王亮 湯文斌 夏健

江西省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 （江西南昌 330052）

聚乙烯具有良好的耐腐蝕性、優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的可加工性等特點(diǎn)。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(zāi)害的影響，因此作為燃?xì)夤艿赖闹饕牧媳粡V泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)城鎮(zhèn)中低壓燃?xì)夤艿谰捎镁垡蚁┕躘1]。

在管道的安裝過(guò)程中，焊接是一項(xiàng)重要的工藝。但是，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生焊接缺陷，如氣孔、夾渣、裂紋等。目前，國(guó)內(nèi)聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ坦芾矶鄥⒄誄JJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)管道的連接驗(yàn)收需要經(jīng)過(guò)焊接前準(zhǔn)備（主要是對(duì)人員、設(shè)備、管材等的檢查），焊接過(guò)程控制（嚴(yán)格按照操作規(guī)程及規(guī)定的焊接參數(shù)進(jìn)行），焊接后檢查（電熔主要檢測(cè)指示柱，熱熔進(jìn)行卷邊切除等）3 個(gè)步驟。這些管理方式存在著很大的局限性，無(wú)法觀察到焊口內(nèi)部的缺陷，同時(shí)不能判斷出存在的缺陷會(huì)對(duì)其產(chǎn)生多大的影響。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并修復(fù)會(huì)給管道使用帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，因此，對(duì)焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)是確保管道安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵步驟之一。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有設(shè)備便攜、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行無(wú)輻射、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，適用于燃?xì)夤艿垃F(xiàn)場(chǎng)不停氣檢測(cè)。GB/T 38942—2020《壓力管道規(guī)范公用管道》規(guī)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(duì)接焊接接頭可進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)。這兩種類型幾乎覆蓋了現(xiàn)場(chǎng)中所有規(guī)格的聚乙烯燃?xì)夤艿?，也充分說(shuō)明了利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿肋M(jìn)行檢測(cè)的可行性。

1 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)原理

超聲相控陣是一種非破壞性檢測(cè)技術(shù)，利用多個(gè)發(fā)射和接收元件的陣列（如圖1 所示），通過(guò)相位控制和波束形成實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)物體內(nèi)部的聚焦和掃描[1]。通過(guò)接收反射信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理，可以獲取圖像信息，用于缺陷檢測(cè)和定位。

超聲相控陣系統(tǒng)由多個(gè)發(fā)射元件組成，每個(gè)元件可以單獨(dú)激發(fā)。通過(guò)控制激發(fā)時(shí)間和幅值，每個(gè)發(fā)射元件會(huì)發(fā)出一個(gè)超聲脈沖。這些脈沖在不同的角度下被發(fā)射，并覆蓋被檢測(cè)物體的整個(gè)區(qū)域。每個(gè)發(fā)射元件的脈沖到達(dá)時(shí)間略有差異，這就引入了相位控制的概念。通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)發(fā)射元件的激發(fā)時(shí)間，可以控制超聲波的相對(duì)到達(dá)時(shí)間，從而使超聲波能夠在被檢測(cè)物體內(nèi)部的特定位置聚焦。相控陣系統(tǒng)中的發(fā)射元件可以按照不同的時(shí)間延遲并依次激發(fā)，產(chǎn)生一系列微小的超聲波脈沖。通過(guò)合理調(diào)整激發(fā)元件的相位和幅值，這些脈沖可以合成一個(gè)聚焦的波束。聚焦點(diǎn)的位置和深度可以通過(guò)調(diào)整相位來(lái)控制。通過(guò)逐步改變發(fā)射元件的激發(fā)時(shí)間和幅值，可以使聚焦點(diǎn)在被檢測(cè)物體內(nèi)部進(jìn)行掃描，這樣可以對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行快速而全面的檢測(cè)。通過(guò)改變陣列中多個(gè)發(fā)射元件的激發(fā)順序，還可以實(shí)現(xiàn)多角度的掃描。通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，可以重建出被檢測(cè)物體內(nèi)部的圖像。

2 聚乙烯燃?xì)夤艿莱曄嗫仃嚈z測(cè)

2.1 電熔接頭檢測(cè)

對(duì)于電熔接頭的檢測(cè)，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(cè)》，其中涵蓋了檢測(cè)程序和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。國(guó)家能源局也于2021 年發(fā)布了NB/T 47013.15—2021《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第15 部分：相控陣超聲檢測(cè)》，該標(biāo)準(zhǔn)更完善地規(guī)范了聚乙烯管道電熔接頭的超聲相控陣檢測(cè)。

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(diǎn)同GB/T 38942—2020 中規(guī)定的范圍相吻合，方便了該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。

NB/T 47013.15—2021 將試塊分為對(duì)比試塊和模擬試塊，并根據(jù)不同的曲率半徑將對(duì)比試塊分為3 種型號(hào)，且對(duì)試塊的加工精度和鉆孔直徑作了明確的限定。該標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)檢測(cè)區(qū)域、探頭的選擇、探頭的布置、聚焦設(shè)置和檢測(cè)時(shí)機(jī)作出了明確的說(shuō)明，具有很強(qiáng)的操作性。

NB/T 47013.15—2021 將電熔接頭中的常見(jiàn)缺陷分為6 類，分別為孔洞缺陷、熔接面缺陷、冷焊、過(guò)焊、電阻絲錯(cuò)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(qū)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(qū)小于正常焊接接頭的熔合區(qū)；過(guò)焊缺陷是接頭焊接熱量過(guò)大造成的，過(guò)焊的熔合區(qū)大于正常焊接接頭的熔合區(qū)，通常會(huì)出現(xiàn)孔洞、電阻絲錯(cuò)位等缺陷；電阻絲錯(cuò)位是電阻絲在水平、垂直方向或兩個(gè)方向均有的錯(cuò)位；承插不到位屬于裝配缺陷，可通過(guò)單邊熔合區(qū)位置判斷管材是否承插到位。

對(duì)于電熔接頭的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。林師一等[2]通過(guò)對(duì)聚乙烯電熔焊接常見(jiàn)的缺陷進(jìn)行檢測(cè)分析，證實(shí)了相控陣檢測(cè)方法對(duì)聚乙烯電熔焊接缺陷的檢測(cè)具有比較高的精度及可靠性，能夠用于工程實(shí)踐。陳艷[3]通過(guò)對(duì)在建項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的聚乙烯電熔接頭進(jìn)行抽查并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相控陣檢測(cè)技術(shù)可有效檢測(cè)出焊口的內(nèi)部缺陷情況，為提升電熔焊接質(zhì)量控制水準(zhǔn)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(jié)合的方式對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿离娙劢宇^檢測(cè)圖像進(jìn)行處理，提升了檢測(cè)效率和檢測(cè)準(zhǔn)確度，能更清晰地呈現(xiàn)聚乙烯燃?xì)夤艿离娙劢宇^的相關(guān)缺陷。上述研究表明：超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)于聚乙烯電熔焊接缺陷的檢測(cè)具有很高的可靠性，應(yīng)用于在建項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)時(shí)對(duì)控制電熔焊接質(zhì)量起到很好的指導(dǎo)作用。對(duì)于電熔接頭檢測(cè)圖像處理技術(shù)的研究也在如火如荼地進(jìn)行，大大提升了檢測(cè)準(zhǔn)確度，相信在不久的將來(lái)，超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于電熔焊接接頭內(nèi)部缺陷檢測(cè)將逐步為人們所熟知及認(rèn)可。

2.2 熱熔接頭檢測(cè)

對(duì)于熱熔接頭的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)滯后，目前，國(guó)內(nèi)外尚未頒布利用超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)熱熔接頭的標(biāo)準(zhǔn)，但其檢測(cè)方法已經(jīng)成熟。上海于2017 年頒布地方標(biāo)準(zhǔn)DB31/T 1058—2017《燃?xì)庥镁垡蚁≒E）管道焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)》，該標(biāo)準(zhǔn)給出了熱熔接頭檢測(cè)的規(guī)范性附錄和特征圖譜的資料性附錄。內(nèi)蒙古于2020 年1 月發(fā)布了DB15/T 1819—2020《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕艿篮附咏宇^超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱熔接頭檢測(cè)從靈敏度的設(shè)置到檢測(cè)程序再到檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析都作出詳細(xì)說(shuō)明，具有很強(qiáng)的操作性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在聚乙烯管道熱熔接頭檢測(cè)方面也進(jìn)行了大量研究。王少軍等[5]提出了采用超聲相控陣動(dòng)態(tài)聚焦和S 掃查成像技術(shù)對(duì)聚乙烯熱熔接頭進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性并利用其進(jìn)行了工程檢測(cè)驗(yàn)證，為超聲相控陣技術(shù)在聚乙烯熱熔接頭檢測(cè)中的推廣提供了經(jīng)驗(yàn)。張曉寶[1]通過(guò)研究相控陣檢測(cè)探頭的聲場(chǎng)特性，模擬仿真接頭缺陷在不同探頭參數(shù)下的變化，為優(yōu)化設(shè)計(jì)探頭參數(shù)組合提供了幫助，最后對(duì)制備的試樣進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)定，研究結(jié)果表明該技術(shù)對(duì)聚乙烯熱熔焊接接頭缺陷有很好的檢測(cè)效果。施建峰等[6]對(duì)燃?xì)夤艿拦こ讨械臒崛劢宇^進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)不停氣檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)缺陷出現(xiàn)的概率，分析缺陷的產(chǎn)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(dǎo)致產(chǎn)生裂紋等），為聚乙烯燃?xì)夤艿酪?guī)范施工和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供幫助。上述研究表明超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于熱熔接頭檢測(cè)已通過(guò)模擬仿真和工程檢測(cè)的驗(yàn)證，在其實(shí)際應(yīng)用中也為規(guī)范施工提供了幫助。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，聚乙烯燃?xì)夤艿离娙劢宇^的超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成熟，無(wú)論是國(guó)標(biāo)還是特種設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，都對(duì)其有比較明確的判斷依據(jù)和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可以用于電熔焊口質(zhì)量檢查，提升聚乙烯燃?xì)夤艿朗┕べ|(zhì)量控制水平。

對(duì)于聚乙烯燃?xì)夤艿罒崛酆缚?，超聲相控陣技術(shù)也有很好的檢測(cè)效果。目前，只有上海和內(nèi)蒙古頒布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家層面標(biāo)準(zhǔn)還未出臺(tái)，希望國(guó)家層面關(guān)于聚乙烯燃?xì)夤艿罒崛酆附咏宇^的超聲相控陣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)盡快出臺(tái)。

燃?xì)夤艿腊踩P(guān)乎公共安全，焊接缺陷的擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致燃?xì)夤艿佬孤壳皣?guó)標(biāo)只是建議對(duì)聚乙烯的電熔和熱熔焊口采用相控陣檢測(cè)技術(shù)，在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中未作要求。建議今后在修訂驗(yàn)收規(guī)范時(shí)可以參照聚乙烯熱熔焊接翻邊切除檢驗(yàn)，對(duì)燃?xì)夤艿篮附咏宇^的無(wú)損檢測(cè)設(shè)置一定的抽查比例。