A study for detection of melt flow zone about polyethylene butt fusion joints

Polyethylene pipes has useful benefits which are anti-corrosive and flexible material, so it is used to gas pipes but also class 3 water pipes of nuclear power plant, process pipes of petrochemical plant and chemical plant. So the usage of polyethylene pipes is widely increased. But it has been limited for the usage of polyethylene, because it can not be directly detected to fusion joints by using non destructive evaluation. Polyethylene pipes are connected by two methods, one is butt fusion and the other is electrofusion. Butt fusion is widely used to connecting the pipes. It is proposed to method for determining the reliability of joints in this study that is detection of the melt flow zone at fusion joints. In this study, middle density polyethylene is used, outside diameter of the test specimen is 225mm and thickness is 20.5mm. Speed of ultrasonic of this test specimen is 2,200m/s. Test specimens were fabricated by varying the heating time which means from 0% to 130% applying time through heating plate to polyethylene for detecting melt flow zone. Also 4 additional test specimens were made, one was made that not scrapping attached surface of pipes but applying 100% of the proper heating time and the others were made to include of soil, gravel and vinly tape paper at fusion joints, that were also applied 100% of proper heating time. Ultrasonic testing to measure the melt flow zone of 20 test specimens was conducted by using 3.5MHz and 5.0MHz ultrasonic probes and melt flow zone measuring was conducted to three times at different point to one specimen. To differentiate the melt flow zone signal, post image processing was equally conducted to all test results and image levels, contrast, sharpen, threshold were adopted to all teat results and the test results were displayed gray scale. From the results, for the shorter heating times the reflection area of multiple echo have been increased, so the data was obtained from the position where it can be eliminated as much as possible. At 80% of proper heating time(168 sec.), the signal of melt flow zone was obtained clearly, so measuring could be conducted. From 7% of proper heating time(15 sec.) to shorter heating times. we could not obtain the signal because test specimen was not fused. From the result, we can verify that measuring of melt flow zone by using phased array ultrasonic imaging method is possible. And we can verify to complete and incomplete butt fusion by measuring the melt flow zone.

폴리에틸렌 배관 버트융착부 열용융거리 측정에 대한 연구

폴리에틸렌(Polyethylene) 배관은 가요성이 좋고 부식이 되지 않는 등의 장점으로 가스배관 뿐만 아니라 원자력 발전소의 배수관, 석유화학 및 정유사 공정배관 등으로 그 사용범위가 점차 확대되고 있다. 그러나 폴리에틸렌 배관의 연결부를 직접적으로 검사할 수 있는 검사방법이 개발되지 않아서 사용범위를 확대하는데 제한을 받고 있다. 폴리에틸렌 배관의 연결방법은 전기융착 방법과 버트융착 방법으로 구분할 수 있는데 이 중에서 가장 많이 사용하는 방법은 버트융착이다. 버트융착은 배관과 배관을 열판에 맞닿게 하고 일정한 온도 및 압력을 가한 후 열판을 제거하고 용융된 배관의 말단부를 서로 연결하는 방법으로서 별도의 연결구가 필요하지 않아 가장 많이 사용하고 있는 연결방법이다. 버트융착 시에 열판으로부터 열이 용융된 후 압력을 가하면 용융부는 비드를 형성하는 부분과 연결부를 형성하는 부분으로 분리되고 냉각과정을 거쳐 버트융착부가 된다. 본 연구는 연결부를 형성하는 부분에서 열판으로부터 열이 전파되어 용융된 거리를 측정하고 이 결과를 연결부에 대한 건전성 평가 방법 중의 하나로 제시하고자 한다. 외경 225mm, 두께 20.5mm의 중밀도 폴리에틸렌 가스용 1호관의 초음파 속도를 측정한 결과 2,200m/s 였다. 열용융 거리를 측정하기 위하여 열판으로부터 열이 전파되어 폴리에틸렌을 가열하는 시간을 0%~130%까지 변화시켜 시험편을 제작하였다. 또한 정상적인 가열시간(100%의 가열)을 제공하고 스크레핑 처리를 하지 않은 시험편과 토양을 삽입한 시험편 그리고 자갈을 삽입한 시험편과 비닐류를 삽입한 시험편을 제작하였다. 총 20개의 시험편에 대한 열용융 거리를 측정하기 위하여 3.5MHz 및 5.0MHz 센서를 이용하였으며 1개의 시험편에 대하여 총 3곳에서 초음파 탐상을 실시하였다. 열용융 신호를 명확하게 구분하기 위하여 모든 탐상 결과에 대하여 동일한 post image processing을 수행하였고 이미지 레벨, contrast, sharpen 및 threshold를 적용하였으며 결과 탐상은 가장 직관적으로 파악할 수 있는 gray scale로 표현하였다. 탐상 결과 가열시간이 짧은 시험편일수록 융착이 이루어지지 않아 멀티플 에코가 반사되는 영역이 증가하였으며 이 부분을 최대한 배제할 수 있는 위치에서 데이터를 획득하였다. 정상적인 가열시간의 80%인 168초의 시간을 가한 시험편부터 열용융 거리에 대한 반사신호가 뚜렷이 구분되었으며 이 시험편부터 거리 측정을 실시하였다. 가열시간이 정상가열시간의 7%인 15초의 가열시간을 가한 시험편부터 더 낮은 가열시간을 가한 시험편의 경우 융착이 이루어지지 않아서 3곳 모두 데이터 영상을 획득할 수 없었다. 위 실험 결과로 위상배열초음파를 통해 폴리에틸렌 배관 버트융착부에서 열이 용융되어 전파된 거리 측정이 가능함을 확인하였으며 또한 열이 용융되어 전파된 거리 측정을 통해 정상적인 융착과 불완전 융착을 구분할 수 있음을 확인할 수 있었다.