《聚乙烯燃气管道电熔接头缺陷的超声检测及安全评定》由会员分享，可在线阅读，更多相关《聚乙烯燃气管道电熔接头缺陷的超声检测及安全评定（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要聚乙烯燃气管道电熔接头( 以下简称电熔接头) 在管道连接中大量使用。其质量直接影响管道系统运行的安全性。然而，迄今为止电熔接头还没有可靠的无损检测方法，电熔接头缺陷的安全评定仍处于空白状态，因此，开展聚乙烯燃气管道电熔接头缺陷的超声检测及安全评定研究对确保使用量不断上升的城市聚乙烯燃气管道的安全运行具有重要意义。本文以国家科技支撑计划课题“生命线工程安全保障关键技术研究及工程示范”项目( 2 0 0 6 B A K 0 2 8 0 1 - 0 3 ) 为依托，较为系统地研究了电熔接头缺陷的超声检测和安全评定方法，完成的主要工作为：( 1 ) 电熔接头缺陷分类研究。通过解剖大量含缺陷的电熔接
2、头，将电熔接头缺陷分为熔合面缺陷、孔洞、金属丝错位、冷焊四类，并分析了每类缺陷的成因，提出了相应的预防措施。( 2 ) 超声相控阵对电熔接头缺陷检测精度及可靠性研究。从超声原理角度分析出超声相控阵技术对电熔接头熔合面缺陷、孔洞及金属丝错位具有较好的检测能力；从超声试验角度验证出相控阵技术及B 扫描实时成像的超声检测方法对金属丝上方1 0 r a m 、金属丝信号之间1 0 r a m 以及金属丝信号下方2 0 r a m的缺陷有1 0 0 的检出率；对熔合面缺陷、金属丝上方的孔洞及金属丝错位的定量、定位精度可达0 5 r a m ，对金属丝下方孔洞的定量、定位精度可达1 O m m ，可以用于
3、工程实践。( 3 ) 电熔接头冷焊检测方法研究。通过对比大量超声检测试验结果，在国际上首次发现了电熔接头中的冷焊特征线，并提出了“冷焊特征线检测法”。试验表明，冷焊特征线的位置会随焊接条件的变化而规律性地改变，可用于冷焊的检测和表征。( 4 ) 含缺陷电熔接头的力学性能试验研究。结果表明，缺陷长度6 0 L ( 厶电熔套筒单边熔焊区长度，m m ；) 的熔合面缺陷对电熔接头拉伸及短期爆破的失效模式几乎没有影响，接头受轴向拉伸时均发生外冷焊区管材的颈缩，短期爆破时均发生管材的韧性破坏；焊接能量( 焊接时间或功率) 越小，接头韧性剥离面积、剥离力及剥离能越小，冷焊越严重，但焊接能量过大时又会造成接
4、头材料的劣化，剥离力和剥离能反而降低；缺陷越大，剥离能越低，缺陷大小相同时，含中间焊区缺陷的试样的剥离时间最短，剥离力最小，剥离能也最低；内压作用下接头根据缺陷类型的不同有两种失效模式：沿套筒壁厚方向的开裂和沿熔焊面的开裂，前者对应同内冷焊区贯通的缺陷，后者对应严重冷焊缺陷；夹泥、未刮氧化皮及过大的装配间隙会严重影响焊接接头的质量。( 5 ) 电熔接头缺陷的安全评定研究。在电熔接头超声检测和力学性能试验的基础上，初步提出了电熔缺陷的表征及评定方法。不与内冷焊区贯通且X L 。 ；，2 0 m mb e l o ww i r es i g n a l ；t h em e t h o dq u a
5、 n t i f i c a t i o na n dl o c a l i z a t i o na c c u r a c yc a l lr e a c h0 5 r a mf o rl a c ko ff i 塔i o n , h o l e sa b o v ew i r e sa n dw i r ed i s l o e 撕o n , o r1 O m mf o rb o l e sb e l o ww i r e s ( 3 ) R e s e a r c h0 1 1L I Tm e t h o df o rc o l dw e l d i n go f E Fj o i n
6、 t B a s e d0 nc o n t r a s tt e s t s ，a n c o l dw e l d i n ge i g e nl i n e t h a tf o r m e db ya i rb u b b l e si sd i s c o v e d , w h i c hi n d i c a t e st h ei n t e r f a c eo fs o l i dP Ea n dl i q u i dP Ed u r i n gw e l d i n g A st e s t i n gr e s u l ts h o w st h el o c a t
7、i o no f c o l dw e l d i n ge i g e nf i n e c h a n g e sr e g u l a r l yw i t ht h ec h a n g eo fw e l d i n gt i m eo rp o w e r , ab r a n dn e wt e s t i n gm e t h o dc a l l e d e o l d i n gw e l d i n ge i g e nl i n em e t h o d ”i sb r o u g h tf o r w a r dt ot e s ta n dc h a r a c t
8、 e r i z ec o l dw e l d i n g n f浙江大学硕士学位论文( 4 ) R e s e a r c hu s i n ge x p e r i m e n t so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fE Fj o i n t sw i t ha n dw i t h o u td e f e e t s A ss h o w ni nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，d e f e c t so fl a c ko ff u s i o nw i t hs i z
9、e 1 O m m 、金属丝信号之问 1 O m m 的缺陷以及金属丝信号下方 2 O m m 的缺陷有1 0 0 的检测能力。浙江大学硕士学位论文4 电熔接头冷焊缺陷的超声相控阵检测冷焊是现有检测手段最难发现的缺陷，也是电熔接头最危险的缺陷，其危害性迫切要求可靠的检测方法。但迄今为止，世界范围内还未有文献报道能够成功检测此类缺陷。针对该问题，本文进行了大量深入的研究工作。4 1 冷焊的特征4 1 1 焊接温度聚乙烯属于部分结晶性的热塑性塑料。聚乙烯管的焊接主要是利用热塑性塑料随温度的变化而呈现出的不同的物态变化，见图4 1 。图中，玻璃态转化为高弹态的温度，称为玻璃化温度疋。由高弹态转化为粘
10、流态的温度。称为粘流温度霸聚乙烯材料在此温度开始熔化，由固相转变为液相( 粘性流体) 。而当温度高于乃时，聚合物便开始降解或分解，称乃为分解温度。聚乙烯的高弹态不明显，当温度高于乃时便很快熔化而处于粘流态，其转化温度见表4 1 。制 麓玻璃态高弹态粘镕卷图4 1 聚乙烯的形变一温度曲线表4 1 聚乙烯的转化温度l 踟温度参数列髟聚乙烯1 1 01 0 5 1 3 5冷焊接头的焊接温度有两种情况：( 1 ) 焊接温度未达到乃。此时聚乙烯材料处于高弹态，材料还未熔融，仍为固体。按照塑料焊接的扩散理论来解释，界面处分子还未进行扩散，焊接接触界面还未消失。从宏观来看，焊接界面仍是分开的。这样的接头属于
11、严重冷焊，可以归为未熔合。浙江大学硕士学位论文( 2 ) 焊接温度达到矸以上。在粘流温度乃以上的温度条件下，固体聚乙烯熔融变为粘稠的流体。此时，接头处的聚合物大分子因分子的热运动而开始彼此扩散，接触界面因材料的高粘度而随着时间的推移逐渐消失。但由于焊接温度高于乃的持续时间不长，界面层分子并未充分地扩散与缠结，分子之间相互渗透的深度不足，虽然高分子材料之间的连接得以实现，但宏观上体现为剥离强度较低。4 1 2 焊接时间冷焊接头为强度不足接头。焊接时间直接影响着接头强度，对于于某一具体的管件，焊接时所消耗的能量大小仅与时间有关。大量研究表明m 5 5 , 8 7 ，根据电熔接头强度随焊接时间变化的
12、关系可将焊接过程分为四个阶段：潜伏期、接头形成和固化阶段、平台区、冷却阶段，见图4 2 。魁 鹱 陋 昧 鲻 缝潜t I c 菇接头形成和固化平台区一降解通电时间图4 2 接头随熔接时间的变化( 1 ) 潜伏期潜伏期的特征是接头无强度，是电阻丝加热管件内表面的聚乙烯填充界面间隙的阶段，该阶段还未建立起电熔接头的熔体压力。( 2 ) 接头形成和固化阶段潜伏期结束，管材和套简间的间隙被熔体所填充，管件内表面和管材外表面的聚乙烯被熔化；熔体池开始封闭，可以测量到熔体压力。随时间推迟接头强度逐渐形成。随着焊接的继续，熔化材料体积膨胀，界面温度升高，熔体压力增大界面强度也随之提高。( 3 ) 平台区在平
13、台区，接头的强度随着熔接时间的延长变化不大，趋于稳定。但该阶段中熔融材料的容积、熔体压力及界面温度都在继续攀升。4 0浙江大学硬士学位论文( 4 ) 冷却阶段规定的焊接时间达到后，电流停止，接头处的聚乙烯开始冷却，熔体压力开始下降。正常电熔接头会经历以上四个阶段，而冷焊接头由于焊接时间不足只经历潜伏期、接头形成和固化阶段的前期以及冷却阶段，严重冷焊接头甚至只有潜伏期和冷却两个阶段。4 2 冷焊检测方法研究4 2 1 常规方法常规方法指根据接头熔合面的回波信号来识别冷焊缺陷。图4 3 为一组不同焊接时间下D N 9 0 电熔接头的超声检测图，单纯从熔合面缺陷的反射判别冷焊缺陷，2 0 t o 、
14、3 0 t o 接头的超声图可以明显看出熔合界面上存在的缺陷反射信号，这种缺陷可以归为未熔合：4 0 t o 接头的缺陷反射信号已不明显；5 0 t o 及5 0 t o 以上接头的超声图上已看不出熔合界面上存在的冷焊缺陷反射信号。但从剥离试验的结果来看，5 0 t o 、6 0 t o 、7 0 t o 、8 0 t o 接头与正常焊接接头的剥离强度还有一定差距，特别是5 0 t o 、6 0 t o 、7 0 t o 接头的剁离强度明显偏底，剥离结果为脆性剥离。( c ) 4 0 t o4 l( d ) 5 0 t o浙江大学硕士学位论文图4 3 不同焊接时间接头的超声检测对比图同样，对不
15、同焊接功率的电熔接头进行了对比检测。图4 4 为一组不同焊接功率D N 9 0 电熔接头的超声检测图，单纯从熔合界面的缺陷反射判别冷焊缺陷，3 0 P D 、4 0 P o 的接头可以明显看出熔合界面上存在的缺陷反射信号，此时的缺陷也可称为未熔合；5 0 P o 接头的冷焊缺陷反射信号已不明显，6 0 P o 及6 0 P o以上的接头己看不出熔合界面上的冷焊缺陷反射信号。但由剥离试验可知，5 0 P 。、6 0 P o 、8 0 匕接头与正常接头的剥离强度不一致，特别是5 0 P o 、6 0 P o的剥离强度明显偏低，剥离结果为脆性剥离。综上所述，超声检测的常规方法难以检测到结合面已经熔合
16、的冷焊缺陷。( a ) 3 0 P o浙江大学硕士学位论文图4 4 不同焊接功率接头的超声检测对比图4 2 2 冷焊特征线检测法虽然从界面反射信号难以判别冷焊，但本文通过大量试验发现超声图中金属丝的信号上方有一条水平方向的白色亮线。进一步的研究发现，该线的位置会随着焊接条件的改变而规律地改变，从而与冷焊的严重程度产生联系，可以用于冷焊的检测。本文将该线命名为“冷焊接特征线”，并将该方法命名为“冷焊特征线检测法”。( 1 ) 特征线成因冷焊特征线实际是一条微小气隙线，同时它又是焊接过程中粘流态聚乙烯与固态聚乙烯的交界线。焊接能量越大。接头焊接时轱流态与固态聚乙烯的交界线离金属丝的距离也越大。接头冷却后，不同状态聚乙烯的界面线消失，但气泡线却仍然留在界面线韵位置，指示出电熔焊接中熔池的最终大小。根据电熔接头起声实时录像反映的情况，将冷焊特征线的形成分为六个阶段，分别对应图4 5 电熔接头焊接
