聚乙烯PE管道热熔对接接头的TOFD检测研究

聚乙烯PE管道热熔对接接头的TOFD检测研究

富阳1，蔡成垅1，李柏宁1，郭美华1，朱仕健1，张健强2

1  中山职业技术学院，广东中山  528400  2  东莞市特种设备检测与节能技术服务中心有限公司，广东东莞  523000

摘要：目前大量的PE管道得到了使用，但是热痛对接接头容易出现缺陷，传统的超声回波检测技术存在一定的问题，很难对缺陷的位置、情况做出精确判断，而TOFD技术可以获得相对更好的效果。本文分析了TOFD检测技术的特点，然后分析TOFD检测的模拟实验效果，最后分析该技术的实际检测效果。通过验证，确定使用TOFD技术可以较好地满足PE管道热熔对接接头的缺陷检测，具有较高的可靠性和可行性。

关键词：PE管道；热熔对接接头；TOFD检测；对比

PE管材生产技术快速发展，使得其产品的品质、性能都得到了明显的提升，很多领域已经超过金属管道成为更有先的选择，比如目前的城市管网领域，PE管道由于密度更小，同时具备较强的韧性，以及极强的耐腐蚀性，被广泛应用于施工建设中。但是部分PE管道也出现了泄露问题，甚至导致爆炸事故，其安全性也受到了巨大关注。结合事故中的实际情况，多数PE管道出现问题的都来自于焊接接头失效，因此需要控制焊接接头的安装质量，但是实际施工中，由于现场环境的影响导致质量难以控制，所以需要使用TOFD技术进行检测，以保证热熔管道对接接头的焊接质量。

一、PE管道热熔对接接头的TOFD检测

（一）TOFD检测概念

由于聚乙烯材料和金属之间性质上的区别，使得PE管道和传统金属管材之间的焊接方式差异明显，使用传统的回波法超声检测工艺虽然能够利用超声波的反射发现缺陷，但是很难实现对方向的定位，并且检测结果也难以复现，所以传统的脉冲回波法很难在PE管材上使用[1]。为了能够对其进行精确检测，目前发展出了超声衍射时差法，简称TOFD，该方法并不使用传统的回波原理进行检测，而是利用超声波术在目标内产生的衍射来发现缺陷（原理如图1所示）。

图1TOFD检测原理

非聚集脉冲超声波束由发射探头进入被检测工件，如果工件没有缺陷，则接收探头会接收到直通脉冲和底面反射脉冲，两个脉冲信号的相位相反，TOFD系统也会根据相位确定缺陷的深度[2]。如果被检测的工件存在缺陷，脉冲的传播路径就会受到缺陷影响，并且在缺陷的尖端位置产生较大的衍射波信号，接收探头也会接收到缺陷的衍射波信号[2]。利用衍射波信号和直通波信号与底波信号的时间差，就能计算出缺陷的方向、位置，并计算出尺寸。TOFD检测系统中，使用了距离编码扫查装置，利用分辨率记录扫查，最终能够生成TOFD图谱，获得抛物线形状的缺陷信号，并具有一定的宽度[3]。

（二）使用TOFD检测PE管道的优势

TOFD使用衍射原理进行缺陷检测，所以该检测方法对缺陷的方向不敏感，可以快速确定各个方向的缺陷，相对传统脉冲回波法超声检测在方向判断上更为精确[4]。同时，由于该技术并不会根据回波的强度进行缺陷的定量，所以该技术的灵敏度较高，还具有非常高的可重复性。但是使用该技术时，由于衍射波的强度比较低，导致TOFD系统检测到的缺陷信号信噪比比较低，所以在高增益的情况下很难判断缺陷。而且检测波的脉冲宽度、检测区域的形状都会影响检测的效果，导致使用TOFD检测技术时容易在比工件的表面上留下盲区，其中下表面盲区面积相对比较小，如果焊缝有余高则可以忽略，但是一般情况下上表面会留下比较大的盲区，同时会随着脉冲宽度增大导致盲区继续增大，所以在使用TOFD技术时，还需要结合其他检测方法。

PE管材采用热熔对接方法，如果出现热熔接头缺陷，一般情况下只会在焊缝中间的融合区域出现，在根据管材壁的厚度计算出适合探头的间距之后，就可以使用TOFD检测区域的灵敏度比较高的中部位置覆盖热熔接头较窄的融合区域，可以对整个区域进行较高灵敏度的检测，并且融合区域比较狭窄，所导致的盲区面积很小，在检测中基本可以忽略。

二、缺陷检测试验

（一）试验装置和模拟缺陷试样

为了确定使用TOFD进行PE管材热熔对接接头的可行性，开展了人工缺陷模拟试样进行检测的工作，实验中使用多功能超声波检测仪作为主机，结合编码器的扫查架进行测试[5]。结合PE材料所具有的声学特性，选择的检测频率为75MHz，更好地使用PE材料的声衰减。为了能够获得持续的界面耦合效果，使用了冲水楔块，确保楔块中的声速小于PE材料的声速，并且保证加压水桶提供稳定的水流，装置可以匹配不同管径的对接接头，可以获得较好的耦合条件。

所选择的试样1为规格为200mm×12mm的热熔对接接头，卷边高度为3mm，其缺陷包括：10mm长的模拟未熔合缺陷，深度为12mm；孔径为2mm的模拟短孔缺陷，深度为6mm；孔径为2mm的通孔缺陷，深度为12mm。试样2的规格为160mm×95mm，其缺陷包括：长度为25mm，深度为95mm的模拟未熔合缺陷；孔径为2mm，深度为5mm的模拟短孔缺陷。

（二）人工缺陷试样检测结果

通过对试样使用TOFD技术进行检测，图谱的170mm位置发现了贯穿直通波和底波的缺陷信号，该信号可以确定是模拟孔洞缺陷。在213mm位置，出现了6mm深的缺陷信号，为短孔缺陷信号；在270mm处出现了直通波和底波信号中断，该缺陷是试样中的模拟为熔合缺陷。

图2试样1和试样2的TOFD检测图谱

针对试样2的TOFD检测中，图谱在220mm位置出现了直通波和底波信号中断，可以确定是试样2中25mm的模拟未熔合缺陷；在266mm位置，出现了5mm的缺陷信号，可以对应试样中的模拟短孔缺陷。通过上述实验，证明使用TOFD技术具有较高的可靠性和可行性。

三、实际缺陷检测

为了能对TOFD技术的可靠性进行进一步验证，与某燃气集团合作进行了现场检测试验。缺陷试样的管帽被重复使用，检测该热熔对接接头的过程中，发现了明显的缺陷特征，之后切开进行缺陷验证。检测时，将该热熔接头焊接，经过2小时的冷却，获得了检测图谱。图谱的1018mm位置，在深度276mm处存在一个长度30mm的内翻边缺陷；在图谱的789mm位置，存在深度为230mm，长度为6mm的埋藏缺陷。通过使用数字射线检测技术对缺陷位置进行检测，获得了各个缺陷的位置信息，确定数字射线检测技术确定的缺陷位置和TOFD技术的缺陷位置一致，之后对其进行解剖验证[6]。通过切割进行眼球，发现在相应缺陷位置存在对应的缺陷，缺陷尺寸和TOFD检测结果基本一致，可以验证使用TOFD技术具有一定的可行性。

结束语

通过研究，使用TOFD技术检测PE管道热熔对接接头中的缺陷可以获得比较准确的结果，对缺陷的长度、高度、位置都可以准确定量，具有较高的可行性和可靠性。实际工作中，可以使用TOFD技术对PE管道热熔对接接头进行检测，能比较好地满足施工的需求，对保证管道的安全性、质量控制，都有十分重要的意义。。

参考文献：

[1]董洋.PE管道热熔对接接头的TOFD检测[J].无损检测,2022,44(09):42-44+62.

[2]张伟,景文学,岳雷等.管道TOFD检测质量控制[J].石油化工建设,2021,43(S2):20-21.

[3]王业民,陈厌灾,王颜昊.炼化装置厚壁管道环焊缝TOFD检测质量控制要点[J].石油化工建设,2019,41(S2):28-30.

[4]梁桠东,谢建平,石锋.TOFD检测在管道工程的应用[J].化工设计通讯,2018,44(07):29+109.

[5]阮星翔. 管道环焊缝TOFD检测自动扫查系统设计[D].兰州理工大学,2017.

[6]陈振华, 核电用不锈钢管道焊缝中超声波散射机理及其TOFD检测研究. 江西省,南昌航空大学,2014-12-01.