聚乙烯管道焊接缺陷无损检测技术现状与发展趋势

黄彬彬^1,3，汪晓岗²，刘维玉²

 1. 深圳红冠机电科技有限公司，深圳 518107

2. 宁波市实业股份有限公司，宁波 315414

3. 宁波甬先精密检测实验室有限公司，宁波 315201

摘  要：随着聚乙烯（PE）燃气管道的广泛应用，PE管道焊接缺陷无损检测技术（NDT）对其使用寿命和安全运行的重要性日益突出。当前，国内外对PE管道焊接缺陷无损检测技术主要涉及射线检测和超声波检测两种技术，国内外开展了积极的试验室研究和应用研究，但尚未取得广泛的实际应用。本文主要总结PE管道焊接缺陷无损检测技术的国内外研究进展，分析该领域的新变化和新动向，通过深入分析射线检测和超声检测的技术现状，总结国内外PE管道焊接缺陷无损检测技术研究存在的主要问题，预测PE管道焊接缺陷无损检测技术的未来发展趋势。

关键词：PE管道；焊接缺陷；无损检测；射线检测；超声检测

中图分类号：TG115.28    文献标识码：A

1 引言

随着科学技术的进步，聚乙烯（PE）管道在城镇燃气输配管网系统得到广泛应用。相比传统金属管道，PE管道，具有耐腐蚀、柔韧性好、施工方便、使用寿命长、环境友好等优点，已成为城镇燃气输配管网的首选管材，在中低压管线新建或更新工程中使用率达90%[1]。

由于管道接头改变了燃气管道及管材自身的一体性，管道接头的焊接部位，成为PE管网的薄弱环节和主要安全隐患。然而，金属管道尤其是钢管，其内部焊接缺陷主要采用X射线进行检测筛查，相关技术的应用已较为普遍和规范。然而，聚乙烯管道的聚乙烯材质密度较低，其内部焊接缺陷无法直接使用金属管道所通常采用的X射线技术进行检测筛查。因此，通过聚乙烯管道焊接缺陷无损检测技术，实现聚乙烯管道施工在线检测，提高PE管网整体可靠性、安全性，是国内外长期以来亟待解决的瓶颈难题。

易燃易爆为城镇燃气的特点，城镇燃气PE输配管道施工中或投运前对其焊接缺陷在线筛查的缺失，引发各类失效、泄漏导致燃爆事故，将给人民生命财产造成巨大损失。目前国内外可在实验室掌握有限的试验性焊接缺陷信息，尚不能全面准确掌握施工现场的实际焊接缺陷信息，也不能系统研究所有现场焊接缺陷的成因以及形成机制、失效机制。因此，研发先进高效的聚乙烯管道焊接缺陷无损检测技术，正成为本领域的研究重点和热点。

本文主要总结PE管道焊接缺陷无损检测技术的国内外研究进展，分析该领域的新变化和新动向，通过深入分析射线检测和超声检测的技术现状，总结国内外PE管道焊接缺陷无损检测技术研究存在的主要问题，预测PE管道焊接缺陷无损检测技术的未来发展趋势。

2 聚乙烯管道焊接缺陷研究及技术需求分析

PE管道缺陷，主要形成于焊接前、焊接中和焊接后三个阶段。

焊接前形成的缺陷，主要包括管件或管材质量缺陷、焊接界面存在各类杂质污染物、焊前加工装配及对中误差等引起的各类缺陷。

焊接中形成的缺陷，主要包括实际焊接工艺参数发生较大偏差、工艺参数错误或不适配、外在干扰或环境剧烈变化、操作错误或失误、设备故障等引起的各类焊接缺陷。

焊接后形成的缺陷，主要包括环境腐蚀、受压或受扭疲劳、突发外力破坏、管内压力超标等引起的各类缺陷。

对焊接前缺陷和焊接后缺陷，通常容易通过管理措施及技术措施加以克服或监管。而焊接中形成的缺陷，即PE管道焊接缺陷，往往难以通过常规的管理措施及技术措施加以克服或监管，有必要借助无损检测技术检查内部缺陷情况，从而有效筛查各类焊接缺陷。

而分析研究PE管道焊接缺陷，精准确定PE管道焊接缺陷无损检测的技术需求及技术要求，是PE管道焊接缺陷无损检测技术研究的首要问题。

目前，PE管道焊接缺陷研究，总体进展为：

第一，缺陷形态分类已形成共识。PE管道焊接缺陷按缺陷形态划分，主要包括体积缺陷、界面缺陷和熔接缺陷。其中，熔接缺陷主要包括冷焊缺陷和过焊缺陷两大类。

第二，各类缺陷的总体成因已确定。体积缺陷主要由尘屑粒状杂质、材料内部气泡、局部结构畸变等引起，界面缺陷主要由焊接界面上的油污、水膜等薄层杂质以及材料内部裂纹、表层氧化、表层过刮等引起，熔接缺陷主要由焊接过程中熔区温度偏差过大、熔区熔接界面正压力不足、熔区熔接时间偏差过大等工艺控制原因引起。

第三，各类缺陷的实际分布规律及检测需求有待确定。目前国内外未见PE管道各类焊接缺陷的分布规律及检测需求方面的深入系统研究。由于不同焊接工艺引起的焊接缺陷分布不同，因而，关注不同焊接工艺的频发缺陷变化情况，对掌握PE管道各类焊接缺陷的分布规律，具有重要意义。由于不同检测技术对不同缺陷的检出能力不同，因而，关注不同检测技术的实际检出能力及其变化情况，对科学确定PE管道各类焊接缺陷的具体检测需求及技术要求，具有重要意义。

PE管道焊接缺陷无损检测技术主要有超声检测和射线检测两大类。其中，超声检测，包括超声波检测技术、超声导波检测技术、超声相控阵检测技术等；射线检测，包括X射线检测技术、γ射线检测技术、康普顿背散射成像技术、数字化射线成像技术(DR)、计算机断层扫描成像新技术(CT)等[2-11]。目前，国内外PE管道焊接缺陷无损检测技术总体上仍处于试验研究阶段，尚未真正进入工程实用阶段，且相关研究主要集中于仅能检测部分缺陷的超声检测技术，射线检测技术相对偏少[11]。

PE管道的焊接工艺主要包括热熔焊接和电熔焊接两种。热熔焊接是将待熔接的PE管材、管件端面，利用加热工具加热到合适温度，并在可控压力下持续一定时间，使两端面熔合为一体，形成符合质量要求的PE管道焊接接头。电熔焊接是对预埋于PE管件内表面的电阻丝通电发热，使管件的内表面和PE管材、管件的外表面受热升温并膨胀，其熔区的聚乙烯由固体变为粘流态并保持一定时间，冷却后熔为一体，形成符合质量要求的PE管道焊接接头[12]。

近年来，电熔焊接工艺总体上发展迅速，关键的精准温度控制技术趋于成熟。因此，国内外主流PE管道焊接施工企业，因电阻丝温度过高、过低或不均匀导致的冷焊缺陷、过焊缺陷已大为减少，PE管材焊接前自身气泡、杂质等引起的体积缺陷，以及焊接过程中的气泡、杂质、结构畸变等引起的体积缺陷，基于严苛的管理措施及先进的技术监管，也已大大减少，但总体而言，体积缺陷已成为PE管道实际电熔焊接生产中的主要缺陷[11]。

近年来，精准温度控制技术趋于成熟，各类先进工装辅具技术不断进步，热熔焊接工艺不断发展，热熔焊接工艺中的前处理环节，可以大幅减少PE管材焊接前自身气泡、杂质等引起的体积缺陷，热熔焊接的对压工艺及无电阻丝特点也能有效减少焊接过程中的气泡、杂质、结构畸变等引起的体积缺陷，因而，体积缺陷不再是热熔焊接生产中的最主要缺陷，而冷焊过焊缺陷在热熔焊接生产中的缺陷占比正在不断提高。

针对上述新变化和新趋势，PE管道焊接缺陷无损检测技术，应及时寻找更适宜的技术路线。特别是，在十年以前，电熔焊接工艺的温度控制能力和工艺质控水平相对有限，相控阵超声检测因成功检出冷焊缺陷，可以作为研究重点和发展重点，但是，当体积缺陷成为主要缺陷、冷焊缺陷及过焊缺陷较少出现的新变化来临时，对体积缺陷敏感的射线检测技术应当成为研究重点和发展重点[11]。此外，相控阵超声检测因其检测原理限制，对热熔焊接中的冷焊过焊缺陷难以检测，而射线检测反而更易检测热熔焊接中的冷焊过焊缺陷，从这一角度，射线检测技术也有理由成为热熔焊接缺陷无损检测的研究重点和发展重点。

从技术需求角度，为提高检测结果可靠性和准确性，实现工程化实用，PE管道焊接缺陷无损检测技术应能检出PE管道焊接部位目前已知的各类缺陷，主要包括：气泡、杂质、油水、氧化层未刮、表面局部过刮、裂纹、电阻丝错位、冷焊、过焊等九种缺陷。对上述九种缺陷的检出能力，是衡量或评估各种PE管道焊接缺陷无损检测技术的主要依据及参考标准。

3 现有无损检测技术检出能力研究

目前，国内外PE管道焊接缺陷无损检测技术主要以超声检测和射线检测两类技术为主，下面结合这两类技术的国内外应用及试验情况（见表1），总结这两类技术的对前述九种缺陷的检测能力。

国内外目前主要采用超声检测技术对PE电熔管件进行焊接缺陷无损检测。国内外多家研究机构或企业开发了PE电熔管件超声检测设备，例如，德国一公司研发的超声波相控阵检测设备，据称可检出冷焊缺陷和杂质类的体积缺陷，韩国一公司研发的AIM33聚乙烯电熔管件焊接质量检测设备，结合超声波相控阵及B扫描技术，能较为直观地显示缺陷在纵截面的二维特征。

国内的浙江大学也开发了超声波相控阵检测设备样机，可实现对PE电熔管件焊接缺陷的无损检测，据悉，可以检出冷焊缺陷。此外，浙江大学作为主编单位编写了现行国家标准GB/T 29460—2012《含缺陷聚乙烯管道电熔接头安全评定》和GB/T 29461—2012《聚乙烯管道电熔接头超声检测》。

目前，用于PE管道无损检测的超声检测设备售价约15-100万元，设备的便携性及移动性较好，单人即可携带或移动，但设备对操作人员及图像辨识人员的专业经验依赖性和培训依赖性较强，且在实际应用中，即使经严格培训，实际操作人员往往因耦合剂涂覆差异、外界干扰、操作经验能力等原因，不能很好保证超声检测结果的一致性和准确性。因此，目前各类PE电熔管件超声检测设备主要用于对焊接质量进行实验室分析和试验研究[11]。

射线检测方面，研究人员一般认为，射线检测更适合检测金属管件内部缺陷，对聚乙烯这种低密度材质的适用性有限，因而射线检测对PE管道焊接缺陷无损检测的研究相对偏少。

近年来，射线检测用于PE管道焊接质量实验室研究的相关报道逐渐增多，可以检测PE管道冷焊缺陷及体积缺陷的射线检测设备有见报道。

目前，射线检测设备售价通常在20-200万元左右，其对操作人员的要求较高，操作人员须培训合格且须持证上岗操作，但图像辨识人员可不需专业培训即可结合试样实物进行相关辨识。射线检测设备的便携性问题存在一定难度，具备便携性的射线检测设备往往会使检测能力受限。市场上的便携式X射线无损检测设备主要品牌包括日本理学、美国通用电气公司（GE）、俄罗斯史克龙斯（Spektroflash）、比利时ICM、德国YXLON等[11]。近年来，美国通用电气公司（GE）和德国YXLON公司通过高频恒压技术，使控制器输出的高频信号（频率约数十千赫兹）进入射线发生器的高频变压器，高频变压器升压并获得高压直流恒压信号，供Ｘ射线管作为加速电场，从而使射线转换效率、射线能量均匀性和成像质量等大幅提升，使设备体积、功率、重量等成倍降低[13]。例如，德国YXLON公司目前尺寸最小的Smart Evo 200P便携式射线源，其功率为750W，管电压为200kV，最大轴向长度665mm，最大直径295mm，连续曝光时间1小时以上，该公司的Y.XMB可移动X射线机，控制台、射线源和成像器全套零部件集成于一体，单人可轻易移动和操作，最大重量180-190kg左右，最大管电压可达225kV，最大功率可达2250W，最大线缆长度可达20m，这些便携式设备可以很好的满足PE管道焊接缺陷现场检测需求[11]。可以预计，未来5年内，适于PE管道焊接缺陷现场检测的便携式高速高精DR设备，有望实现工程化应用。

近年来，随着国家对燃气管道安全的日益重视，尤其是2021年6月湖北十堰天然气爆炸事故的后续影响，PE管道焊接施工现场对PE管道焊接缺陷无损检测技术的需求尤为迫切，因而，国内已出现部分施工现场少量使用超声检测筛查焊接缺陷的实际应用，以及少量使用射线检测筛查焊接缺陷的试验应用。

表1  PE管道焊接缺陷无损检测技术的应用情况

根据上述无损检测技术在PE管道焊接缺陷领域的应用及试验情况，总结出当前PE管道焊接缺陷主流无损检测技术的检测能力（见表2）。

空间分辨率方面，由于燃气用PE管件壁厚可超过50mm，焊接后检测厚度可达100mm甚至更高，因而超声检测的空间分辨率通常难以优于0.5mm[14]；对于厚壁大尺寸的PE管件，射线检测的空间分辨率通常在0.1mm至0.25mm，甚至可达微米级。显然，从空间分辨率角度，射线检测的检测精度优于超声检测。

检测速度或检测效率方面，射线检测与超声检测，在检测准备工作完成后，均能快速完成单幅图像的成像，单幅图像成像时间均在1秒以内。然而，射线检测中的CT技术、康普顿背散射成像技术，在建立三维图像时，往往耗时较长，可能需要数个小时，因而不能满足施工现场在线检测需求，仅适用于实验室[11]。

图像精准性方面，射线检测输出的二维图像的形状与尺寸，相比受检物实际投影几乎不失真，能真实、准确、直观地反映受检物投影的真实形状与尺寸；超声检测输出的二维图像的形状与尺寸相比受检物存在一定程度的变形，不能真实、准确、直观地反映受检物投影的真实形状与尺寸。

体积缺陷方面，主要包括各类气泡、杂质等，杂质主要有灰尘、沙粒、其他异物等，超声检测主要检测几何尺寸大于0.5mm的体积缺陷，而射线检测可以检出几何尺寸小于0.1mm的体积缺陷。

界面缺陷方面，主要包括表面油水污染物、表面氧化皮未刮、表面局部过刮、内部裂纹等，其中，有观点认为，细纹、裂纹类缺陷实际属于细长型体积缺陷，部分可能会异化为面积缺陷甚至线缺陷。结合国内外现有研究现状，超声检测在界面缺陷检测方面具有优势，对表面过刮、裂纹、表面氧化皮未刮等较为敏感，但其空间分辨率较低，对尺寸较小的裂纹及油水污染等，检出能力有限，目前未见油水污染等缺陷的检出报道；射线检测在界面缺陷检测方面，由于其空间分辨率较高，对裂纹缺陷具有检出能力，但目前未见油水污染、氧化皮未刮、表面过刮等缺陷的检出报道。

冷焊缺陷方面，根据文献[15]，基于特征线偏移程度的冷焊缺陷识别与评估机制，超声检测可以检出冷焊缺陷，然而，文献[14]的研究结果表明，超声波相控阵检测技术仅能检出较大程度的未焊透缺陷，难以全面准确判断冷焊缺陷。近年来，射线检测成功检出冷焊缺陷的报道已经出现，作者及所在单位早在2019年已通过射线检测检出冷焊缺陷并试验确认，但射线检测技术对冷焊缺陷的检出能力尤其是检出极限还需进一步深入研究。

过焊缺陷方面，理论上，超声检测同样可以检出过焊缺陷，但未见成功检出案例。目前，射线检测成功检出冷焊缺陷的已有报道，可见射线检测在冷焊过焊缺陷方面具有较好发展前景。

电阻丝错位方面，由于电阻丝材质与聚乙烯材质的密度差别较大，超声检测和射线检测均能很好检出电阻丝错位缺陷。超声检测图像因图像存在一定程度的失真，而且检测精度有限，图像需要专业人员综合判断和评估，因而检测电阻丝错位的效率和准确性容易受到限制。射线检测图像几乎不失真，而且检测精度高，因而检测电阻丝错位的效率和准确性更高。

表2  PE管道焊接缺陷无损检测技术的检测能力

4 存在的问题及发展趋势

综合PE管道焊接缺陷无损检测技术的国内外研究进展及相关检测技术的检测能力和试验情况，结合本行业及相关领域的新变化及新趋势，PE管道焊接缺陷无损检测技术领域存在以下问题：

首先，国内外同行对PE管道焊接缺陷的系统研究尚需深化，尽管国内外对PE管道焊接缺陷无损检测的研究已经大致区分出PE管道焊接缺陷的主要类型及成因，但尚未对PE管道焊接缺陷无损检测技术提出较为清晰明确的技术要求。因此，PE管道焊接缺陷无损检测技术的技术需求研究将成为首要研究任务，关于PE管道各类焊接缺陷的具体检测需求，将会逐渐清晰、明确、量化。

第二，国内外同行对PE管道各类焊接缺陷的检出报道，尤其是冷焊缺陷、过焊缺陷的检出报道，往往以单个或少数几个检出案例为主，缺乏系统深入的专门研究，因而对具体某类焊接缺陷无损检测技术或设备的实际检出能力缺乏科学专业的评估和认定。换言之，现有研究仅能得出相关无损检测技术或设备可以检出部分某类缺陷的结论，不能得出相关无损检测技术或设备可以检出所有某类缺陷的结论。只有经过全面、系统、深入的试验研究，才能得出某一无损检测技术或设备能检出所有某类缺陷的结论。以冷焊缺陷为例，无论超声检测，还是射线检测，目前实际上仅能检出部分冷焊缺陷，至于能否检出所有冷焊缺陷，或者，能检出具体什么程度的冷焊缺陷，还需要大量的系统研究。可以预计，PE管道焊接缺陷的各类无损检测技术的具体检出能力方面的系统化定量研究，有望成为研究重点和难点。

第三，PE管道焊接缺陷的超声检测和射线检测两类无损检测技术，各有优劣，很难仅通过一种无损检测技术有效检出所有的上述九种缺陷。因此，如何选择或寻找最适宜的PE管道焊接缺陷无损检测技术，找到最佳的检测设备及检测工艺，实现上述九种缺陷的有效检出，成为PE管道领域亟待解决的重要课题。因此，PE管道焊接缺陷无损检测技术的检测全面性要求已经确定，不断优化PE管道焊接缺陷无损检测设备，同时提高其对所有类别焊接缺陷的检出能力，是未来PE管道焊接缺陷无损检测技术的研究难点。

第四，由于PE管道焊接施工的空间地域跨度大、施工现场环境复杂多样，因而针对PE管道焊接缺陷的无损检测设备，必须具有移动操作便捷性、施工现场环境适应性、供电保障简易性，因而PE管道焊接施工现场专用的可靠高速高精便携式在线无损检测设备，有望成为主要发展趋势和市场迫切需求。对于性价比合理的便携式无损检测设备，实现PE管道焊接缺陷的焊接现场在线无损检测，将成为本领域的发展重点。

为解决上述问题，有必要加大针对上述问题的政府专项科研项目支持力度，资助有条件、有实力完成上述研究的研究实体或研究实体组合，以加快研究步伐和进展。通过政府引导和专项支持，促进上述问题的深入研究，必将突破国内目前松散研究发展现状。

5 结论

PE管道已成为城镇燃气中、低压输配管网的首选，在中、低压管线新建或更新工程中使用率达90%以上，PE管道焊接缺陷无损检测技术对保证燃气管网安全正常运行的重要性日益突出。

近年来，PE管道焊接缺陷的种类及出现概率发生了变化，PE管道焊接缺陷无损检测技术研究也应从超声检测为主转为超声检测与射线检测并重。

尽管超声检测与射线检测技术均可以检测出大多数种类的PE管道焊接缺陷，但是，国内外同行对PE管道焊接缺陷无损检测技术尚未提出较为清晰明确的技术要求，未能对无损检测设备关于具体某类焊接缺陷的实际检出能力给出较为科学专业的评估和认定，也未找到最适宜的能实现上述九种缺陷有效检出的PE管道焊接缺陷无损检测技术，在无损检测设备的便携性、便捷性研究及施工现场操作研究方面应进一步加强。为解决这些问题，促进PE管道焊接缺陷无损检测技术快速发展和实际应用，有必要加大政府专项科研项目支持力度。

致谢

本文受宁波市科技创新2025重大专项《聚乙烯管件焊接缺陷现场快速DR无损检测技术及装备》资助(项目编号2021Z064)，特此致谢。

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