聚乙烯管道由于其具有施工便利、设备简单、耐腐蚀、柔韧性好等优势，逐渐在城镇燃气输配工程中占据主导地位。燃气管道服役过程中由于存在塌陷、地基沉降等因素，钢制管道常常在焊口位置发生泄漏，且其施工难度大、工期长，聚乙烯管道作为一种经济、高效的输配方式被广泛采用。由于施工焊接现场环境复杂，常在焊口位置引入风沙、碎屑等夹杂物，焊接质量难以保证。大量的管道失效事故分析表明,焊接接头位置是整个管系的薄弱部位，是管道失效的多发位置口。
目前，焊接接头缺陷的检测，标准规范也仅仅在外观检查、翻边切除检查等宏观层面做出要求，管道的安装验收规范要求通过压力试验来对管道做出评判，但对于细小缺陷无法检测。因此，聚乙烯燃气管道焊接缺陷的检测需要有可靠的非破坏性手段来进行检测。本文针对聚乙烯管道失效模式，制备了含有人为缺陷的电熔和热熔焊接接头，通过力学性能分析了其对管道性能的影响，提出了一种数字射线 (DR) 的检测手段，以期能够作为一种可靠的检测手段对宏观检查无法识别的内部缺陷进行检测。
一、实验方法
1.1 DR检测技术
X射线数字成像检测 (简称数字射线，DR)，基本原理为:X射线机发出射线透照工件，部分射线被工件吸收，其余射线被平板探测器接收，将X射线光子转换为电信号，通过计算机处理转换为可见图像的一种检测方法。相较于常规射线检测，由于显示载体为计算机，借助于计算机图像技术的高速发展，DR检测具有图像灵敏度、对比度、清晰度高的特点，能够识别普通胶片检测无法识别的细微缺陷。同时实时成像检测方法不需要暗室处理，不会产生类似胶片和暗室处理等原因而造成的底片自身质量不合格等伪缺陷。相较于钢铁材料，聚乙烯材料对于X射线具有很低的吸收系数，因此，聚乙烯焊接接头的结构几何变化对于X射线的衰减很小，很难通过常规射线对聚乙烯焊接接头进行检测。DR检测设备主要包括X射线机成像板、通讯接收系统，本实验 DR检测过程见图1。
1.2 失效模式分析
聚乙烯燃气管道的焊接主要有热熔和电熔焊接，其中管径De大于90mm的管道连接主要采用热熔连接，管径De小于90mm的管道连接主要采用电熔连接，主要原因为管径小，壁厚薄,管道组对时的对中性差,极易发生错边，热熔焊接时无法保证管道的有效连接截面符合要求。因此管径小于90mm时常采用电熔连接，其次大管径管件的连接也常采用电熔套进行连接。
聚乙烯燃气管道热熔连接过程(如图2所示)对待焊管道进行刨边，去除管端氧化皮、油污等，将加热板按规范要求加热到预定温度对放置在焊机上的管道进行加热，拖动机按规范要求的拖动压力和保持时间拖动管道加热熔化，使管道两端面熔化的分子链充分缠绕在一起，从而达到分子间连接。在以上聚乙烯管道的热熔焊接过程中，管道焊接的质量受工人焊接水平的影响较大，主要的失效模式为:管端氧化皮、油污未去除，则易在管道焊缝中存在氧化皮未去除缺陷，未按焊接工艺规范调节参数，由于焊接加热温度低、时间短、拖动压力过小，参与熔接的母材很少严重的冷焊表现为母材局部熔化使得管材两端面分开大多数冷焊从外观看不出明显的分界线，与正常焊接接头无异，但其内部分子链数量不足或者缠绕不充分这些即冷焊，如拖动压力过大或者焊接时间过长，导致熔化的母材被挤出而参与焊接接头熔融的母材很少，造成所谓的“硬碰硬”，即过焊，接时管道端面清理不干净，夹带有铁屑、水分等，在管道服役过程中敷设部位有铁丝、植物根系等，会出现气孔(孔洞)类缺陷。
聚乙烯燃气管道电熔焊接过程:将管端与电熔套电阻丝熔合部分氧化皮去除，将管材与电熔套组对，电熔焊机的加热电极与电熔套的电极相连接，按焊接规范进行通电加热至管材与电熔套熔化母材分子相互缠结在一起，达到分子间连接的目的。电熔焊接的失效模式:管端氧化皮未去除，冷焊，过焊，强力组对时电阻丝错位、电阻丝过热导致的孔洞缺陷等。
1.3缺陷试样的制备
根据热熔焊接接头和电熔焊接接头存在的失效模式，制备含有已知缺陷的试样。含已知焊接缺陷的分析研究，对于认知缺陷对焊接接头性能的影响具有重要的指导价值，同时也能针对不同缺陷验证采用的检测手段是否能够有效识别和检测。
针对电熔和热熔焊接接头存在的不同缺陷，本文采用热熔焊机和电熔焊机完成缺陷试样的制备。采用PE100、De110/SDR11管材制备的热熔缺陷试样见图3，其中，图3(a)为带有孔洞缺陷的热焊接接头待拉伸试样，在热熔焊接前埋入1根直径为1mm的铁丝，待焊接结束后拔出铁丝，形成1mm孔洞缺陷，图3(b)为热熔过焊缺陷试样，在规范焊接温度和加热时间条件下，焊接压力P1调整为规范要求的2倍，见式(1)
式中:
P1——总焊接压力；
Pt ——焊前测定的拖动压力；
P2——焊接规定的压力
P0——作用于管材上单位面积的压力，取
0.15 N/mm2；
A1——管材截面积；
A2——焊机液压缸活塞的有效面积。
图3(c)为冷焊缺陷试样，在规范焊接电流、焊接电压条件下，焊接时间为规范要求的1/2，导致热输入量不足。
图3(d)为氧化皮未去除缺陷试样根据 CJJ63一2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》要求，焊前管端需进行刨边，去除端面存在的氧化皮,再进行热熔焊接，该试样为未进行刨边处理进行热熔焊接的缺陷试样。
针对电熔焊接失效模式分析，电熔焊焊接接头主要存在过焊、冷焊、氧化皮未去除、电阻丝错位、孔洞等缺陷。本文采用PE100、De63/SDR11规格的管材和对应的电熔套进行电熔焊接，制备氧化皮未去除、冷焊、孔洞缺陷，采用PE100、De110/SDR11规格的管材制备电阻丝错位缺陷，缺陷试样见图4。其中图4(a)为氧化皮未去除缺陷试样，图4(b)为冷焊缺陷试样，电熔冷焊时套筒内表面与管材外表面未充分熔合，严重时两表面完全分离，形成假焊；图4(c)为电阻丝错位缺陷试样，图4(d)为电熔焊孔洞缺陷，由于电阻丝过热，导致管材与电熔套间形成空腔。电熔焊的焊接面在电熔套筒内，对于煤接缺陷的检验无法通过宏观检验的方法进行识别，因此，急需1种能够对聚乙烯热熔和电熔内部焊接缺陷进行有效检测的检测手段。
二、缺陷试样DR检测
热熔对接接头质量的检验仅仅是翻边检查，切除接头翻边进行背弯试验；而对于电熔焊接质量的检验仅仅是看电熔套冒口熔化聚乙烯伸出长度，但对于焊缝内部可能存在的缺陷却无能为力，检验标准中对于接头内部缺陷的检测也没有涉及。现行标准对于聚乙烯燃气管道质量的验收，主要通过管系压力实验的方法进行，即通过气压实验，将压力升至1.5 倍设计压力，稳压1h，无降即为合格。但是对于电阻丝错位、轻微冷焊和过焊等缺陷,无法通过压力试验的方法检出，为燃气管道的安全运行留下隐患。相关学者对于聚乙烯焊接接头内部缺陷的检测也进行了大量研究，从国内外相关研究成果和文献资料可知，高密度聚乙烯材料的接头采用 UT(超声检测)检测较为理想，但缺乏对聚乙烯焊缝超声检测和质量分级的标准。
2.1含缺陷热熔接头DR检测
图5为含孔洞缺陷对接接头DR检测图像，图中可以很清晰地看出孔洞缺陷位置，由于孔洞的存在，射线穿透的母材相对厚度较小，曝光率较大，有更多的X射线透过母材在底片上呈现为一条黑线，位置和尺寸均与人为插入直径1mm铁丝形成的缺陷完全吻合。图6为过焊焊接接头DR检测图像，相比于正常参数下的焊接接头 DR数字图像，过焊由于焊接时间过长导致翻边高度和宽度都较大，因此DR数字图像上呈现为较宽、较高的翻边。图7为冷焊接头DR检测图像，制备缺陷试样时加热时间为正常焊接时间的1/2，焊接接头由于热输入量不足，导致翻边高度和宽度都较小，因此DR数字图像上呈现为较窄、较低的翻边。图8为氧化皮未去除 DR检测图像，由于氧化皮的存在，不能很均的翻边，导致翻边对称性差DR 检测很好地显示了这一结果。
2.2含缺陷电熔接头DR检测
电熔焊接一般将电熔套冒口冒出的熔化母材的多少作为评判焊接质量的好坏，对于内部缺陷的检测无可靠有效的检测手段。图9为氧化皮未除接头的DR检测图像，从图中可以看出，相比于正常焊接接头DR检测图像 (见图 11)，未去除氧化皮的接头由于氧化皮的存在，阻碍了电熔套母材与管体母材熔融后的充分流动，不能使管件母材与管体母材之间的分子链充分缠绕导致部分电阻丝位置熔融的母材扩散不均匀，出现空隙。图10为电阻丝错位接头DR检测图像，从图中可以很好地看出由于组对时管端圆度不够，强力组对将电阻丝顶出原来的位置，与其他位置的电阻丝短路造成局部空洞，减少了有效连接面积。
通过对热熔和电熔焊接缺陷进行 DR检测，检测结果与制备试样的实际情况完全吻合，并能够从 DR检测底片上很好地反映缺陷形貌，DR检测能够很好地作为一种检测手段来对聚乙烯热熔和电熔焊接缺陷进行检测。
三、聚乙烯燃气管道DR检测应用
对于人为制备缺陷的检测，数字射线能够进行可靠检测，将DR检测应用于燃气管道检验现场，针对某燃气公司的2条在役聚乙烯燃气管道进行检测，燃气管道相关参数见表1。
检测发现热熔焊接缺陷1处，电熔焊接缺陷2处。图12为热熔焊接接头DR检测图像，在管道安装过程中由于加热板表面清理不干净，导致焊接时咬边。图13为电熔焊接接头 DR 检测图像，在管道焊接时未将管材与电熔套承接部位氧化皮去除，导致部分电阻丝位置出现空隙。图14为电熔焊接缺陷DR检测图像，组对时管材将电熔套筒内的电阻丝挤压错位，导致电熔套与母材有效连接面积减少。
通过对在用聚乙烯管道电熔和热熔焊接接头的 DR检测，结果表明，DR检测能够可靠检测在管道安装使用过程中造成的各种焊接缺陷，为聚乙烯燃气管道焊接质量的检测提供了一种思路和手段，为聚乙烯燃气管道的安全运行提供了保障。
四、结论
1)通过电熔和热熔焊接缺陷失效模式分析，明确了热熔焊及电熔煤主要缺陷类型，并针对不同缺陷制备了含有缺陷的试样;
2)通过DR检测人为制备的缺陷试样不同缺在DR检测图像上呈现不同特征，与实际情况完全吻合，并对在役聚乙烯电熔和热熔焊接接头进行应用检测，检测结果表明，DR检测能够作为一种有效可靠的检测手段对聚乙烯焊接接头的内部缺陷进行检测。
四、管道全自动数字化X射线检测系统（DR）
对钢制管道环焊缝或复杂曲⾯零件拼接焊缝进⾏焊接、切割、⽆损探伤等装置的X射线检测系统平台。
管道全⾃动数字化X射线检测系统平台（DR）主要由源在外管道爬⾏主⻋（运载数字平台探测器）、源在外管道爬⾏从⻋（运载射线源）、数字平板探测器接收板总成、钢带组件购成。两台爬⾏⻋在圆周上以直径两端⽅式摆放，成180度分布，运⾏时呈现对静⽌运动。
设备优势：
●节约成本 ●检测效率⾼
●数字化程度⾼ ●图像数据可以远程传输
管道使⽤外径范围：直径1600mm以内管道
管道全⾃动数字化X射线检测系统平台（DR）的操作要求：
●源在外管道爬⾏主⻋（运载平板探测器）
●源在外管道爬⾏从⻋（运载射线源）
●图像采集平板
●图像处理电脑
●钢带组件
●受过训练的⼈员使⽤
自动检测工装系统
轨道采⽤周向预紧连接安装快速，对管道外直径⾃适应能⼒强，采⽤双层塔接设计保证平台小⻋通过轨道衔接处始终处于在轨状态。轨道接头采⽤多孔设计可以改变凸⽀脚安装位置和进旋出调节拉杆⻓度双重⼿段达到快速变换管径的⽬的。
小⻋组采⽤凸轮+连杆机构在⽓弹簧的⽀撑下完成快速联动夹紧安装固定，⻋体采⽤三从⼀主的动⼒配置，单⻋单电机配置更利于双⻋同步控制，主动轮与钢带侧⾯接触，并且设置防滑纹，由摩擦⼒来提供牵引⼒，可以实现精确⾏走和定位，淘汰了传统链条或⻮轮式传动模式，减轻了动⼒系统重量，⼤⼤提⾼现场安装效率。
