聚乙烯燃气管道电熔焊接接头相控阵超声检测编制说明.docx
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聚乙烯燃气管道电熔焊接接头相控阵超声检测编制说明
聚乙烯燃气管道电熔焊接接头
相控阵超声检测
编制说明
标准起草小组
二O二O年一月
一、标准制定的目的和意义
燃气用埋地聚乙烯管道因具有耐腐蚀、寿命长、性能稳定、流体阻力小和造价低等优异性能，目前广泛应用于城市燃气管道的输送。
PE燃气管道目前两种常用的连接方式之一是电熔连接，即把两根直通的PE管道对接处同时插入电熔套筒内，利用通电加热，使两根PE管道接头局部热熔化后焊接起来。
焊接电压不稳定等因素使得焊接质量难以保证，而PE管一般要求寿命达50年以上，所以PE管的焊接质量的好坏直接影响到管道系统的安全和寿命。
据燃气公司事故统计，近80%的燃气泄漏事故都是由于电熔焊接质量不良引起的，为了安全起见，非常有必要对PE管焊缝进行内部缺陷的全面探伤。
为了对PE管焊接缺陷探伤，我们研究可以现场中进行的有效的PE管电熔接头非破坏性探伤方法。
与金属管道相比，PE管的焊接接头目前还没有成熟的无损检测方法，检验PE电熔焊接接头焊接质量的方法为外观检查、静液压试验和剥离试验等破坏性试验。
破坏性试验对少量的贯穿性缺陷敏感，对大量存在的非贯穿性缺陷并不适用。
由于只能检测到大的贯穿焊接缺陷，而对未焊透未融合等较小的却有很大危害性的焊接缺陷无能为力。
一旦PE电熔焊接接头存在缺陷，极易引发燃气泄露，导致爆炸等严重的安全事故，直接威胁社会公共安全和人民的人身财产安全。
因此制定地方标准《聚乙烯燃气管道电熔焊接接头相控阵超声检测》具有重要意义。
二、工作简况
1、任务来源
广东省特种设备行业协会2019年12月2日《广东省特种设备行业协会团体标准《聚乙烯燃气管道电熔焊接接头相控阵超声检测》立项公告》（粤特协〔2019〕33号）文件批准由广东省特种设备检测院、广州特种承压设备检测研究院、中山职业技术学院、多浦乐电子科技有限公司等单位负责起草广东省种设备行业协会团体标准《聚乙烯燃气管道电熔焊接接头相控阵超声检测》。
2、制定过程
本标准原是广东省地方标准计划项目，新标准化法颁布实施后，该标准省市场监管局决定不再作为地方标准，鼓励作为团体标准研制。
原省局标准立项后，个单位即即组织成立了标准编制工作小组，制订标准制定工作计划，并明确标准编制工作小组的组织形式、工作步骤、进度安排等，制定了较为详细的项目实施计划和方案。
项目组历经了项目准备、项目调研、讨论稿编制、征求专家意见、修改完善等几个阶段，形成了目前的征求意见稿，标准编制工作概要如下：
1、2019年8月～2019年11月，成立标准编制工作组，会同有关企业，召开多次标准研讨会，推进该地方标准的调研、起草、征求意见、修改完善等工作，并按照团体标准要求修改了标准文本并向省协会做了申报。
2、2019年1月～2020年1月，标准编制小组到有关企业开展调研，详细了解渗透检测缺陷测深及监控的应用现状，结合检验机构工作实际，编制形成了工作组讨论稿。
标准编制工作组研究超声波在聚乙烯材料中的声学传播特性，制作了聚乙烯材料对比试块，该试块标准反射体为横通孔，孔径均为1mm，孔长均为25mm（Φ1-25）。
摸清不同厚度聚乙烯管道的声学反射能力情况，该试块横通孔深度呈阶梯分布，深度分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm，基本覆盖常规型号PE燃气管道厚度范围。
研究对应相控阵探头在PE燃气管道电熔接头里的横向分辨力，试块设计横通孔水平间距分别为2.5mm、3.5mm、4.5mm；同时，区分电熔接头特征线图谱，分别研制了4L64、5L64、5L128、10L64相控阵线阵探头进行相关实验。
标准编制工作组就讨论稿会同有关企业专家，经过反复研讨，PE燃气管道电熔焊接比起热熔焊接更容易出现问题，且超声相控阵检测技术目前在PE燃气管道电熔焊接接头检测上较为成熟，电熔焊接接头中存在的虚焊、过焊、气孔、夹渣、电阻丝错位等典型焊接缺陷均能得以发现，而热熔焊接接头中存在的未熔合类严重质量缺陷未能检出，制定相关检测标准不够安全和严谨。
三、编制原则
本标准的编制是在广东省质监局科技计划项目“聚乙烯PE燃气管道对接接头超声波相控阵检测研究”（计划编号：
2010CT11）的基础上，本着“科学、适度、可行”原则，既考虑标准前瞻性又顾及企业、技术机构检测操作实际，同时，充分听取各方意见的基础上形成的。
本标准既可作为政府有关部门规范、监督、规范聚乙烯PE燃气管道电熔连接无损检测的依据，又可作为有关企业进行检测试验的技术标准。
本标准根据国家相关的管理规定，参考了相关国家标准、行业标准和相关资料，并结合质监系统检验机构多年的检测经验，确定了本标准的主要内容。
四、标准主要内容的确定依据
1、范围
本标准适用于公称直径为40～400mm的聚乙烯管道电熔焊接接头的相控阵超声检测。
通过大量的检测试验，该方法适用于5～40mm壁厚的接头，壁厚小于5mm时，接头中的缺陷显示易被表面回波信号掩盖；壁厚大于40mm时，由于管件壁厚较大，超声波在PE材料中的衰减较大，缺陷回波信号也较弱，检测灵敏度较低。
燃气聚乙烯管道中常用管件规格为DN40～DN400（壁厚5～40mm）。
对于小于DN40的电熔接头，由于其检测面曲率较大，超声波在界面上反射时发生发散的现象较严重，能接收到的缺陷回波信号较弱，且壁厚太小，特征线等出现在近表面位置，被表面回波信号掩盖；对于大于DN400的电熔接头，由于管件壁厚较大，超声波在PE材料中的衰减较大，缺陷回波信号也较弱，检测灵敏度较低。
因此本标准规定适用于公称直径为40～400mm的聚乙烯管道电熔接头的相控阵超声检测。
2、标准性引用文件
列出了本标准条文制定过程中引用的标准。
3、术语和定义
除GB/T12604.1、GB/T12604.1、GB15558.1、GB15558.2和GB/T32563-2016界定的术语和定义外，增加了焊接特征线、冷焊程度H、过焊程度H′、电阻丝直径d、电阻丝错位量x等，增加部分主要为相控阵超声检测的专业术语和聚乙烯焊接方面的术语。
因国家标准中暂无相关术语和定义，本标准中进行了定义。
4、一般要求
4.1规定了检测人员的要求。
4.2规定了检测设备的组成、相控阵主机的性能要求、相控阵探头的性能要求、扫查装置的基本特点、耦合剂和对比试块的制作要求等。
其中相控阵主机的性能要求中，特别提出主机所包含的软件能够存储、调出A、S、B、C图像，并能将存储的检测数据拷贝到外部存储空间中。
这是因为通常超声检测时，探伤结果不便保存。
由于采用了相控阵检测技术，能实时成像，使探伤结果的保存成为可能。
因此要求检测设备应具有图谱的保存和相关分析功能。
其中标准试块PE-Ⅰ用于灵敏度及分辨率测试，标准试块PE-Ⅱ用于相控阵检测系统的声速延迟校准和TCG修正。
在标准试块PE-Ⅰ设计过程中，已充分考虑到不同规格电熔焊接接头电阻丝直径及间距存在的差异，针对电阻丝间距不同的电熔焊接接头，PE-Ⅰ试块设计的孔间距为梯度递增方式，具体涉及的间距为2mm、2.5mm、3mm、4mm和5mm，在测试过程中仪器的分辨率应大于等于被检电熔接头电阻丝的标准间距。
在标准试块PE-Ⅱ设计过程中，已充分考虑到相控阵仪器在使用0°线扫时，针对不同深度的标准反射体的回波能量收集时能够采集到该标准所适用的最大厚度，因此试块设计的最大标准反射体深度为45mm，略大于适用范围所规定的40mm。
5、检测工艺
5.1规定了检测工艺的要求和内容。
5.2规定了进行工艺验证的两种方法。
6、检测方法
6.1由于聚乙烯材料传热性能比金属材料差，焊接接头的热影响区较小，结合实际焊接工艺下热影响区的相关数据收集，规定检测区域应包含焊缝本身宽度加上左右两侧各5mm的母材区域。
6.2电熔焊接接头熔接面为管材外圆柱面和管件的内圆柱面，因此选用沿线扫查+线扫描进行检测，线扫描角度为了0°。
6.3规定了检测不同厚度试件时探头的选择。
6.4规定了探头的设置及软件的配置。
7、检测程序
本部分考虑到耦合的效果和避免漏检，规定了检测时扫查速度不大于30mm/s。
8、检测数据的分析
8.1规定了数据的有效性评价，分析数据之前应对所采集的数据进行评估以确定其有效性。
8.2规定了缺陷的定性方法，方法是根据S型显示，结合A型扫描显示，依据缺陷的位置、显示图像，确定缺陷的性质。
根据聚乙烯电熔接头缺陷的成因、特征及其引起的失效形式可将电熔焊接缺陷分为：
熔合面夹杂、孔洞、金属丝错位、冷焊、过焊和管材承插不到位。
通过大量的试验，这些缺陷都有着明显的特征，分辩比较容易。
8.3规定了各类缺陷大小的表征方法，对缺陷定量实行统一，有利于对缺陷的评定执行统一的标准。
标准中规定了熔合面夹杂、孔洞、电阻丝错位、冷焊、过焊和管材承插不到位等缺陷的表征方法，其中熔合面夹杂、孔洞、冷焊、电阻丝错位参照GB/T29460-2012进行了部分修改。
与GB/T29460-2012相比，增加了过焊、管材承插不到位等缺陷表征。
9、缺陷评定
9.1规定了缺陷分级的依据和熔合面夹杂、孔洞、电阻丝错位、冷焊、过焊、管件承插不到位、多种缺陷同时存在等缺陷的分级。
缺陷质量分级的依据：
根据接头中存在的缺陷性质、数量和密切程度，其质量等级可划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。
焊接接头的质量验收标准由合同双方商定，或参照有关规范执行。
制定评定标准时，进行了大量人工缺陷试样的制作和现场施工缺陷试样的收集，通过拉伸剥离试验和静液压强度试验，取得了一些实验数据。
通过对试验数据的分析，结合TSGD2002-2006《燃气用聚乙烯管道焊接技术规则》中对电熔接头破坏性试验判定要求和GB/T29460《含缺陷聚乙烯管道电熔接头安全评定》中的安全性评定标准，制定了本标准。
9.2熔合面夹杂的质量分级：
将此类缺陷分为与内冷焊区贯通缺陷和与内冷焊区不贯通缺陷两种，与内冷焊区贯通的缺陷，由于电熔接头在使用中主要受内压载荷，该类缺陷在内压的作用下容易产生扩展，比较危险。
研究表明：
与内冷焊区贯通缺陷通过高温静液压试验时，会出现沿管件壁厚方向的贯穿裂纹，因此该类缺陷较危险。
与内冷焊区不贯通的缺陷，由于界面剪切力并非接头在实际使用中的主要承载力，且缺陷处主要承受压应力而非拉应力，对缺陷的扩展无大的影响。
因此出现这类缺陷时，仅考虑缺陷尺寸这一影响因素。
对含熔合面夹杂缺陷电熔接头的拉伸剥离试验表明，熔合面缺陷处为脆性破坏且不影响其周围完好熔合面，静液压试验表明缺陷的大小对接头破坏影响不大。
根据此两点并综合考虑TSGD2002-2006中“聚乙烯管电熔接头在拉伸剥离试验中脆性剥离百分比超过33.3%为不合格的规定提出以下分级标准：
级别
与内冷焊区贯通的熔接面夹杂的缺陷长度
与内冷焊区不贯通的熔接面夹杂的缺陷长度
Ⅰ
—
不大于标称熔合区长度L/10
Ⅱ
不大于标称熔合区长度L/10
不大于标称熔合区长度L/5
Ⅲ
大于Ⅱ级者
注：
L为标称熔合区长度。
9.3孔洞的质量分级：
孔洞缺陷的拉伸剥离试验结果表明，较小孔洞的失效模式类似于熔合面夹杂缺陷。
现参考美国ASTMF1055外径受控的聚乙烯管路用电熔型聚乙烯配件标准规范给出孔洞的评定：
Ⅰ、Ⅱ级电熔接头中不允许存在相邻电阻丝间有连贯性孔洞、与内冷焊区贯通的孔洞。
级别
单个孔洞
组合孔洞
Ⅰ
X/L＜5%且h＜5%T
累计尺寸X/L＜10%且h＜5%T
Ⅱ
X/L＜10%且h＜10%T
累计尺寸X/L＜15%且h＜10%T
Ⅲ
大于Ⅱ级者
注：
X为该缺陷在熔合面轴向方向上的尺寸，L为标称熔合区长度，T为电熔接头管材壁厚，h为孔洞自身高度。
9.4电阻丝错位量的质量分级：
电阻丝错位量x超过电阻丝间距或相邻电阻丝相互接触时，会造成熔合区域局部加热量过大，温度过高，该区域聚乙烯材料将发生降解现象，严重影响熔接后的强度和使用命。
拉伸剥离试验实验表明：
出现此类缺陷时均呈熔合面脆性破坏。
因此规定：
Ⅰ、Ⅱ级电熔接头中不允许存在相邻电阻丝相互接触的缺陷。
具体分级方式参照下表：
级别
电阻丝错位量
Ⅰ
无明显错位
Ⅱ
错位量小于电阻丝间距
Ⅲ
大于Ⅱ级者或相邻电阻丝相互接触
9.5冷焊的质量分级：
通过大量的试验，得出某种电熔接头冷焊表征量和焊接加热时间的关系如下表：
加热时间（与规定时间的百分比%）
lˊ/mm
l/mm
H/%
110
2.85
2.6
10
120
3.14
2.6
21
130
3.38
2.6
30
140
3.63
2.6
39
160
-
2.6
特征线远离电阻丝接近管件表面，图像中无显示
180
-
2.6
静液压试验中，加热时间20%的接头：
焊后管材可直接从管件中抽出，根本未焊合在一起；加热时间40%的接头出现了提前失效现象；加热时间60%和80%的接头均未提前失效。
在拉伸剥离试验中，加热时间40%接头出现脆性破坏，加热时间60%的接头表现为部分韧性、部分脆性，加热时间80%的接头的表现和加热时间100%的接头均为韧性破坏。
因此认为冷焊程度H＞30%时，相当危险。
通过试验分析，因此规定：
级别
冷焊程度H
Ⅰ
小于20%
Ⅱ
小于40%
Ⅲ
大于Ⅱ级者
9.6过焊的质量分级：
过焊主要特征是特征线之间的距离比正常大、特征线弯曲或亮度发生变化或在接头中容易产生空洞。
通过大量的试验，得出某种电熔接头过焊表征量和焊接加热时间的关系如下表：
加热时间（与规定时间的百分比%）
lˊ/mm
l/mm
H/%
110
2.85
2.6
10
120
3.14
2.6
21
130
3.38
2.6
30
140
3.63
2.6
39
160
-
2.6
特征线远离电阻丝接近管件表面，图像中无显示
180
-
2.6
160%和180%的过焊接头中因特征线远离电阻丝接近管件表面，图像中无显示，但出现了大量孔洞和严重电阻丝错位现象。
过焊接头的静液压试验中，加热时间110%、120%、130%、140%的接头均未提前失效。
加热时间160%和180%的接头出现了提前失效。
在拉伸剥离试验中，加热时间110%、120%、130%、140%接头表现为管材破坏，这说明接头质量较好。
加热时间160%、180%的接头表现为脆性破坏，从试样剖开面观察发现存在大量气孔和严重的电阻丝错位现象。
因此认为冷焊程度H＞40%时，很危险。
因此规定：
级别
过焊程度H′
Ⅰ
小于20%
Ⅱ
小于40%
Ⅲ
大于Ⅱ级者
9.7承插不到位的评定：
承插不到位缺陷的评定：
承插不到位现象，在施工现场时有发生。
如管材插入位置未超出电阻丝区域时，未插入管材的部分电阻丝处因无管材，加热温度会很高，时常发生熔接过程中管件冒烟的现象，这种缺陷是不允许的。
因此规定Ⅰ、Ⅱ级电熔接头中不允许存在承插不到位缺陷。
9.8综合评级：
电熔接头存在缺陷时，可能会有多种缺陷同时存在的现象，此时应进行综合评级。
因此规定：
当接头中同时出现多种类型的缺陷时，以质量最差的级别作为接头的质量级别。
附录A（规范性目录）标准试块PE-I，规定了用于灵敏度及分辨率测试的PE-I试块的加工要求。
附录B（规范性目录）标准试块PE-II，规定了用于相控阵检测系统的声速延迟校准和TCG修正的PE-II试块的加工要求。
五、与有关现行法律、法规和强制性国家标准、行业标准、广东省地方标准的关系
本地方标准的制定参考了GB/T29460《含缺陷聚乙烯管道电熔接头安全评定》、GB/T32563-2016《无损检测超声检测相控阵超声检测方法》、JB/T8428《无损检测超声试块通用规范》、JB/T11731《无损检测超声相控阵探头通用技术条件》、JB/T11779《无损检测相控阵超声检测仪技术条件》、JB/T10062《超声探伤用探头性能测试方法》、NB/T47013.1《承压设备无损检测第1部分：
通用要求》以及NB/T47013.3《承压设备无损检测第3部分：
超声检测》。
六、贯彻地方标准的要求和措施建议
本标准内容重要和丰富；可以说标准技术内容先进、可行。
为了更好地贯彻实施本标准，建议标准发布后组织宣贯会议，由主编单位介绍标准制订的指导思想和主要技术内容，来保证执行标准的正确性及提高该行业的技术水平，发挥本标准的作用。
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