焊接缺陷對聚乙烯管道焊接接頭強度的影響

李廣印 , 包文紅 , 趙曉隆 , 趙吉鵬 , 李珍寶

(1.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院 ,蘭州 730050；2.蘭州理工大學，蘭州 730050)

0 前言

聚乙烯燃氣管道由特殊的專用聚乙烯顆粒燒結擠壓而成，具有優良的耐腐蝕、耐低溫、內外壁光滑、摩擦阻力小、撓性好等特點，越來越多的用于城鎮中壓燃氣管道的輸送。管道的連接主要采用熱熔和電熔焊接，大量的實踐經驗表明，焊接部位的焊接缺陷是影響管道安全運輸的主要影響因素，常見的缺陷有冷焊、過焊、電阻絲錯位、氧化皮未去除、孔洞等。

目前國內外對聚乙烯焊接接頭性能的研究主要有[1-3]：聚乙烯管道熱氧老化；聚乙烯管韌性破壞壽命預測方法；裂紋擴展行為及壽命預測。冷焊、過焊、氧化皮未去除等缺陷對焊接接頭性能的影響及機理鮮見報道。

文中通過分析熱熔和電熔焊接過程中存在的各種焊接缺陷，制備帶有孔洞、過焊、冷焊、氧化皮未去除、不同厚度的熱熔接頭缺陷試樣和電阻絲錯位、氧化皮未去除的電熔接頭缺陷試樣，通過與正常工藝參數焊接的接頭力學性能對比試驗，分析了焊接接頭性能降低的原因，并通過SEM、EDS等分析測試方法，研究了其性能下降的機理，為后續科學研究和工業生產提供借鑒。

1 試驗方法

1.1 缺陷試樣的制備

聚乙烯燃氣管道的連接機理為:通過加熱待連接母材至熔融狀態，加熱方式分為加熱板加熱和電阻絲加熱，根據加熱方式的不同，連接方式分為熱熔連接和電熔連接，使熔融的母材在加壓或者不加壓狀態下通過分子間擴散、纏結最終達到連接的目的。因此在聚乙烯管道焊接的過程中，受人為操作及外部影響較大，常由于工人操作失誤，將不同標準厚度比的管子進行焊接，由于焊接參數調節失誤，出現加熱時間過長或過短，拖動壓力過大或過小，端面清理不干凈造成的夾雜、孔洞等。在電熔焊接時，由于管端保護不足，圓整度差，管子與電熔套組對時導致電阻絲錯位等缺陷，降低了焊接接頭的強度。聚乙烯管道焊接缺陷的檢測國內外尚無可靠手段，如果焊接過程中焊制的聚乙烯接頭帶有焊接缺陷，將對管道的安全運行留下隱患，針對在實踐過程中出現的上述焊接缺陷，制備含有人為缺陷的試樣，通過性能試驗，研究不同缺陷對接頭力學性能產生的不利影響。

采用材質為PE100，規格為De110-SDR11的管子,制備熱熔合缺陷試樣。1號試樣為正常焊接的對比試樣，在《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》規定的焊接工藝參數下進行熱熔焊接；2號試樣為含有孔洞缺陷，在熱熔焊接時插入φ1 mm的鐵絲，待冷卻之后拔出鐵絲，在熱熔接頭熔合線處便存在φ1 mm的孔洞缺陷；3號試樣為電熔板加熱時拖動壓力為正常焊接工藝參數的兩倍，為過焊試樣；4號試樣為電熔板加熱時拖動壓力為正常焊接工藝參數的一半，為冷焊試樣；5號試樣為管端氧化皮未去除試樣；6號試樣為采用De110-SDR11和De110-SDR17.6不同厚度的管子進行熱熔連接，連接后的試樣無法從外觀看出所用管子為不同標準厚度比。制備的待拉伸試樣如圖1所示。

圖1 熱熔焊接缺陷待拉伸試樣

文中采用De63-SDR11的管子和電熔套進行電熔連接。1號試樣為正常焊接的對比，在《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》規定的焊接參數下進行電熔焊接；2號為電阻絲錯位試樣；3號為與電熔套承口部位氧化皮未去除試樣。由于電熔焊接缺陷無法從外觀看出，故采用數字化X射線檢測(digital radiography，DR)的方式顯示焊接缺陷，如圖2所示。

圖2 電熔焊接缺陷DR圖

1.2 熱熔和電熔接頭的力學試驗

通過對已知缺陷的力學性能分析，可以得出不同類型的缺陷對于焊接接頭力學性能的影響，從而指導焊接過程，為管系的安全運行提供保障。聚乙烯熱熔和電熔焊接接頭的工藝評定采用拉伸和壓扁試驗驗證焊接接頭的焊接質量，缺陷對焊接接頭的影響，最終體現為焊接接頭的力學性能。

對于熱熔焊接接頭，根據國家標準GB/T 19810—2005《熱熔對接的拉伸強度和環形破壞》進行試驗。采用JJ-TEST萬能試驗機進行拉伸試驗，同時得出拉伸試驗曲線。將聚乙烯管道熱熔對接接頭經過切割沖孔加工成啞鈴形試樣，如圖3所示，以恒定的速度對待拉伸試樣施加拉力。當拉伸試驗機對待拉伸試樣施加一定的拉應力時，熔接部位的不連續處存在應力集中，最終在熔接接頭附近發生斷裂。通過分析接頭破壞形式和拉應力強度對焊接接頭質量進行評判。以恒定速度(5 mm/min)進行拉伸試驗，并記錄拉伸過程中試樣所承受的拉力，拉伸試驗如圖4所示。

圖3 拉伸試樣型號3

圖4 熱熔接頭拉伸試驗

對于電熔焊接頭，根據國家標準GB/T 19806—2005《塑料管材和管件 聚乙烯電熔組件的擠壓剝離試驗》進行試驗，采用JJ-TEST萬能試驗機進行壓扁試驗，將管道沿軸線切開，上下壓頭緊挨電熔套根部，在外力作用下管子與管件熔合面被剝離，圖5為電熔焊接頭壓扁過程。

圖5 電熔接頭壓扁試驗

2 結果與討論

2.1 含缺陷熱熔焊接接頭力學性能分析

為了驗證不同焊接缺陷對焊接接頭的影響，制備了正常工藝參數的焊接接頭作為參照對象。

圖6為正常焊接工藝參數的熱熔接頭拉伸曲線，斷裂應力為22.92 MPa，圖7為過焊接頭拉伸曲線，斷裂應力為15.76 MPa。過焊試樣是焊接壓力為正常焊接壓力的兩倍，由于壓力過大，部分參與焊接的熔融聚乙烯母材被擠出，從宏觀上看翻邊高度和寬度比正常焊接工藝參數下的翻邊高度和寬度大，過焊焊縫熔合區寬度較正常焊縫熔合區寬度小，因此其斷裂應力較正常焊接時的斷裂應力小，僅改變焊接壓力時，過焊焊縫斷裂應力僅為正常焊接時的68.7%，若同時改變其它焊接工藝參數，對焊接頭的強度影響更大，故過焊對接頭的性能有較大影響。

圖6 正常焊接接頭拉伸曲線

圖7 過焊焊接接頭拉伸曲線

圖8為冷焊接頭拉伸曲線，斷裂應力為2.12 MPa，為正常焊接斷裂應力的9%。冷焊接頭由于熱輸入量不足，從宏觀上看翻邊高度和寬度比正常焊接工藝參數下的接頭翻邊高度和寬度都小，焊縫兩端面分子間纏繞不足或數量不夠，造成假連接，冷焊接頭的分子鏈會隨著服役過程逐漸解鏈，當解鏈達到一定程度就會在焊接接頭處發生開裂，導致燃氣泄漏，進而引發火災、爆炸等次生災害[4]。因此冷焊缺陷的存在，是整個燃氣管道輸配系統的“不定時炸彈”，是最危險的焊接缺陷之一。

圖8 冷焊焊接接頭拉伸曲線

圖9為氧化皮未去除熱熔接頭拉伸曲線，斷裂應力為0.09 MPa，為正常焊接斷裂應力的0.4%。氧化皮未去除，在熱熔焊接的加壓階段，熔化的兩端面間存在氧化層屏障阻礙兩端面分子鏈相互纏繞，導致分子鏈擴散受阻，無法充分纏繞。宏觀上表現為由于氧化皮的存在，翻邊不均勻。從力學性能參數分析可知，氧化皮未去除也是熱熔焊接接頭最危險的焊接缺陷之一。

圖9 氧化皮未去除拉伸曲線

2.2 含缺陷電熔焊接接頭力學性能分析

對于電熔焊接頭的強度是否能夠滿足使用要求，通常參照國家標準GB/T 19808—2005進行試驗。采用在去除氧化皮的正常電熔焊接接頭作為對比試樣，采用JJ-TEST萬能試驗機進行壓扁剝離試驗，其試驗過程為在電熔管件承口旁，用100 mm/min 的速度施加壓縮力，直到管材內壁彼此接觸，用工具小心地將電熔承口管件與管材分離。檢查試樣并記錄破壞形式(如管材破壞或管件破壞，在線圈之間或在熔合面破壞)，通過剝離時的最大壓縮力來評價PE管材與管件的熔接質量。

圖10為正常焊接工藝參數下的電熔焊接頭壓扁曲線，最大壓縮力為21.46 kN，圖11為電阻絲錯位壓扁曲線，最大壓縮力為18.05 kN，由于管材運輸安裝時端部受磕碰等原因，圓整度較差，組對時與電熔套無法很好的貼合，強力組對導致電熔套內電阻絲錯位，加熱時局部無電阻絲，而導致母材未熔化，使得有效連接面積減少，造成電熔套內套筒母材與管子母材結構不連續，嚴重時形成空腔，造成焊接接頭連接強度下降；圖12為氧化皮未去除接頭壓扁曲線，氧化皮未去除最大壓縮力為12.24 kN，在電熔焊接時，電阻絲加熱電熔套母材及管材使其熔化，分子鏈相互纏繞達到連接的目的，由于氧化皮的存在，阻礙了電熔套母材與管材的相互擴散，致使分子鏈無法進入雙方熔體，使得分子鏈纏繞數量不足或者纏繞不充分，因此氧化皮未去除對于電熔接頭的力學性能有較大影響。

圖10 正常電熔焊接壓扁曲線

圖11 電阻絲錯位壓扁曲線

圖12 氧化皮未去壓扁曲線

2.3 典型缺陷對焊接接頭的影響機理

通過拉伸試驗和壓扁試驗，表明氧化皮未去除對焊接接頭的強度產生了較大影響，為研究其影響機理，對去除氧化皮的端面和未去除氧化皮端面進行SEM測試。如圖13所示，結果表明，未去氧化皮端面存在熱氧老化的硬質斑塊、機械劃傷等，在加熱融化時，高熔點的硬質斑塊阻礙了已經熔化的聚乙烯料相互纏結、擴散，無法形成大分子鏈，使得兩端母材無法充分熔融纏結為一體。聚乙烯母材為大分子鏈，分子間作用力弱，加熱時易滑動，流動性好，同時聚乙烯易被光、熱氧化、臭氧分解，經過氧化的聚乙烯分子鏈易交聯、斷鏈[5-6]，流動性差，使得接頭分子鏈無法充分纏結，故氧化皮的存在嚴重影響接頭的強度。

圖13 聚乙烯管材端面SEM測試圖

對去除氧化皮和未去氧化皮的管材端面進行EDS元素成分分析，圖14為噴金處理的含氧化皮與不含氧化皮EDS元素分析。從圖可以看出，含有氧化皮的聚乙烯材料表面有大量的氧，這是由于管材露天存放較長時間后，吸收紫外線、受熱等因素影響，發生斷鏈、交聯等從而發生降解，聚乙烯分子鏈受熱產生的游離自由基與氧反應產生過氧化物，過氧化物為中間體，該類中間體受熱能夠生成新的自由基，又可以與聚合物鏈結合進而引發系列反應，生成羥基含氧基團，因此含氧化皮的聚乙烯管材端面存在大量的O元素。

圖14 聚乙烯管材端面EDS測試圖

3 結論

(1)通過力學性能分析，影響聚乙烯焊接接頭性能的主要缺陷是過焊、冷焊、氧化皮未去除、電阻絲錯位，含過焊缺陷的接頭斷裂應力為正常焊接接頭的68%，冷焊斷裂應力僅為正常焊接接頭的9%，氧化皮未去除缺陷影響最大，斷裂應力僅為正常接頭的0.4%。

(2)通過SEM和EDS分析結果表明，熱氧老化的硬質斑塊和機械劃傷阻礙了聚乙烯母材大分子鏈的擴散，使得接頭性能嚴重下降；在紫外線、光、熱等綜合作用下，管材分子鏈易交聯、斷鏈，流動性差，氧與聚乙烯表面分子鏈發生反應，形成大量羥基自由基團。