車 飛，朱麗麗，王一帆，李曼曼

(1.北京西管安通檢測技術有限責任公司，北京 100107；2.北京市燃氣集團研究院，北京 100013)

0 引言

近年來，聚乙烯管道由于其抗腐蝕等優(yōu)點，在城市燃氣行業(yè)得到廣泛應用。與金屬管道焊接安裝質(zhì)量控制相比較，國內(nèi)的聚乙烯管道焊接質(zhì)量無損檢測方法為目視檢查和水壓測試，對于聚乙烯管道的熱熔接頭焊接質(zhì)量，應研究有效的無損檢測技術，防止聚乙烯等非金屬管道發(fā)生滲漏、泄漏、斷裂等。

非金屬材料也稱為介電材料，微波對這類材料有非常好的穿透能力，極易穿透塑料、橡膠、陶瓷以及其復合材料。根據(jù)介電材料及結構對微波的反射波幅度、相位以及偏振態(tài)可獲得材料的內(nèi)部缺陷、含水量、纖維排列、分層界面等[1]。基于微波的特點開發(fā)的微波無損檢測技術，在很多領域的非金屬及其復合材料檢測方面已受到廣泛的關注與研究應用。文中使用微波無損檢測對城市燃氣聚乙烯管熱熔接頭進行了檢測，并將微波檢測結果與破壞性試驗結果相互進行驗證，證實了微波無損檢測對PE管熱熔接頭質(zhì)量控制具有有效的檢測與評價能力。

1 微波無損檢測原理

微波是電磁波，其頻率為300 MHz～300 GHz，波長為cm級，微波無損檢測的原理基于微波與介電材料之間的相互作用。在微波頻率下，介電材料本體和缺陷處的介電特性存在差異，以微波為載體，借助分析軟件可以將這種介電差異轉換為可以讀取的電量值，再經(jīng)過一定的算法可以還原成材料內(nèi)部缺陷及結構的圖像。微波檢測裝置原理圖見圖1，能量發(fā)射裝置內(nèi)的微波發(fā)射器在某特定頻率范圍內(nèi)發(fā)射選定頻率的微波信號，使微波在該介電材料中傳播，材料結構的變化或內(nèi)部缺陷，會體現(xiàn)不同的介電特性。這些細微的差異會引起微波反射波幅值和相位的變化，測量單元內(nèi)的接收傳感器能識別和采集到反射波的性能參量并進行實時分析計算，最終顯示介電材料內(nèi)部結構和缺陷形貌的實時圖像[2]。

圖1 微波檢測裝置原理圖

微波能夠有效地穿透介電材料，當材料中存在任何異常都會導致該處材料介電性能的變化，而微波對介電性能的變化非常敏感，因此微波對任何微小的缺陷都有非常高的檢測靈敏度。微波檢測中用到的微波頻率具有較低的光子能量，不會像在生物組織中產(chǎn)生有害的光致電離。微波能夠在空氣中傳播，因而檢測時無需耦合。目前在很多領域開始采用微波技術來研究復合結構的織物排列、屈曲以及結構缺陷。

2 燃氣PE管道熱熔接頭的微波無損檢測及應用

2.1 PE管焊接接頭的微波檢測

城市燃氣中廣泛使用的PE管道，其主要焊接方式為熱熔焊接。PE屬于高分子材料，熱熔焊接過程中，焊縫區(qū)域的PE材料經(jīng)過加熱和冷卻再結晶的過程后，熱熔焊縫與母材相比，分子結構發(fā)生了變化，合格的焊接接頭在微觀層面表現(xiàn)為分子結構經(jīng)過再結晶后形成了足夠數(shù)量的長鏈結構。傳統(tǒng)的超聲和X射線等方法不能發(fā)現(xiàn)這類分子層面的異常，不能實現(xiàn)熱熔接頭焊接質(zhì)量的檢測。但是分子結構的變化會引起介電性能的變化，進而能夠被微波探測到，因此微波檢測結果圖中可表征出焊縫與其周圍母材的介電差異。圖2為一條合格的熱熔焊縫微波檢測結果圖，該條焊縫為管徑110 mm的高密度聚乙烯管，按照合格工藝進行熱熔焊接后，經(jīng)微波檢測熱熔焊縫區(qū)域所獲得的圖像，圖像中央的色帶即為熱熔焊縫，圖中X軸代表焊縫的周向檢測長度(360 mm)，Y軸代表焊縫的軸向檢測長度(150 mm)，從圖2中可見，合格的焊縫在微波圖像上會顯示一條寬度及色彩較均勻的條帶，熱熔焊縫與周圍母材會呈現(xiàn)完全不同的介電差異。

圖2 合格的熱熔接頭焊縫微波檢測結果圖

研究表明，熱熔接頭在加熱或冷卻的過程中，會受到多種因素干擾或影響，導致接頭熔合區(qū)沒有形成足夠量的分子長鏈，這類接頭經(jīng)目視檢測外觀都是合格的，甚至能夠通過早期的水壓試驗，但是在服役的過程中會過早地失效，是一種危害很大的異常(不合格)接頭。微波對介電性能的敏感性能夠檢測出這類分子結構的異常，微波圖像中顯示的熱熔焊縫條帶，如果發(fā)生波動或者局部寬度或色彩不均勻，則表示該處存在異常，異常處的微波圖像能夠與其他合格處的微波圖像形成明顯的差異。如果在一條焊縫的合格區(qū)域和異常區(qū)域分別取樣進行拉伸試驗，合格區(qū)域的試驗結果不僅有較好的抗拉性能，而且斷口通常呈現(xiàn)明顯的韌性特征，而異常區(qū)域的拉伸結果則表現(xiàn)出典型的脆性特征[3]。

2.2 PE管現(xiàn)場檢測應用實例

對某城市燃氣PE管線熱熔焊接安裝過程中某段進行了接頭的微波無損檢測抽檢，并對其中一道經(jīng)過微波檢測結果異常的焊縫進行了截取及破壞性拉伸試驗。

2.2.1 PE管現(xiàn)場微波檢測

受檢管線為高密度聚乙烯PE100材質(zhì)，管徑315 mm，壁厚17.9 mm，焊接方式為熱熔焊接。PE管現(xiàn)場微波檢測見圖3。所有受檢焊縫均經(jīng)過外觀檢測合格，符合相關標準的要求。

(a)受檢管線

受檢管線中的一道焊縫微波檢測結果顯示該條焊縫出現(xiàn)異常，熱熔焊縫微波檢測結果見圖4，圖4中X軸代表焊縫的周向檢測長度(1 000 mm),Y軸代表與熱熔焊縫垂直的軸向檢測長度(220 mm)，圖4中水平方向深色具有一定寬度的色帶即為熱熔焊縫。從圖4可以確定受檢焊縫有3處位置微波圖像顯示焊縫異常，其中1號異常位于圖4軸向76～101 mm處,該段位置焊縫發(fā)生長度約12.5 mm的輕微中斷，該處異常程度較輕，屬于輕度異常；2號異常位于圖4軸向178～381 mm處, 該段位置焊縫發(fā)生長度約127 mm的大部分缺失，屬于嚴重異常；3號異常位于圖4軸向960～1 000～40 mm處的位置(尾首連接處)，該段位置焊縫發(fā)生長度約80 mm的大部分缺失，屬于嚴重異常。

圖4 熱熔焊縫微波檢測結果

2.2.2 微波檢測結果與破壞性測試結果比對

為了進一步分析該條焊縫異常處的實際焊接質(zhì)量及強度，對該條焊縫進行了截取，依據(jù)標準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》對截取后的環(huán)焊縫取樣，制作了6個A型拉伸試樣，拉伸試樣編號及信息見表1。將拉伸試樣的取樣位置與微波檢測結果進行了對比，見圖5。

表1 拉伸試樣編號及信息

(a) 熱熔焊縫微波檢測結果與拉伸試樣對應位置

從圖5(b)可以看出，微波檢測結果表征的2號和3號嚴重異常對應的2#試樣和6#試樣，其拉伸斷口均為脆性斷裂；微波結果表征的1號異常為輕度異常，其對應的1#試樣斷口雖然為韌性斷裂，但是斷口面積與其他合格位置的斷口形貌相比，面積較大且平整。

拉伸試樣曲線圖見圖6，圖6顯示2號和3號嚴重異常對應的2#、6#試樣拉伸曲線力值在上升階段突然降為0，為明顯的脆性失效特征，1號輕度異常對應的1#試樣雖然是韌性斷裂，該位置的斷口形貌雖然也呈現(xiàn)韌性,但是曲線無明顯的屈服階段。

圖6 拉伸試樣曲線圖

3 結論

微波無損檢測技術對PE管熱熔接頭內(nèi)部異常檢測有優(yōu)勢，熱熔接頭中影響接頭質(zhì)量的焊接異常在微觀層面體現(xiàn)為高分子結構的改變，這類焊接異常將直接導致接頭強度不足，高分子結構的改變不會影響材料體積、密度的變化，因而傳統(tǒng)的超聲、射線等方法不能檢測這類焊接異常，但是分子結構的改變卻會導致材料介電性能的變化，因此微波無損檢測對這類接頭異常具有可檢測性及較高的靈敏度。

通過對某城市燃氣安裝現(xiàn)場PE管熱熔接頭進行微波檢測，并對其中一道焊縫微波檢測結果表征的異常位置進行了破壞性試驗，微波檢測結果與破壞性試驗結果吻合度較高，驗證了微波無損檢測技術對熱熔接頭內(nèi)部異常的檢測準確性。

微波無損檢測技術能夠借助微波對材料介電性能的敏感性，發(fā)現(xiàn)并檢測出熱熔接頭中的焊接異常，先進的計算機處理與分析軟件，使微波能夠?qū)⒈粶y材料“透明化”。微波無損檢測將在非金屬及其復合材料檢測應用領域逐漸發(fā)揮重要作用，在城市燃氣、新能源[4](風電、核電)、石油石化、航空航天等領域也將展現(xiàn)應用前景。