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摘要：超声波相控阵检测技术是一种最新无损检测技术，具有无辐射，无污染以及检测精度高的特点，有用良好的应用前景。本文对市政燃气工程PE管电熔连接超时波相控阵检测技术进行了研究。
关键词：聚乙烯管道；电熔连接；超声波相控阵
1.引言
聚乙烯(PE)管道由于具有使用寿命长、耐腐蚀性好、密封性强以及经济实用等优点。聚乙烯(PE)管道电熔焊接由于电熔套的包裹，焊接接头的质量好坏不能从外表直接观测到，通常通过外观检查套筒观察柱是否顶出、套筒与管材连接处是否有熔融料溢出来判断连接质量，应用传统的无损检测方法RT射线照相法及UT超声波检测法等，并不能实现套筒内部缺陷的准确定性、定量，且存在缺陷检出率低的问题，在这样的情况下，超声波相控阵检测技术受到了行业内研究人员的重点关注，本文将通过介绍超声波相控阵技术对于聚乙烯(PE)管电熔连接检测原理的研究，并以实验论证其来展现此项技术能够很好的实现内部缺陷检测。
2.研究背景及目的
近年来早期埋设的在役年限较长聚乙烯燃气PE管道因接头内部质量无法得到检测，缺陷无法清除发生漏气等引起的事故也偶有发生。而燃气管道作为城市的能源输送系统一旦出现因燃气泄漏的质量问题，将以为着停气修复、且燃气为可燃易爆性气体，会直接影响到居民的正常生活和人生安全。所以保证聚乙烯燃气PE管道的安装质量及后期运行安全，就必须开发聚乙烯燃气PE管道电熔连接接头的专用成像检测系统，将结果成像化，从而大大降低现场操作难度，提升检测效率。故本课题的研究有利于提升聚乙烯PE管城市燃气管网的施工质量，降低管网风险，保护人民生命、财产安全，具有十分重要的安全和经济意义。
3.超声波相控阵检测工艺主要内容及分析
3.1传统超声波检测与相控阵超声波检测的区别
传统的超声波检测采用单晶片探头发散束。在某些情况下也采用双晶片探头或者单晶片聚焦探头来减少盲区和提高分辨率。但是不管是那种情况下，超声波在介质中均按照一个单角度的轴线方向传播。单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺陷定性和定量的能力。因此，大部分“有效的”标准都要求采用多个角度声束扫查来提高缺陷检出率。但是对于复杂几何形状、 扫查空间有限的缺陷很难实现检测。
超声波相控阵技术是当今无损检测技术中最先进的超声波检测方法，采用相控阵多晶片探头和电子聚焦声束，在焊接接头检测方面的应用具有独特优势，可有效检出焊接接头中的各种面积缺陷和体积缺陷。检测结果以图像形式显示，为缺陷的定位、定量、定级提供了丰富的信息。
3.2超声波相控阵检测原理介绍
3.2.1超声波成像
超声波在介质中传播时会发生反射、折射、多普勒效应及声能吸收衰减等现象，声束通过介质的密度越大吸收和衰减越明显。超声波检测就是通过一套超声波发射装置、接收装置，对被检测工件进行扫描，根据这些反射信号回波的多少、强弱，分布规律，再利用计算机用不同颜色的光点依次进行图像重建，得到被检测工件内部缺陷的图像。
3.2.2超声波相控阵工作原理
相控阵超声成像技术主要是将一个大尺寸的探头按规则分割成许多独立小单元探头的阵列，通过电子装置控制每个阵列单元的发射和接收时间，从而产生出多个超声波束，再通过控制阵列的激发和接收时间，控制波束角度、聚焦深度、聚焦尺寸等，实现工件的快速扫描成像。
3.3燃气用PE管电熔连接及其常规检测方法
3.3.1燃气用PE管电熔连接
（1）聚乙烯管电熔连接的原理是用电熔焊机给镶嵌在电熔管件内壁的电阻丝通电加热，其加热的能量使管件和管材的连接界面熔融。在管件两端的间隙封闭后，界面熔融区的熔融物在高温和压力作用下，其分子链段相互扩散，当界面上互相扩散的深度达到了链缠结所必须的尺寸，自然冷却后界面就可以得到必要的焊接强度,形成管连可靠的焊接连接。
（2）根据电熔焊接原理和国内外的实践经验已经证实，能否形成管道可靠的焊接连接，主要由电熔管件的设计、电阻的温度-电阻特性、电熔焊机提供的电源电压的稳定性、管件和管材的材料性质、管件和管材连接界面的预处理状况、管件和管材连接界面间的缝隙宽度和均匀性、管件和管材的对中和夹持稳定状况、焊接工艺参数(如电压、电流、时间等)、焊接时环境温度、操作人员的水平等因素决定。因此，根据电熔焊接原理和影响焊接质责因素的实践经验而编制的产品标准、工艺参数、操作规范、质量检验试验方法等，是我国在当前发展阶段，生产、应用和管理各方的共识和准则。
3.2燃气管道PE管电熔连接的常用检测方法
（1）新建电熔连接的PE管线，一般采用强度试验及严密性试验，检查电熔焊接的质量。
（2）已建管线及已建管线与新建管线碰接，一般采用可燃气体探测仪或检漏液检查电熔焊接的质量。
（3）电熔焊接也可以通过外观检查焊接质量，通过观察母管与套筒之间熔融料溢出情况、套筒电阻丝是否挤出、母管插入长度标记及观察孔熔融料溢出情况来判断焊接质量。
(4) 管线发生漏气时，采用破坏性试验检查电熔焊接质量，即把已焊接完成的电熔套筒，沿轴线剖开，通过观察电阻丝排列情况及熔料与母管的连接情况等判断焊接质量。
3.3燃气PE管电熔连接相控阵检测方法介绍
3.3.1燃气PE管相控阵检测原理
这里采用超声波相控阵进行检测，主要利用相控阵的声束位移和聚焦两大特性，实现焊接接头的橫截面扫查。根据电阻丝的排列方向，利用超声波垂直纵波信号入射到接头部位，当超声波入射到接头部位中，焊接接头良好、未熔合、夹渣、孔洞、金属丝错位处会产生反射信号，在形成的扫描图像上将呈现出不同的影像，根据不同缺陷的影像以及相对应的反射信号声速差异来对接头内缺陷进行辨别定性、定量和定位（缺陷位置及深度），达到达到PE管接头内部无损检测的目的。
4.试验论证
通过大幅缩短焊接时间，延长焊接时间（过热焊接），焊接前未清除母材插入端氧化皮，倾斜将母材插入端插入电熔套筒、人为在母材插入端涂抹泥土、油渍等杂物制备大量试样，并结合工程安装实际，对超声波相控阵检测技术对燃气PE管电熔连接接头未熔合、过热孔洞、夹渣及金属丝错位等缺陷检测灵敏度及检出进度进行验证，具体验证案例如下：
4.1 试验验证案例
4.1.1案例一
管道编号：1773，焊接质量完好
检测影像分析：焊接完好部位，声束入射到电热丝上形成射后，余波继续向下传播，入射到管件中，在管件内壁界面上形成反射的底波。在形成的 B 扫图像上，电热丝反射为点状，排列整齐，在管件内壁深度相等的位置，出现强烈平直的底波。
4.1.2案例二
管道编号：1775，缺陷类型：未熔合
检测影像分析：未熔合声束入射到电热丝上形成反射后，余波继续向下传播在紧挨着电热丝下方未熔合的界面上形成反射， 与完好部位相比，底波提前了，紧挨着电热形成的排孔回波出现了底波，这个底波是未熔合界面形成的反射。
5.结论
通过对大量带有典型缺陷的试样检测试验，结果工程实践，验证了超声波相控阵检测技术对市政燃气PE管电熔接头熔合面缺陷，孔洞及金属丝错位等缺陷均有较高的检测灵敏度和检出精度。结果表明，对电阻丝上方≥1.0㎜、电阻丝之间≥1.0㎜，以及电阻丝信号下方≥2.0㎜的缺陷有100%的检出率；对熔合面缺陷、电阻丝丝上方的孔洞及电阻丝错位的定量、定位精度可达0.5㎜，对电阻丝下方孔洞的定量、定位精度可达1.0㎜。
该技术由于为最新无损检测技术，市场监督局及其他市政燃气工程建设管理部门也未正式颁发特种设备检验检测人员证，无法实现检测人员持证上岗，因此暂时不具备应用于市政燃气工程PE管电熔连接焊缝现场检测的条件，仍处于探索研究阶段。
参考文献：
【1】张晓宝，龙盛蓉，李秋锋.PE管超声波相控阵检测探头优化设计研究《南昌航空大学学报》.
【2】富阳.超声波相控阵斜探头检测PE管电熔研究 《无损探伤》2011.035（006）.
【3】武汉中科创新技术股份有限公司《超声相控阵解决方案》.