王晓梁 李 陈 孙志涛

江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院 （江苏南通 226001）

由于聚乙烯管具有耐腐蚀、不易泄漏、高韧性、优良的挠性、良好的抗刮痕能力、良好的快速裂纹抵抗能力、寿命长等特点，2000 年以后，我国新建的中低压城镇燃气管道大规模使用聚乙烯管。针对热熔接头缺陷，目前较为成熟的无损检测手段主要有相控阵检测技术和X 射线检测技术。声发射检测技术是根据结构内部发出的应力波来判断内部损伤程度的一种新型动态无损检测方法，可以在构件或材料的内部缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行检测。声发射检测已应用于航空航天、石油、化工、铁路、汽车、建筑和电力等领域，是一种重要的无损检测技术，与常规无损检测技术相比有两个基本特点：一是对动态缺陷敏感，在缺陷萌生和扩展过程中能实时发现；二是声发射波来自缺陷本身而非外部，可以得到有关缺陷的丰富信息，检测灵敏度与分辨率高。使用过程中聚乙烯热熔接头出现的破裂和泄漏等损伤，均伴随着“声”的产生。尝试运用声发射技术对聚乙烯管道进行模拟检测，为后期开展燃气聚乙烯管道声发射检测提供借鉴。

1 试验概况

目前，各方对聚乙烯管道热熔接头的缺陷形式分类暂未形成一致的意见[1]，选择具有代表性的冷焊、气孔、夹杂、过焊作为缺陷源，并制作一根无缺陷的聚乙烯管道用于比对检测结果[2]。对这5 根聚乙烯管道在实验室内进行氮气打压，从而检测管道在内压载荷下的缺陷活动状况，并根据此过程中声发射信号的强弱与活性程度对管道的本质安全状况进行分析。管道长度为5 m，分别由2 根2.5 m 长的管道热熔熔接而成，基本参数见表1。

表1 试验工件基本参数

分别在管道两端和中部焊接位置布置3 个声发射传感器。声发射设备采用美国PAC 公司的SAMOS 型48 通道声发射仪，传感器型号为R3I，试压管道传感器布置见图1。本次声发射检测系统包括换能器、前置放大器、主放大器、处理器和记录显示装置。检测系统的性能应符合NB/T 47013.9—2012《承压设备无损检测 第9 部分：声发身检测》中附录的要求。换能器的谐振频率范围为20～100 kHz，确保有足够的接收灵敏度。选用的声发射仪器有实时显示和记录功能，有覆盖检验区域的足够通道数,可记录超过系统检测阈值的撞击数、幅度、计数或能量参数。采用时差定位方法时应能记录信号的到达时间。

图1 声发射传感器布置

试验过程中选择氮气作为充装介质进行打压， 加载过程如图2 所示。

图2 声发射加载过程

2 声发射信号衰减测试

用模拟源校准检测灵敏度。模拟源应能重复发出弹性波。采用Ø0.5 mm，硬度为HB 的铅笔芯折断信号作为模拟源。铅芯伸出长度约为2.5 mm，与管道表面夹角约为30°。其响应幅度值取3 次以上响应平均值。在管道的顶端布置一声发射传感器，每隔100 mm 进行断铅，从而测试声发射信号在管道上的传播特性，距离（时间）-幅值关系见表2 和图3。

图3 声发射衰减测试时间-幅值信号

表2 声发射衰减测试距离-幅值关系

从声发射信号的传播距离与幅值测试数据可看出，管道架空状态下，声发射信号传播距离达到1.9 m 左右时，其信号幅值达到38 dB。在承压设备声发射检测过程中，一般情况下门槛选取40 dB。因此在实际检测过程中，理论上两个声发射传感器之间的距离不大于3.6 m。为提高检测效率、防止有效声发射信号的丢失，传感器间距选取3 m 左右较为合适。对于重点检测部位，如弯头、三通或怀疑有缺陷的部位，需要单独增设传感器进行检测。

3 5 根管道声发射检测结果

3.1 完好管道加载过程声发射检测

加载检测前，应进行背景噪声的测量，建议检测背景噪声的时间不少于15 min。背景噪声大于所设定的阈值时，应设法消除背景噪声的干扰或中止检测。在管道上依次布置3 个传感器，背景噪声测量完成后，进行声发射检测。0～6 s 为升压阶段，6～16 s 为保压阶段，16～19 s 为降压阶段，从3 号传感器处进气升压，分别采集管道在升压、保压、泄压阶段的声发射信号，如图4 所示。

图4 完好管道声发射检测信号

（1）由于管道较短，充气过程对于声发射检测的影响巨大，充气时的气流干扰声信号非常强，很难判断其中是否夹杂有缺陷的扩展信号，因此在实际检测过程中，被检测位置应尽可能远离进出气口。

（2）在实际保压过程中，可以明显看出1 号和2号传感器未采集到任何声发射信号，可见在此过程中管道始终处于安全稳定状态，未产生明显的缺陷扩展现象。

3.2 冷焊缺陷状态下管道声发射检测

从3 号传感器处进行进气升压，2 号传感器位置处的焊缝布置有假焊缺陷。0～5 s 为升压阶段，5～16 s 为保压阶段，16～28 s 为降压阶段，结果如图5 所示。可以看出：管道的充气过程给3 号传感器的声发射采集带来了巨大的影响，且在保压过程中仍然出现了气体泄漏，因此给1 号和2 号传感器的保压信号采集带来了一定影响，从而采集到了一些声发射噪声信号。1 号传感器由于远离进气口，其声发射信号数量较2 号传感器少。

图5 冷焊热熔接头管道声发射检测信号

对进气阀门进行维修后重新打压测试，结果如图6 所示。可以看出，升压和降压过程中出现了明显的声发射信号，保压过程中基本上未出现声发射信号。可见，在此次加载的压力下，管道中预制的假焊缺陷未出现扩展，缺陷始终稳定，呈现死缺陷现象。

图6 冷焊热熔接头管道声发射检测信号

3.3 夹杂缺陷状态下管道声发射检测

对于夹杂缺陷管道，0～7 s 为升压阶段，7～17 s为保压阶段，17～21 s 为降压阶段，其中2 号传感器位置处的焊缝布置有夹杂缺陷，结果如图7 所示。可以看出，升压和降压过程中出现了明显的声发射信号，保压过程中基本上未出现声发射信号。可见，在此次加载的压力下，管道中预制的夹杂缺陷未出现扩展，缺陷始终稳定，呈现死缺陷现象。

图7 含夹杂热熔接头管道声发射检测信号

3.4 气孔缺陷状态下管道声发射检测

对于含气孔缺陷管道，0～4 s 为升压阶段，5～20 s 为保压阶段，20～28 s 为降压阶段，测试信号如图8所示。其中1 号和3 号传感器位置处的焊缝布置有气泡缺陷。可以看出，升压和降压过程中出现了明显的声发射信号，保压过程中基本上未出现声发射信号。可见，在此次加载的压力下，管道中预制的气孔缺陷未出现扩展，缺陷始终稳定，呈现死缺陷现象。

图8 含气孔热熔接头管道声发射检测信号

3.5 过焊缺陷状态下管道声发射检测

对于含过焊缺陷管道，0～3 s 为升压阶段，4～20 s 为保压阶段，20～28 s 为降压阶段。其中1 号和2号传感器位置处的焊缝布置有过焊缺陷，检测信号如图9 所示。升压和降压过程中出现了明显的声发射信号，而保压过程中基本上未出现声发射信号。可见，在此次加载的压力下，管道中预制的过焊缺陷未出现扩展，缺陷始终稳定，呈现死缺陷现象。

图9 过焊热熔接头管道声发射检测信号

4 结语

（1）此次管道声发射检测的最大加载压力为0.40 MPa，在这一压力下管道预制的缺陷均未出现明显的扩展，说明在0.40 MPa 的压力下，管道满足继续使用的条件。

（2）聚乙烯材质呈现的缺陷扩展声发射特征与金属材质完全不同。为了更好地识别和判定缺陷的安全状况等级，建议对聚乙烯材料进行基础的材料破坏及力学性能实验，并在此基础上收集其声发射特征参数，为后续现场检测提供必要的数据支撑。

（3）由于聚乙烯材质的塑性比钢制管道大得多，其缺陷扩展是否呈现突发性的特征，以及其发生的频率特性都会影响声发射信号的识别，因此建议先采用宽频带声发射传感器对信号进行更广范围的采集，在准确判断缺陷的频率分布之后，再使用窄频传感器进行检测。

聚乙烯管道的声发射检测还处于研究阶段，实际使用前还需要进行大量的研究工作，如信号特征、判别规则、传感器设计、检测工艺制定等。