀的反應(yīng)出PE管道管材間的連接質(zhì)量以及PE 管道管材與管件的連接質(zhì)量。PE 電熔對(duì)接管件相控陣超聲檢測(cè)圖像見圖1，圖中電阻絲排列規(guī)整，沒(méi)有明顯錯(cuò)位現(xiàn)象，底波信號(hào)完整，特征線與電阻絲之間的距離為3.29 mm（正常焊接特征線與電阻絲之間的距離為3.29 mm 左右）。

圖1 PE電熔對(duì)接管件正常相控陣超聲檢測(cè)圖像

2.1 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在PE 管道施工管理中的應(yīng)用

在PE 管道建設(shè)過(guò)程中，為保證燃?xì)夤艿赖倪B續(xù)性，必須對(duì)PE管道管材進(jìn)行連接延長(zhǎng)。考慮到城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)經(jīng)營(yíng)成本，多采用熱熔焊接對(duì)管道進(jìn)行連接延長(zhǎng)。對(duì)熱熔對(duì)接連接接頭質(zhì)量的檢驗(yàn)方式有卷邊對(duì)稱性檢驗(yàn)、接頭對(duì)正性檢驗(yàn)和卷邊切除檢驗(yàn)，但對(duì)熱熔對(duì)接接頭焊縫的檢驗(yàn)較少，而相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)則可以較好地檢測(cè)出焊縫的質(zhì)量問(wèn)題，可以較為直觀地判斷出焊縫中存在的缺陷。

在對(duì)在建燃?xì)夤艿赖氖┕す芾磉^(guò)程中，對(duì)PE管材焊接進(jìn)行例行檢查與飛行檢查相結(jié)合的管理方法，除常規(guī)檢驗(yàn)方法外，利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)PE管材的熱熔焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些較為典型的缺陷案例。

2.1.1 熱熔孔洞

由于施工人員在施工現(xiàn)場(chǎng)未對(duì)管材進(jìn)行妥善保管，導(dǎo)致管材潮濕；在進(jìn)行管材焊接前未對(duì)管材端面進(jìn)行清潔，導(dǎo)致端面污染物在焊接過(guò)程中發(fā)生氣化；兩者都會(huì)影響焊接質(zhì)量，發(fā)生孔洞現(xiàn)象。通過(guò)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道焊縫進(jìn)行檢測(cè)后可較為客觀的發(fā)現(xiàn)缺陷。采用線掃描從端面檢測(cè)的圖像，熔合面出現(xiàn)孔洞信號(hào)，圖2 中圈注位置為管材接觸面有液體產(chǎn)生的氣泡孔洞。采用扇掃描從焊縫位置檢測(cè)的圖像，圖3中圈注位置為孔洞信號(hào)。

圖2熱熔孔洞缺陷相控陣超聲檢測(cè)線掃圖像

圖3熱熔孔洞缺陷相控陣超聲檢測(cè)扇掃圖像

2.1.2 熱熔熔合面夾雜

由于施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)工具較多，大多施工現(xiàn)場(chǎng)為露天作業(yè)，部分灰塵顆?；蛘呓饘偎槠赡軙?huì)在施工人員作業(yè)時(shí)掉入管道焊接作業(yè)面或者管道焊接件中，這會(huì)導(dǎo)致PE 管道管材熔合面發(fā)生夾雜，這類現(xiàn)象從焊縫外觀檢驗(yàn)中較難發(fā)現(xiàn)，通過(guò)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道焊縫進(jìn)行檢測(cè)后可較為客觀的發(fā)現(xiàn)缺陷。采用線掃描從端面檢測(cè)的圖像，熔合面出現(xiàn)孔洞信號(hào)，圖4中圈注位置為非金屬夾雜產(chǎn)生的孔洞。采用扇掃描從焊縫位置檢測(cè)的圖像，圖5中圈注位置為非金屬夾雜信號(hào)。

圖4熱熔熔合面缺陷夾雜相控陣檢測(cè)線掃圖像

圖5熱熔熔合面夾雜相控陣檢測(cè)扇掃圖像

2.1.3 熱熔未熔合

由于施工人員的操作不到位或者PE 管道熱熔焊機(jī)的機(jī)器故障等問(wèn)題，往往會(huì)導(dǎo)致PE 管道連接面未熔合，這類缺陷會(huì)使管道在日后運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在重大安全隱患，管道內(nèi)燃?xì)鈮毫ι邔?dǎo)致焊縫破損可造成燃?xì)庑孤┦鹿?，所以此類缺陷極為嚴(yán)重，檢測(cè)時(shí)典型的未熔合必須檢出。通過(guò)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道焊縫進(jìn)行檢測(cè)后可較為客觀的發(fā)現(xiàn)缺陷。圖6為采用線掃描從端面檢測(cè)的圖像，熔合面的信號(hào)明顯增強(qiáng)。圖7為采用扇掃描從焊縫位置檢測(cè)的圖像，除探頭本身的干擾信號(hào)之外，焊縫位置出現(xiàn)貫穿性信號(hào)。

圖6熱熔未熔合缺陷相控陣檢測(cè)線掃圖像

圖7熱熔未熔合缺陷相控陣檢測(cè)扇掃圖像

2.2 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在PE管道運(yùn)行管理中的應(yīng)用

在PE 管道運(yùn)行過(guò)程中，為保證燃?xì)夤艿赖陌踩?，必須?duì)PE管道進(jìn)行日常巡檢、年度檢測(cè)以及定期檢測(cè)。在發(fā)現(xiàn)管道存在安全隱患或者管道發(fā)生事故后，也必須第一時(shí)間對(duì)事故管道進(jìn)行維修和更換。但城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)在一次又一次的檢測(cè)和維修后，往往對(duì)所發(fā)現(xiàn)的隱患問(wèn)題缺少調(diào)查和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，降低了企業(yè)日常運(yùn)行管理水平。

絕大多數(shù)的PE 管道是埋在地下的，在管道運(yùn)行管理中，由于地下環(huán)境復(fù)雜加上管道燃?xì)鈮毫?、溫度、濕度等一系列因素的變化，使得PE管道的連接情況也變得較難預(yù)測(cè)，管道管材間的連接情況、管道管材與管件間的連接情況、焊縫是否良好等情況也都難以觀測(cè)。在此情況下，特地在對(duì)公用管道進(jìn)行定期開挖檢測(cè)的同時(shí)，對(duì)PE管道進(jìn)行了相控陣超聲檢測(cè)的試點(diǎn)應(yīng)用，著重對(duì)PE 電熔管件進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一些較為典型的缺陷案例。2.2.1電熔冷焊

焊接過(guò)程中輸入熱量不足就會(huì)造成冷焊，在施工過(guò)程中最為常見。但是大多數(shù)電熔冷焊接頭從外觀上無(wú)法分辨，進(jìn)行管道試運(yùn)行前的試壓試驗(yàn)時(shí)也不會(huì)立即破壞，服役一定時(shí)間后接頭會(huì)突然失效破壞，所以這類缺陷給管道運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了巨大的壓力和挑戰(zhàn)。針對(duì)這一缺陷，利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以較為客觀的檢測(cè)出這一問(wèn)題，提前做出應(yīng)對(duì)措施。圖8 為電熔冷焊相控陣檢測(cè)圖，圖中電阻絲排列規(guī)整，沒(méi)有明顯錯(cuò)位現(xiàn)象，底波信號(hào)完整，特征線與電阻絲之間的距離為1.30 mm(正常焊接特征線與電阻絲之間的距離為3.29 mm 左右)，冷焊程度H'=60.5%。

圖8電熔冷焊缺陷相控陣檢測(cè)圖

2.2.2 電熔過(guò)焊

施工作業(yè)人員在對(duì)PE電熔接頭進(jìn)行焊接時(shí)，焊接輸入功率過(guò)高、焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者焊接前接頭裝配不當(dāng)時(shí)，會(huì)發(fā)生電熔過(guò)焊現(xiàn)象。電熔過(guò)焊接頭由于達(dá)到了一定程度的纏結(jié)，短期時(shí)間內(nèi)能夠承受載荷，但長(zhǎng)期使用其性能不能符合要求，管道運(yùn)行一段時(shí)間后易破壞。針對(duì)這一缺陷，利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以較為客觀的檢測(cè)出這一問(wèn)題，提前做出應(yīng)對(duì)措施。圖9 為缺陷相控陣檢測(cè)圖，圖中電阻絲排列規(guī)整，沒(méi)有明顯錯(cuò)位現(xiàn)象，底波信號(hào)完整，特征線與電阻絲之間的距離為5.51 mm(正常焊接特征線與電阻絲之間的距離為3.29 mm 左右)，過(guò)焊程度H'=67.5%。

圖9電熔過(guò)焊缺陷相控陣檢測(cè)圖像

2.3 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在PE管道搶修過(guò)程中的應(yīng)用

在城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)常會(huì)發(fā)生管道搶修任務(wù)，但往往由于各方面因素，搶修過(guò)程中部分施工人員為盡快完成搶修任務(wù)而導(dǎo)致管道維修不到位，容易造成二次隱患，給企業(yè)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)了壓力和難題。為確保工程搶修質(zhì)量，特在工程搶修中對(duì)維修管件的連接情況進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，通過(guò)分析搶修過(guò)程以及缺陷分析，發(fā)現(xiàn)了一些較為典型的案例。

2.3.1 電熔金屬絲錯(cuò)位

在搶修過(guò)程中，由于施工條件、施工環(huán)境等多方面因素，施工人員在作業(yè)過(guò)程中會(huì)造成PE管材和管件的安裝不當(dāng)，這會(huì)使電熔焊接接頭喪失保持原有結(jié)構(gòu)的能力，具體表現(xiàn)為電阻絲錯(cuò)位、管件承插不到位或者不對(duì)中，這就造成電熔接頭的結(jié)構(gòu)畸變，如圖10所示。

圖10電熔接頭結(jié)構(gòu)畸變示意

電熔承插件內(nèi)的電阻絲會(huì)在焊接過(guò)程中隨著PE 熔體的帶動(dòng)下產(chǎn)生位移，水平間距發(fā)生不規(guī)則變化，從而造成電阻絲錯(cuò)位缺陷，形成電熔接頭安全隱患。利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以較為客觀的觀測(cè)出這一問(wèn)題，可提前做出應(yīng)對(duì)措施。圖11為電熔絲錯(cuò)位缺相控陣檢測(cè)圖，圖中金屬絲信號(hào)出現(xiàn)明顯錯(cuò)位，原先均勻排布的金屬絲發(fā)生了偏移。

圖11電熔絲錯(cuò)位缺陷相控陣檢測(cè)圖像

2.3.2 電熔孔洞

在搶修過(guò)程中，由于晴雨天氣、空氣濕度等許多不確定因素以及施工人員在進(jìn)行電熔焊接前對(duì)管材和管件清理不徹底會(huì)導(dǎo)致PE 管材表面殘留低于電熔焊接界面溫度的液體，這些液體在焊接過(guò)程中會(huì)在電熔焊接界面閉合后氣化形成空腔，從而進(jìn)一步形成在周向、軸向和徑向都具有尺度的體積型缺陷，這類現(xiàn)象會(huì)造成孔洞缺陷，孔洞缺陷常在電阻絲周圍產(chǎn)生。

利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以較為客觀的觀測(cè)出這一問(wèn)題，提前做出應(yīng)對(duì)措施。圖12為電熔孔洞缺陷相控陣檢測(cè)圖，圖中圈注位置為明顯孔洞信號(hào)，孔洞信號(hào)下方管材內(nèi)壁信號(hào)缺失。

圖12 電熔孔洞缺陷相控陣檢測(cè)圖像

3 結(jié)語(yǔ)

在施工管理和運(yùn)營(yíng)管理中應(yīng)用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，可有效提高PE管道管材連接和管件連接的施工質(zhì)量，并較為客觀地發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)檢測(cè)手段難以發(fā)現(xiàn)的缺陷和隱患，有效提高城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗┕さ陌踩|(zhì)量和管道檢測(cè)的全面性，為保證燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)營(yíng)打下基礎(chǔ)。

但由于其設(shè)備使用的特性，完全推廣應(yīng)用還存在著一定的限制條件，針對(duì)鋼塑轉(zhuǎn)換這類PE管道管件的檢測(cè)手段也仍有待進(jìn)一步開發(fā)。

總而言之，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)為城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)提供了又一種更為高效客觀的檢驗(yàn)手段，為保證城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖陌踩芸卦鎏砹思夹g(shù)支持。