王亮 汤文斌 夏健

江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院 （江西南昌 330052）

聚乙烯具有良好的耐腐蚀性、优异的机械性能和良好的可加工性等特点。聚乙烯管道的使用寿命是防腐层完好钢管的2 倍，能抵抗地震等自然灾害的影响，因此作为燃气管道的主要材料被广泛应用。目前，国内绝大多数城镇中低压燃气管道均采用聚乙烯管[1]。

在管道的安装过程中，焊接是一项重要的工艺。但是，焊接过程中容易产生焊接缺陷，如气孔、夹渣、裂纹等。目前，国内聚乙烯燃气管道工程管理多参照CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》，该标准规定对管道的连接验收需要经过焊接前准备（主要是对人员、设备、管材等的检查），焊接过程控制（严格按照操作规程及规定的焊接参数进行），焊接后检查（电熔主要检测指示柱，热熔进行卷边切除等）3 个步骤。这些管理方式存在着很大的局限性，无法观察到焊口内部的缺陷，同时不能判断出存在的缺陷会对其产生多大的影响。如果不能及时发现缺陷并修复会给管道使用带来严重的安全隐患，因此，对焊接接头进行无损检测是确保管道安全运营的关键步骤之一。

超声相控阵检测技术具有设备便携、操作简便、运行无辐射、结果直观等优点，适用于燃气管道现场不停气检测。GB/T 38942—2020《压力管道规范公用管道》规定，公称尺寸为40～400 mm 的电熔焊接接头和公称尺寸为75～400 mm 的热熔对接焊接接头可进行相控阵超声检测。这两种类型几乎覆盖了现场中所有规格的聚乙烯燃气管道，也充分说明了利用超声相控阵检测技术对聚乙烯燃气管道进行检测的可行性。

1 超声相控阵检测技术原理

超声相控阵是一种非破坏性检测技术，利用多个发射和接收元件的阵列（如图1 所示），通过相位控制和波束形成实现对被检测物体内部的聚焦和扫描[1]。通过接收反射信号并进行信号处理，可以获取图像信息，用于缺陷检测和定位。

超声相控阵系统由多个发射元件组成，每个元件可以单独激发。通过控制激发时间和幅值，每个发射元件会发出一个超声脉冲。这些脉冲在不同的角度下被发射，并覆盖被检测物体的整个区域。每个发射元件的脉冲到达时间略有差异，这就引入了相位控制的概念。通过调节每个发射元件的激发时间，可以控制超声波的相对到达时间，从而使超声波能够在被检测物体内部的特定位置聚焦。相控阵系统中的发射元件可以按照不同的时间延迟并依次激发，产生一系列微小的超声波脉冲。通过合理调整激发元件的相位和幅值，这些脉冲可以合成一个聚焦的波束。聚焦点的位置和深度可以通过调整相位来控制。通过逐步改变发射元件的激发时间和幅值，可以使聚焦点在被检测物体内部进行扫描，这样可以对整个区域进行快速而全面的检测。通过改变阵列中多个发射元件的激发顺序，还可以实现多角度的扫描。通过对接收到的信号进行处理和分析，可以重建出被检测物体内部的图像。

2 聚乙烯燃气管道超声相控阵检测

2.1 电熔接头检测

对于电熔接头的检测，早在2012 年就推出了GB/T 29461—2012《聚乙烯管道电熔接头超声检测》，其中涵盖了检测程序和验收标准等。国家能源局也于2021 年发布了NB/T 47013.15—2021《承压设备无损检测第15 部分：相控阵超声检测》，该标准更完善地规范了聚乙烯管道电熔接头的超声相控阵检测。

NB/T 47013.15—2021 适用于公称直径为40～400 mm、公称壁厚为3.6～36.4 mm 的聚乙烯管道焊接接头，这点同GB/T 38942—2020 中规定的范围相吻合，方便了该标准的实施。

NB/T 47013.15—2021 将试块分为对比试块和模拟试块，并根据不同的曲率半径将对比试块分为3 种型号，且对试块的加工精度和钻孔直径作了明确的限定。该标准还对检测区域、探头的选择、探头的布置、聚焦设置和检测时机作出了明确的说明，具有很强的操作性。

NB/T 47013.15—2021 将电熔接头中的常见缺陷分为6 类，分别为孔洞缺陷、熔接面缺陷、冷焊、过焊、电阻丝错位和管材承插不到位。孔洞缺陷是电阻丝上方的气泡和熔合区中间位置的缩孔；熔合面缺陷主要包括未熔合、夹杂、油污等；冷焊缺陷是输入热量不足而造成熔合区小于正常焊接接头的熔合区；过焊缺陷是接头焊接热量过大造成的，过焊的熔合区大于正常焊接接头的熔合区，通常会出现孔洞、电阻丝错位等缺陷；电阻丝错位是电阻丝在水平、垂直方向或两个方向均有的错位；承插不到位属于装配缺陷，可通过单边熔合区位置判断管材是否承插到位。

对于电熔接头的检测，国内学者进行了大量研究。林师一等[2]通过对聚乙烯电熔焊接常见的缺陷进行检测分析，证实了相控阵检测方法对聚乙烯电熔焊接缺陷的检测具有比较高的精度及可靠性，能够用于工程实践。陈艳[3]通过对在建项目现场的聚乙烯电熔接头进行抽查并对检测结果进行分析，发现相控阵检测技术可有效检测出焊口的内部缺陷情况，为提升电熔焊接质量控制水准提供了帮助。胡磊[4]提出一种基于多尺度小波阈值去噪和图像均值算法相结合的方式对聚乙烯燃气管道电熔接头检测图像进行处理，提升了检测效率和检测准确度，能更清晰地呈现聚乙烯燃气管道电熔接头的相关缺陷。上述研究表明：超声相控阵检测技术对于聚乙烯电熔焊接缺陷的检测具有很高的可靠性，应用于在建项目现场时对控制电熔焊接质量起到很好的指导作用。对于电熔接头检测图像处理技术的研究也在如火如荼地进行，大大提升了检测准确度，相信在不久的将来，超声相控阵技术应用于电熔焊接接头内部缺陷检测将逐步为人们所熟知及认可。

2.2 热熔接头检测

对于热熔接头的检测标准相对滞后，目前，国内外尚未颁布利用超声相控阵技术检测热熔接头的标准，但其检测方法已经成熟。上海于2017 年颁布地方标准DB31/T 1058—2017《燃气用聚乙烯（PE）管道焊接接头相控阵超声检测》，该标准给出了热熔接头检测的规范性附录和特征图谱的资料性附录。内蒙古于2020 年1 月发布了DB15/T 1819—2020《燃气用埋地聚乙烯管道焊接接头超声相控阵检测技术规范》，该标准对热熔接头检测从灵敏度的设置到检测程序再到检测数据的分析都作出详细说明，具有很强的操作性。

国内学者在聚乙烯管道热熔接头检测方面也进行了大量研究。王少军等[5]提出了采用超声相控阵动态聚焦和S 扫查成像技术对聚乙烯热熔接头进行检测。检测结果验证了该方法的可行性并利用其进行了工程检测验证，为超声相控阵技术在聚乙烯热熔接头检测中的推广提供了经验。张晓宝[1]通过研究相控阵检测探头的声场特性，模拟仿真接头缺陷在不同探头参数下的变化，为优化设计探头参数组合提供了帮助，最后对制备的试样进行超声相控阵检测和质量评定，研究结果表明该技术对聚乙烯热熔焊接接头缺陷有很好的检测效果。施建峰等[6]对燃气管道工程中的热熔接头进行现场不停气检测，通过检测结果统计缺陷出现的概率，分析缺陷的产生原因（可能是泥土、水、油污等微小颗粒附着在管体端面，管体端面不平整和提前卸除夹具导致产生裂纹等），为聚乙烯燃气管道规范施工和现场检测提供帮助。上述研究表明超声相控阵技术应用于热熔接头检测已通过模拟仿真和工程检测的验证，在其实际应用中也为规范施工提供了帮助。

3 结语

现阶段，聚乙烯燃气管道电熔接头的超声相控阵检测技术及标准已经成熟，无论是国标还是特种设备行业标准，都对其有比较明确的判断依据和评判标准，可以用于电熔焊口质量检查，提升聚乙烯燃气管道施工质量控制水平。

对于聚乙烯燃气管道热熔焊口，超声相控阵技术也有很好的检测效果。目前，只有上海和内蒙古颁布了相关标准，国家层面标准还未出台，希望国家层面关于聚乙烯燃气管道热熔焊接接头的超声相控阵检测标准尽快出台。

燃气管道安全关乎公共安全，焊接缺陷的扩展会导致燃气管道泄漏，目前国标只是建议对聚乙烯的电熔和热熔焊口采用相控阵检测技术，在验收标准中未作要求。建议今后在修订验收规范时可以参照聚乙烯热熔焊接翻边切除检验，对燃气管道焊接接头的无损检测设置一定的抽查比例。