市政燃气工程大口径PE管热熔焊缝相控阵超声现场检测技术应用

摘要：针对市政燃气工程大口径PE管热熔焊缝质量控制方面的需求，系统地论述相控阵超声检测（PAUT）技术的现场应用体系，以DB15/T1819.3-2020作为核心标准，围绕检测系统配置、探头频率与壁厚匹配、扫查装置耦合、试块校准、现场工艺参数控制以及缺陷定性定量和质量分级等关键环节展开分析，重点探讨大口径管现场检测中弧面耦合稳定性、温度声速补偿以及缺陷判据统一等工程难点，为PAUT技术在燃气PE管热熔焊缝全覆盖检测的工程化应用提供技术支撑。

关键词：市政燃气工程；大口径PE管；热熔焊缝相控阵；超声现场检测技术

随着城市燃气管网改造升级的速度不断加快，大口径聚乙烯（PE）管在市政中压和次高压燃气管网里的应用变得日益广泛，其公称直径目前已普遍覆盖DN200到DN400，部分工程甚至延伸到了DN500。热熔对接接头作为PE管道唯一的连接方式，它的质量直接决定着管网运行的安全状况。然而热熔接头内部的缺陷具有高度的隐蔽性，传统检测手段如外观目测与破坏性抽检，无法有效识别冷焊、未熔合、内部孔洞、熔合面夹杂等核心缺陷。相控阵超声检测（PAUT）凭借全聚焦成像、多角度声束扫描、C/S/D多模式实时显示等技术优势，已经成为大口径PE管热熔焊缝现场检测的主流技术路线。本文围绕该技术在市政燃气工程中的检测体系构建、工艺参数优化、缺陷定量评定与工程应用实践进行系统论述。

1检测标准体系与技术定位

随着城市燃气管网改造升级速度持续加快，大口径聚乙烯（PE）管在市政中压和次高压燃气管网的应用愈发广泛，其公称直径目前普遍覆盖DN200到DN400，部分工程甚至延伸至DN500，热熔对接接头作为PE管道唯一连接方式，其质量直接决定着管网运行的安全状况，然而热熔接头内部缺陷具有高度隐蔽性，传统检测手段像外观目测与破坏性抽检，无法有效识别冷焊、未熔合、内部孔洞、熔合面夹杂等核心缺陷，相控阵超声检测（PAUT）凭借全聚焦成像、多角度声束扫描、C/S/D多模式实时显示等技术优势，已成为大口径PE管热熔焊缝现场检测的主流技术路线，本文围绕该技术在市政燃气工程中的检测体系构建、工艺参数优化、缺陷定量评定与工程应用实践展开系统论述^[1]。

2检测系统配置与关键参数选型

2.1探头与仪器

探头选择上采用一维线阵斜探头，阵元数量不少于32个，标称频率范围处于1～10MHz。大口径PE管的壁厚一般在12～35mm这个区间，频率与壁厚的匹配遵循如下原则，当壁厚小于等于15mm时选择5～7.5MHz，当壁厚大于15mm且小于等于30mm时选择2.5～5MHz，当壁厚大于30mm时选择2～2.5MHz。折射角推荐采用45°或者60°，楔块材料优先选用聚砜（其声速与PE接近，大约为2350m/s），这样能够有效降低界面反射损失。探头激发孔径宽度必须控制在10mm以内，以此来适配大口径管外弧面的耦合需求。仪器需要具备不少于32个独立硬件通道，并且支持TFM全聚焦、PWI平面波成像、PCI相干成像等成像模式^[2]。

2.2扫查装置与耦合

扫查装置涵盖探头夹持机构、驱动电机、导向导轨以及位置编码器，其位移精度必须优于正负1%且绝对误差不超过10mm，大口径管外弧面曲率半径较大，扫查装置的刚性和导轨贴合精度是保障数据质量的关键要素，耦合剂可选用化学浆糊或者甘油，校准和检测过程中须使用同一种耦合剂以避免因声速差异引入系统误差。

2.3试块体系

在进行检测之前必须要完成系统校准工作，试块体系包含的内容有，PE-Ⅰ系列试块可用于灵敏度校准以及TCG曲线修正，PE-Ⅱ系列试块能够用于ACG角度校正，PE-A/B/C对比试块可用来确定声束覆盖范围与检测灵敏度基准，除此之外还必须制备含有真实热熔缺陷（像未熔合、孔洞、熔合面夹杂等）的模拟试块，用于检测工艺验证与缺陷判读比对^[3]。

3现场检测工艺

现场检测要在热熔焊接完成且经宏观外观检查合格后，等管道自然冷却不少于2小时才可以实施，检测区域是焊缝中心线两侧各延伸一个壁厚，或者是焊缝宽度加两侧各5mm母材的范围，并且外翻卷边要全部切除，扫查面要做到平整清洁，还要彻底清除氧化层、泥土及水汽等影响声耦合的异物，扫查要采用扇形扫描与沿线扫查相结合的方式，扫查速度不能超过30mm/s，步进间距不大于1.0mm，轨迹偏差要控制在3mm以内，每段起止重叠不少于20mm，聚焦深度初始要设置在最大声程处，精确定量时可以迁移至缺陷区域，工件表面温度要控制在0℃～40℃之间，校准与检测温差不能超过±15℃，超出范围就必须重新验证，系统采用扇扫描逐束校准，灵敏度通过TCG曲线设定，把φ1mm×25mm平底孔反射信号调至满屏80%～95%，每班开工前、探头或耦合剂更换后以及连续工作超4小时都要进行灵敏度复核。

4缺陷数据分析与质量评定

4.1数据有效性

单次检测时数据丢失量需控制在不超过5%且不允许相邻数据连续丢失，耦合不良区域占比要控制在不超过5%且单处不良长度不能超过2mm，不满足这些条件的区段必须重新进行扫查^[4]。

4.2缺陷定性与定量

显示模式主要采用S扫描也就是纵截面加上B/C扫描联合判读的方式，大口径PE热熔焊缝典型缺陷可分为四类情况，分别是孔洞其实属于体积型缺陷需要表征径向尺寸X、周向尺寸Y以及高度H，熔合面夹杂属于面积型缺陷要用外接矩形来表征X×Y且相邻缺陷间距小于较短边尺寸时要合并处理，未熔合同样属于面积型缺陷并且是最危险的缺陷，裂纹属于线状缺陷长度与深度都必须进行测量。

4.3质量分级判定

质量分级判定按照DB15/T 1819.3 - 2020标准来执行，把PE热熔接头质量划成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，Ⅰ级与Ⅱ级接头绝对不允许存在裂纹与未熔合缺陷，这两类缺陷会直接威胁管网运行安全属于零容忍项，熔合面夹杂依据其外接矩形面积进行分级，面积超出对应等级限值时接头就要进行降级处理，Ⅰ级与Ⅱ级接头同时也严禁存在带尖锐端角的孔洞缺陷，因为尖锐端部容易形成应力集中，在长期内压与土壤载荷联合作用下可能成为裂纹萌生源，当同一接头检测出两种及以上缺陷时，以其中最差级别作为该接头最终质量等级以此确保分级判定的从严原则，Ⅲ级接头只允许用于非燃气用途或经过设计认可的特殊工况，市政燃气管网中压及以上运行工况下只接受Ⅰ级与Ⅱ级接头。

5大口径现场检测工程应用关键问题

大口径PE管（DN315～DN400）在现场检测时面临着三个核心方面的难点，第一点是管外弧面曲率较大，探头和管壁贴合的稳定性较差，耦合层厚度不均匀直接造成信噪比下降，其解决方案是采用柔性楔块配合刚性导轨扫查装置，第二点是现场环境温度波动对PE声速影响十分显著（温度每变化10℃，声速变化约15m/s），必须严格执行±15℃的温差控制并实时进行复核，第三点是大口径管热熔接头翻边切除后残余变形可能会导致扫查面不平，需要预先进行打磨处理。工程实践显示，PAUT检测相比传统单通道超声检出率提高50%以上，能够实现焊缝内部缺陷的全覆盖、可量化、可追溯检测^[5]。

结论：

相控阵超声检测技术已经具备在市政燃气工程大口径PE管热熔焊缝里替代传统抽检并且实现全焊缝现场覆盖检测的工程能力，其全聚焦成像与多模式显示特性让冷焊、未熔合、内部孔洞等隐蔽缺陷的检出率和定量精度明显优于传统方法，当前技术瓶颈是缺陷定量判别标准还需要统一，特别是冷焊与过焊的特征线判据在不同标准之间存在差异，未来发展方向包含AI辅助缺陷自动识别、PAUT与数字射线联合验证以及在线检测技术的工程化探索。

参考文献：

[1]边永丰,李晴,孟倩倩.相控阵超声检测校准试块使用方法对比[J].无损探伤,2025,49(2):45-48.

[2]张晓宝,龙盛蓉,李秋锋,等.PE管超声相控阵检测探头优化设计研究[J].南昌航空大学学报(自然科学版),2018,32(4):74-80.

[3]王胜辉,燃气用聚乙烯管道焊接接头相控阵超声检测技术研究.上海市,上海市特种设备监督检验技术研究院,2016-01-14.

[4]龙盛蓉,于润桥,马娟.PE管对接焊缝超声波检测信号特征量提取与分析[J].无损检测,2009,31(6):442-444.

[5]张涛.PE管热熔对接焊缝的超声检测方法的研究[J].中国特种设备安全,2008,24(12):28-29.