聚乙烯管(PE)热熔接头超声波检测问题分析

2023年4月24日发(作者：中国涂料十大品牌排行)

Corrosion Research

聚乙烯管（PE）热熔接头

超声波检测问题分析

韩光明 蔡 勤

12

（1. 辽阳宏伟无损检测工程有限公司，辽宁 辽阳 111000；

2. 广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东 珠海 519002）

摘 要

：经研究得知，聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中严重的危害性缺陷是“未充分熔

合”，这种缺陷具有“透声”的声学性能。本文依据横通孔、矩形槽、V形槽等规则反射体与“未

充分熔合”缺陷声学性能的比较，对利用A型超声波、TOFD、超声相控阵等检测设备检测聚乙烯

（PE）管道热熔熔接接头存在的问题进行了分析。

关键词：

聚乙烯燃气管 热熔接头 超声波检测

中图分类号：文献标识码：DOI：10.13726/.11-2706/tq.2021.05.103.06

TG115.28 A

Analysis on the Problems of Ultrasonic Testing Fusion

Welding Joint of Polyethylene (PE) Pipes

HAN Guang-ming, CAI Qin

12

(1. Liaoyang Hongwei NDT Engineering Co., Ltd. Liaoyang 111000, China; 2. Guangdong Special

Equipment Inspection and Research Institute Zhuhai Inspection Institute, Zhuhai 519002, China)

Abstract:

The study shows that the serious harmful defect in fusion welding joint of polyethylene (PE)

技

术

pipe are‘insufficient fusion’, which has the acoustic performance of‘sound transmission’. In this

paper, based on the comparison of acoustic performance between regular reflectors such as cross-holes,

rectangular grooves, V-shaped grooves and‘ incomplete fusion ’defects, the problems existing in the

detection of fusion welding joint of polyethylene (PE) pipe by using type A ultrasonic, TOFD, ultrasonic

phased array and other detection equipment are analyzed.

Key words:

polyethylene pipelines; butt fusion joint; ultrasonic testing

1 聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头与金属

焊接接头缺陷种类不同的原因分析

目前，无损检测行业利用A型超声波、TOFD、

超声相控阵等检测设备检测聚乙烯（PE）管道热

熔熔接接头存在问题的主要原因，是没有真正了解

聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中缺陷的种类及

特点。

基金项目：2020年珠海市社会发展领域科技计划项目一般项目《聚乙烯(PE)管道热熔接头X射线检

测技术应用》项目编号（ZH22PWC）

作者简介：韩光明 (1986

－) ，男，辽宁辽阳人，工程师，本科，主要研究方向为金属焊接与无损

检测方法。

全面腐蚀控制

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一些无损检测标准规定，聚乙烯（PE）管道热

熔熔接接头中存在与金属焊接接头相同的裂纹、未

熔合、未焊透、条形和圆形等五类缺陷。

接过程中不存在这样的物质，如果非要认为聚乙烯

（PE）管道在熔接过程中有异物进入的话，其概念

也不应称之为夹渣。因为聚乙烯（PE）管道接头中

的“夹渣”可能是在现场施工过程中夹进去的土石

块，因此应称之为“夹杂”；

这是一个强加的概念，由聚乙烯（PE）管道

熔接工艺也可以得到说明，在熔接过程中当加热过

程完成之后移除加热板仅数秒钟管子将在压力下对

接，此时是不可能进入土石块的。

假设移出加热板的瞬间，在风力作用下有微小

的尘土进入熔融状态的管端表面，也会随着内、外

翻边的形成而被挤出，冷却后形成的熔合面怎么会

存在夹杂缺陷呢？

（4）金属焊接接头中有气孔缺陷（即标准中条

形缺陷和圆形缺陷的一种），而且经常以链状、密

集或单个状态存在。而PE管热熔熔接接头最终是在

约4Mpa（约40公斤）压力作用下成型的，不难想象

什么样的气孔缺陷可以在这么大的压力下仍然保持

气孔形状而不被挤破；

（5）金属焊接接头中有未熔合缺陷，是焊材熔

化后未与母材坡口面充分熔合在一起形成的，而聚

乙烯（PE）管道接头没有坡口，因此不可能产生与

金属焊接接头中性质相同的未熔合缺陷。

通过上述分析可知，聚乙烯（

PE）管道热熔

熔接接头中不可能存在与金属焊接接头中相同的气

孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等类型缺陷。

[2]

1.1 金属焊接的工艺过程

金属焊接的工艺过程是先将需要焊接的母材加

工成一定形状的坡口，施焊前将被焊工件组对在一

起并留有一定间隙，通常采用电弧加热的方法，使

其坡口区域及填充材料快速加热熔化并快速结晶凝

固。同时根据被焊工件的工艺要求，在焊接区域控

制适当的冷却速度（自然冷却或保温），从而得到

理想的焊接接头，这就是我们所熟悉的金属焊接。

金属焊接过程实际上是金属被加热、熔化和冷

却的冶金过程，其物理变化是在原子之间进行的。

1.2 PE（聚乙烯）管道热熔熔接的工艺过程

PE管是高分子聚合物，热熔“熔接”是利用热

塑性塑料随温度变化而呈现不同的物态变化，在适

技

术

当温度范围内将PE管两端面加热到粘流态(熔融温

度)后停止加热并移去加热装置，在一定压力作用下

两侧管端粘流态断面充分接触，聚合物分子之间发

生迁移、扩散、扭结或缠绕后形成熔接接头。

聚合物的形态随着温度与时间的变化，由固

态→粘流态→固态，其物理变化是在分子之间进行

的，很显然其工艺过程与金属焊接有显著的不同。

[1]

1.3 聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头与金属焊接

接头缺陷类型不同的原因分析

（1）金属焊接接头中有热裂纹或冷裂纹，而PE

管材料是高分子聚合物，具有很强的塑性和弹性的

特点，因此不具备产生裂纹缺陷的条件；

（2）金属焊接接头中未焊透是产生在钝边间隙

中的，而聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头不存在钝

边和钝边间隙，因此不可能产生像金属焊缝中的未

焊透缺陷；

（3）金属焊接接头中的夹渣（即标准中的条形

缺陷和圆形缺陷）是在焊接过程中残留在焊缝中的

焊药皮或焊剂形成的。而聚乙烯（PE）管道热熔熔

1.4 聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中“未充分

熔合”缺陷的产生过程及力学性能的特点

（1）产生“未充分熔合”缺陷的条件

冷焊的概念：

接头熔接温度或时间低于规定值形成的缺陷定

义为冷焊。

过焊的概念：

接头熔接温度超过规定值（短时间）形成的缺

陷定义为过焊。

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无论是冷焊或过焊，均使聚乙烯（PE）管道热

熔熔接接头仅仅实现了简单的“粘接”连接，聚合

物分子之间并没有发生迁移、扩散、扭结或缠绕，

将在这种条件下形成的聚乙烯（PE）管道热熔熔接

接头定义为“未充分熔合”；

（2）“未充分熔合”缺陷的力学性能

聚乙烯（PE）管道热熔熔接过程中，只有聚合

物分子之间发生了迁移、扩散、扭结或缠绕，其熔

接接头的强度才能达到理想要求，而存在“未充分

熔合”缺陷的熔接接头其机械强度仅仅达到合格接

头的约二分之一左右。

表1

图2 熔接接头声学性能试验示意图

序号1试样2试样3试样4试样

175.3dB72.2dB73.2dB74.5dB

276.2dB73.9dB74.1dB73.3dB

374.0dB72.2dB72.5dB75.3dB

473.7dB72.2dB75.7dB75.1dB

574.2dB70.4dB70.8dB75.8dB

平均值74.7dB72.2dB73.3dB74.8dB

####

2 存在“未充分熔合”缺陷热熔熔接接头

声学性能试验

2.1 试验条件

试验选用“衰减式”CBC-100型数字式超声波

探伤仪，两只2Z13×13K1低频纵波窄脉冲斜探头，

无“未充分熔合”缺陷模拟试样一块，存在“未充

分熔合”缺陷模拟试样三块。

2.3 试验结论

通过表1试验数据得到一个非常重要的信息。

由表1可知，有、无“未充分熔合”缺陷的热熔

熔接接头声衰减的平均值都在74dB左、右，这说明

存在“未充分熔合”缺陷的聚乙烯（PE）热熔熔接

接头存在严重的“透声”现象。

技

术

2.2 试验过程

参考图1与图2，在每块模拟试样接头两侧分别

取五个测试点，利用一发一收的测试方法测试聚乙

烯（PE）管道热熔熔接接头的声学性能。分别将获

得的反射回波幅度调整至基准高度80%读取探伤仪

衰减器的剩余读数，试验数据如表1所示。

3 聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中“未

充分熔合”缺陷A型超声波、TOFD、超

声相控阵等检测设备检测结果分析

3.1 A型超声波探伤仪的检测分析

图1 熔接接头一发一收方法测试示意图

表1，1试样无“未充分熔合”缺陷，2～4试

###

样“未充分熔合”缺陷逐渐严重。

图3 一次与二次波检测方式示意图

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图4 单探头一次与二次波实物检测示意图

图5 双探头串列式扫查检测方法示意图

图7 超声相控阵探头及声场示意图

技

术

由试验得知，聚乙烯（PE）管道热熔熔接接

头中的“未充分熔合”缺陷存在严重的“透声”现

图6 双探头串列式扫查实物检测示意图

象，因而无法获得A扫描波形。如果无法获得A扫描

波形，那么超声相控阵检测设备如何实现对聚乙烯

（PE）管道热熔熔接接头检测呢？

参考图3～图6，分别采用一次波、二次波与串

列式扫查方式，对图4与图6热熔熔接接头中“未充

分熔合”缺陷进行扫查，都没有“未充分熔合”缺

陷的反射回波出现。

3.3 TOFD仪器的检测分析

㧌㪅⤉

㻯㪅⤉

3.2 超声相控阵仪器的检测分析

A型显示的超声波探伤仪，是依据缺陷反射回

波的位置及幅度，或被检工件底波幅度的变化，判

断被检工件中是否存在缺陷。

参考图7，超声相控阵探头是由多个压电晶体组

成，多个压电晶体辐射的超声场分别扫查到缺陷，

形成多个最原始的A扫描波形。超声相控阵设备的

B、C扫描视图，就是由最原始的多个A扫描波形组

合得到的。

参考图8，TOFD检测技术是基于缺陷衍射信号

㻯㪅⤉

ⳕ㪅⤉

㦒㻾

图8 TOFD仪器检测原理示意图

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进行数据分析和判读，并利用获得的TOFD图像判读

是否存在缺陷。

聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头整道口的熔接

条件是相同的，即无缺陷端点，且“未充分熔合”

缺陷还存在严重的透声现象。TOFD检测是否可以获

得“未充分熔合”缺陷的衍射波？如果得不到衍射

波TOFD仪器如何检测聚乙烯（PE）管道的热熔熔接

接头？

（2）对比试块上短横孔在近场区表现为线状

缺陷的反射特征，在远场区表现为点状缺陷的反射

特征；

（3）对比试块上的平底孔一般具有面积型缺陷

反射体的特征；

（4）对比试块上的 V 槽、矩形槽、线切割槽具

有表面开口线性缺陷的反射特征。

4.5 A型超声波、TOFD、超声相控阵等检测标准

选用的对比试块举例

目前正在执行的有关聚乙烯（PE）管道热熔熔

接接头，A型超声波、TOFD、超声相控阵等检测标

准所用对比试块分别如图9～图12所示。

[4]

4 A型超声波、TOFD、超声相控阵等检测

设备无法检测“未充分熔合”缺陷的理

论分析

4.1 超声检测灵敏度的概念

检测灵敏度是指在确定的声程范围内检测出最

小缺陷的能力，一般以有效检出工件中某一规定尺

寸的缺陷作为度量，实际检测中根据产品技术要求

或有关标准确定检测灵敏度。

4.2 超声检测灵敏度的调整

超声检测灵敏度调整就是确定选用的检测仪器

与探头，能够有效地发现对比试块中的缺陷时检测

仪器的灵敏度余量。

图9 垂直入射纵波检测试块

技

术

4.3 超声对比试块的定义

对比试块是指与被检件材料化学成分相似，声

学性能相同或相近，含有意义明确参考反射体的试

块。用以调节超声检测设备的灵敏度和声程，以将

所检出的缺陷信号与已知参考反射体所产生的信号

相比较，即用于检测校准的试块。

[3]

图10 斜入射纵波检测试块

4.4 对比试块上不同形状参考反射体的反射特征

对比试块上一般采用不同形状的参考反射体，

常用参考反射体有长横孔、短横孔、平底孔、横通

孔、V形槽、矩形槽和线切割槽。

（1）对比试块上长横孔、横通孔的反射回波特

征与工件内部具有一定长度的裂纹、未焊透、未熔

合和条状夹渣等缺陷的反射回波相类似；

图11 串列检测试块

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（1）聚乙烯（PE）管道热熔熔接接头中的“未

充分熔合”缺陷，由于存在严重的透声现象而无法

获得最原始的A扫描波形；

（2）PE管材的整道接头是在同一条件下熔接而

成的，不存在缺陷端点；

（3）目前使用的对比试块上的横通孔、平底

孔、矩形槽等不同规则反射体的反射特征，不能模

图12 爬波检测试块

拟“未充分熔合”缺陷的反射特征。

因此，A型超声波、TOFD、超声相控阵等超声

上述对比试块上的横通孔、平底孔、矩形槽等

规则反射体全部是“不透声”的，而聚乙烯（PE）

管道熔接接头中的“未充分熔合”缺陷是严重透声

的，即声学性能完全不同，这些试块的选用不符合

超声对比试块的定义。

同时，也不应该用上述对比试块上的横通孔、

平底孔、矩形槽等不同规则反射体确定超声检测灵

敏度。

波检测设备，都不具备检测聚乙烯（PE）管道热熔

熔接接头的条件。

参考文献

[1] 董守江, 邱建新, 温友林, 周裕昌, 冯志飞. PE管热熔（焊接）

粘接缺陷的研究[J]. 中国特种设备安全, 2015,7 :65-69.

[2] 李强, 田博洋, 李茂东, 张建平, 赵锋, 曾涛,肖玉刚, 陈虎, 董海

城, 陈国龙. GB/T33488.3-2017,化工用塑料焊接制承压设备检

验方法第3部分：射线检测[S]. 北京. 中国标准出版社: 2017.

[3] 中国特种设备检验协会. 超声检测[S]. 北京: 中国劳动社会保

障出版社: 2009.

[4] 陈定岳, 李俊, 李茂东, 郑汪萍, 赵锋, 肖玉刚,田博洋, 王新华,

谢军明, 李强, 黄辉. GB/T33488.4-2017, 化工用塑料焊接制承

压设备检验方法第4部分：超声检测[S]. 北京. 中国标准出版

社: 2017.

技

术

5 结语

通过上述分析可以得出如下结论：

（上接第23页）

在进行焊接之前，要保证两段管道的接口部分

干净整洁，接口部分是不能有油污存在的，但有油

污存在就可能造成接口焊接不完全等问题，如果焊

接之后平整度不足，那么就需要用人工或者机械对

焊接口的不平整处进行打磨，以此来保证焊接工作

的质量。

参考文献

[1] 王文达, 孙铭. 地面设备安装及集输管道施工技术分析[J].石油

照施工图纸和地形，进行设备的选择和安全隐患的

排查，并且采取措施延长管道的寿命。

3 结语

结合以上内容，油田地面工程的两个重要内容

都是会直接影响施工质量的，要想保证施工质量，

就要从这两个方面进行全面的改革与升级。严格按

和化工设备, 2020, 23(05): 103-104.

[2] 潘进虎, 戴豫陇, 戴翔. 油田地面建设设备安装与集输管道施工

技术[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2020, 40(08): 222-223.

[3] 马鑫尧. 油田地面建设设备安装与集输管道施工技术探讨[J].

中国石油和化工标准与质量, 2020, 40(02): 255-256.

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