聚乙烯管道熱熔焊接技術研究進展

李兆璞，武立文，喬 亮，范峻銘，張 毅*

（1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；2.深圳市燃氣集團股份有限公司，廣東 深圳 518000；3.深圳市燃氣輸配及高效利用工程技術研究中心，廣東 深圳 518000）

0 前言

PE管道具有耐腐蝕、密度小、抗氧化和連接方便等優點，目前已廣泛應用于天然氣和自來水運輸達60余年[1]，部分應用領域如圖1所示。中國塑料管道的產量已達1 630 kt，是目前世界上最大的塑料管道生產國和使用國。然而經過多年研究和發展，我國的PE管道不合格率仍達23.9%[2]，管道系統的損壞給國家和社會造成了巨大的經濟損失。

圖1 PE管的常見應用領域Fig.1 Common application field of polyethylene pipes

大規模鋪設塑料壓力管道是國家基礎設施建設的一項重要內容，PE管道系統的鋪設，避免不了要對管道進行焊接。PE焊接的主要方式有熱熔焊接和電熔焊接，其中熱熔焊接因成本低、操作簡單而被廣泛應用于實際工程中。熱熔焊接分為預熱階段、加熱階段、切換階段和冷卻階段，如圖2所示，整個過程中焊接管道的端部被加熱熔化，再施加壓力使熔融的管道冷卻凝固，形成熱熔接頭。熱熔接頭的質量是整個塑料管道系統可靠性的重要影響因素之一，根據美國相關組織的調查顯示13%的塑料管道失效是由接頭失效造成[3]。一般認為，優秀的熱熔接頭與管道基材具有相同的力學性能，良好的熱熔接頭與管道基材的力學性能差異在標準允許的范圍之內。

圖2 熱熔焊接流程圖Fig.2 Flow chart of hot melt welding

近些年來，PE管道的生產和應用得到了快速發展，成為我國管道工業的重要環節。PE管道的焊接是影響塑料壓力管道應用的關鍵技術之一，如何使熱熔接頭形成穩定的微觀結構、具有良好的質量，對保障PE管道的安全、推動我國塑料壓力管道的發展具有重要意義。本文介紹了目前國內外對PE管道熱熔接頭質量的影響因素和可靠性評價方法的研究進展。

1 熱熔接頭質量的影響因素

1.1 相關標準

GB/T 32434—2015[4]對 75～630 mm 直徑的燃氣和輸水PE管道單一低壓和雙重低壓2種熱熔焊接程序進行了規定。該標準對管材銑削、管件夾持、表面清潔等焊前準備做了詳細要求，并根據被焊管件的半徑和厚度給出了對應的焊接參數值。此外國際上有關熱熔焊接的標準有美國現行標準ASTM F2620-13、德國現行標 準 DVS 2207-1 和 歐 盟 現 行 標 準 ISO 21307[5]。ASTM F2620-13[6]中規定了承插、對接和鞍形融合3種熱熔焊接方式，詳細介紹了操作步驟，并規定了合格熱熔接頭卷邊的最小尺寸；DVS 2207-1[7]標準對壓強升高至焊接壓強的升壓時間做了具體要求，且使用的焊接壓強相對較低；ISO 21307[8]規定的熱熔焊接程序種類最多，包括單一低壓、雙重低壓和單一高壓熱熔焊接。

上述標準都詳細規定了熱熔焊接的工藝流程，介紹了現場判斷熱熔焊接接頭是否合格的方法。但標準中只給出了焊接參數的參考范圍，未提到如何選取最佳焊接參數組合。因此研究焊接參數對接頭質量的影響，對改進標準規范、保障PE管道安全具有重要意義。

1.2 焊接溫度的影響

熱熔焊接的焊接溫度通常指加熱階段加熱板達到的最高溫度，其取值會顯著影響焊接接頭的力學性能。王曉芹[9]研究了PE管道熱熔焊接溫度對焊接接頭拉伸強度的影響，結果如圖3所示，熱熔接頭的拉伸強度隨焊接溫度升高呈現先增高后降低的趨勢，在210℃達到最大值，不同級別的PE管道變化趨勢相同。陽代軍等[10]研究了焊接接頭沖擊韌性與焊接溫度的關系，結果顯示接頭的沖擊韌性也隨焊接溫度升高呈現先增高后降低的趨勢。

圖3 焊接溫度和焊接接頭拉伸強度的關系Fig.3 Relationship between tensile strength of welded joints and welding temperature

熱熔接頭性能的變化主要是因為材料微觀結構的改變。PE在加熱后變為熔融狀態，在外力作用下，熔融區的分子鏈會不斷重疊和纏結，部分熔融體還會被擠出焊接面，形成焊接卷邊。冷卻后的焊接區域材料經過了重結晶過程，結晶度、晶體形狀和分子鏈大小也均發生了改變[11]。焊接溫度的高低直接影響焊接材料熔融區分子鏈的活動特性，過高的焊接溫度會導致焊接區PE分子鏈發生斷裂而變短，晶體結構被破壞，同時過熱會使材料發生熱氧化破壞，可能產生氣體雜質。這些氣體在焊接過程中未被排除，會附著在焊縫和卷邊中形成氣孔，致使產生應力集中現象而導致接頭性能降低。過低的焊接溫度會使分子鏈運動活性不足，解纏、滲透和纏結過程進行地不夠充分，結晶度降低，最終無法形成性能合格的熱熔接頭[2]。

1.3 焊接壓力的影響

在冷卻過程中，為了使兩段被焊接管道的焊接面緊密貼合，需要在被焊接管道上施加一對大小相等、方向相反的壓力，該壓力被稱為焊接壓力。焊接壓力的大小也是影響熱熔接頭質量的重要因素。盧濤等[12]在不同焊接壓力條件下對多種規格的PE管道進行熱熔焊接，并對接頭進行了拉伸實驗，結果如圖4所示，結合接頭的拉伸屈服強度和斷裂伸長率判定0.07～0.45 MPa是合格的焊接壓力區間。Dai和Peng[13]通過掃描電子顯微鏡和X射線衍射法觀察接頭的拉伸斷口發現，隨著焊接壓力的增大，開裂纖維尺寸和密度減小，軸向分子鏈尺寸和密度減小，焊接接頭拉伸性能降低。

圖4 不同焊接壓力條件下應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves under different welding pressure

焊接壓力選取不正確，可能導致焊接接頭出現過壓或欠壓缺陷。圖5[13]為不同焊接壓力產生的卷邊拋面圖，焊接壓力超過規定的標準值即為過壓，將導致焊接區的熔融體溢出過多，形成的卷邊過大，沿管徑方向的熔融區減小。擠壓過后剩余沿管徑方向的熔融區離加熱源相對較遠，高分子材料溫度較低、熱運動緩慢，分子鏈的解纏和再纏結不夠充分，結晶度降低，均可能降低接頭的質量。欠壓是指焊接壓力過低，分子鏈沒有足夠的外力使其再纏結，減少熔融區材料的溢出，焊接面的氣體和灰塵等雜質無法排至焊縫外，導致焊縫產生孔洞，也會降低接頭的性能。

圖5 不同焊接壓力產生的卷邊剖面圖Fig.5 Profile of crimping generated by different welding pressure

1.4 卷邊結構的影響

卷邊是熱熔焊接的重要標志之一，它是由熱熔區的熔融態PE材料在焊接壓力作用下向管道外溢出、冷卻后凝固形成。由于是受擠壓形成，卷邊在焊縫處呈現近似X的形狀。卷邊材料的結晶度和分子鏈在形成過程中均發生了變化，分子鏈受力的方向由之前的沿管道軸向變為了徑向，而結晶度的變化受焊接壓力的影響先增大后減小。綜合以上因素，卷邊結構會給熱熔接頭的可靠性帶來一定的影響。

鄭津洋等[14]通過拉伸實驗研究了卷邊對熱熔接頭力學性能的影響，發現卷邊的存在會顯著降低接頭的拉伸性能，二者的拉伸屈服強度相差近27%，而斷裂伸長率差一倍以上。范自偉等[15]通過改變實驗的溫度環境發現有卷邊和無卷邊接頭的拉伸性能差異會隨溫度的增大而增大。Bergstrom等[16]通過蠕變拉伸實驗發現帶卷邊試樣的失效時間低于去除卷邊的試樣。造成上述結果的原因是卷邊在受擠壓形成的過程中，外部材料冷卻較快，卷邊和管道中間留有縫隙，在拉伸過程中縫隙端部會造成應力集中現象，導致裂紋加速擴展，致使試樣的拉伸性能降低。

綜上所述，為了使熱熔接頭的力學性能達到最佳，應選擇最優焊接參數組合。但不同規格、不同級別的PE管道對焊接參數的敏感性不同，因此當大量鋪設焊接同一種PE管道時，可以考慮先探究該型號管道的最佳焊接參數組合，再進行施工作業。為了降低卷邊結構對管道性能的危害，在焊接過后應目測卷邊的形狀，及時排查可能造成裂紋擴展的卷邊。此外可以考慮去除熱熔焊接卷邊來提高焊接質量，但目前缺乏這樣一種理想卷邊去除方法，去除的方法既要能完整的剝離卷邊，又要不傷及管道基材，在實際工程中操作起來具有一定的難度。

2 熱熔焊接接頭的力學性能測試方法

2.1 相關測試標準

GB/T 32434—2015中只提到了PE管道熱熔接頭的外觀檢驗和卷邊切除檢驗等非破壞性檢測方法，適用于工程現場檢測；GB/T 19810—2005[17]詳細規定了熱熔接頭的拉伸強度和斷裂破壞形式的測試方法，要求拉伸試樣形狀根據管道壁厚選取，采用5 mm/min拉伸速率的慢速拉伸實驗；GB/T 6111—2018[18]規定了熱塑性塑料管材的靜液壓實驗方法，可用來測得熱熔焊接后管道的耐內壓能力。此外，與PE管材熱熔焊接相關的國標還有GB/T 2918—2018塑料試樣狀態調節和試驗標準環境、GB/T 3682—2018溶體流動速度測定、GB/T 17391—1998氧化誘導時間測定和GB/T 1843—2008 沖 擊 性 能 測 定[19-22]。 國 際 標 準 ISO 21307[23]涵蓋了最多的接頭性能測試方法，包括慢速拉伸測試（ISO 13953）、快速拉伸測試（ASTM F2634）和靜水壓力測試（ISO 1167）[24-26]。

2.2 拉伸實驗

拉伸實驗是一種短期破壞性力學實驗，用來獲取實驗對象的拉伸屈服強度和斷裂伸長率等數據，相關計算公式如式（1）～（2）所示：

式中Fmax——拉伸最大載荷，N

S——試樣初始橫截面積，mm2

Y——斷裂伸長率，%

l——試樣拉伸斷裂后的長度，mm

l0——試樣初始長度，mm

PE材料是一種典型的塑性材料，彈性屈服強度較低，受軸向載荷作用下含熱熔接頭的材料表現出與基材不同的性質。圖6和圖7分別為PE接頭的拉伸試樣和拉伸實驗圖。陽代軍等[27]分別對PE管道基材和熱熔焊接接頭進行了拉伸試驗，發現帶熱熔焊接接頭試樣的拉伸屈服強度比基材提高了21%（焊接溫度為210℃、焊接壓力為0.15 MPa、加熱時間為140 s）。造成這種變化的原因為在合適的焊接條件下，焊接區材料晶體發生重組，晶體尺寸和數量均增大，結晶度高于基材，分子鏈間作用力也隨之升高[28]。另一方面，帶接頭試樣的斷裂伸長率顯著低于基材試樣[29]，這是由于接頭附近的材料硬度和彈性模量高[30]、卷邊使橫截面積增大，導致帶接頭試樣拉伸過程中焊縫兩側只有一側發生了頸縮。

圖6 熱熔接頭拉伸試樣Fig.6 Tensile sample of hot melt joint

圖7 PE管熱熔接頭拉伸試驗Fig.7 Tensile test of hot melt joint of polyethylene pipe

與穩定的金屬材料不同，PE材料在不同試驗條件下表現出的力學性能有較大的差異。Tarek等[31]研究了應變速率（10～500 m/min）對PE管道基材和熱熔焊接接頭拉伸性能的影響，發現兩者的彈性模量和拉伸屈服強度隨應變速率的增大而增大，斷裂伸長率隨應變速率的增大而減小。閔文[32]采用不帶卷邊的改進熱熔接頭拉伸試樣，分別在5、10、20、50 mm/min的拉伸速率條件下進行試驗，發現50 mm/min速度下試樣幾乎沒有被拉長，斷裂形式為脆性斷裂，而其他速率條件下拉伸歷程曲線有明顯的塑性階段，發生了斷裂延伸。Shim等[33]基于同一個熱熔焊接管道進行取樣，研究了母材不同厚度內表面、中間部位和外表面以及軸向、環向的抗拉強度，同時比較了23℃和80℃下材料抗拉強度的變化。實驗證明管道內表面抗拉強度比外表面抗拉強度高，23℃下的抗拉強度高于80℃下的抗拉強度。

由此可見，熱熔焊接過后接頭的拉伸力學性能有了較大變化，抗拉能力有所提高。但在不同焊接條件下，接頭抗拉屈服強度的增幅不同，在不同試驗條件下試樣的斷裂形式也不同，因此不能僅采用拉伸性能來評估熱熔焊接接頭的可靠性。

2.3 裂紋擴展實驗

PE管道系統的使用壽命通常要求50年以上，為了驗證熱熔焊接后管道是否達到壽命要求，有學者對接頭進行了耐慢速裂紋增長實驗，來研究焊接后管道裂紋出現和擴展的時間變化。

李孝三和漆宗能[34]將裂紋擴展導致PE材料斷裂的過程分為裂紋慢速增長階段和快速增長階段，其中裂紋快速增長階段時間非常短，因此認為PE材料的使用壽命主要取決于裂紋慢速增長的時間。

Li等[35]采用裂紋圓棒（CRB）測試法，根據測量所得的裂紋張開位移CODmax和破壞時間，分別計算了PE100管道基材和熱熔焊接接頭的靜載下最大初始應力強度因子Kmax，相關公式如式（3）～（6）所示：

式中Fmax——最大加載載荷，N

b——試樣除去裂紋剩余部分半徑，mm

aini——初始裂紋長度，mm

d——試樣直徑，mm

研究表明熱熔接頭的Kmax比基材低6.7%，說明熱熔焊接降低了管道的強度和使用壽命。圖8為CRB試樣示意圖，圖9[35]為基材和焊接材料CRB試樣的斷面對比圖。該研究還對2種圓棒試樣的斷口進行了掃描電子顯微鏡掃描，結合CODmax的實驗數據發現熱焊接工藝對裂紋擴展機理影響不大，但焊接試件的后記循環持續時間明顯縮短，表明該類試件的抗裂紋擴展能力減弱。此外，使用SEM觀察發現接頭處存在許多孔洞，接頭試樣的纖維與基材相比也較短，這些也可能是導致接頭壽命縮短的原因。

圖8 裂紋圓棒（CRB）試樣Fig.8 CRB sample

圖9 基材和焊接材料CRB試樣斷面對比Fig.9 Comparison of CRB sample sections between base material and welding one

張建國等[36]也對PE管道熱熔焊接接頭的抗慢速裂紋擴展性能進行了測試，發現當Kmax一定時最大力和最小力的比值越大，試樣的疲勞裂紋速率越小，材料的疲勞壽命也就越大。此外，該研究還基于已有的疲勞裂紋擴展試驗數據，提出了一種PE100熱熔焊接接頭蠕變壽命預測模型，預測了50年靜載荷下熱熔接頭應力強度因子大小為0.555，具體公式如式（7）～（8）所示：

式中Y——指定使用年限

tf——失效時間，s

Krishnaswamy等[37]在賓夕法尼亞邊緣缺口試驗（PENT）[38]的試樣基礎上進行了改進，對比測試了PEHD4710基材和熱熔焊接接頭的慢速裂紋擴展性能，發現在2.76 MPa、80℃條件下基材的斷裂時間平均為900 h，斷裂形式為韌性斷裂，而接頭的斷裂時間平均為33.3 h，斷裂形式為脆性斷裂。研究還發現實驗溫度降低會減緩接頭的裂紋擴展速度，2.76 MPa、60℃試驗條件下接頭的斷裂時間為115 h。

與拉伸性能變化不同，熱熔焊接接頭的抗裂紋擴展能力顯著低于管道基材，因此裂紋擴展可能為導致熱熔焊接接頭失效的主要原因之一，實際工程操作中應盡量避免因操作環境不合格或操作不當而在焊縫附近產生裂紋。

綜上所述，僅采用一種實驗方法不足以表征熱熔接頭力學性能的可靠性，目前缺少一種更為全面的力學性能測試方法。建議對熱熔焊接PE管在多種環境條件下進行實驗測試，保證焊接接頭能滿足在復雜工況中安全使用的要求。

3 有限元模擬在熱熔焊接接頭評價中的應用

3.1 有限元模擬的理論模型

加工PE制品需要將固態的原料加熱至熔融態，再冷卻成型，整個過程經歷了固態-液態-固態的相變轉換，再加上聚合物獨有的長鏈結構，使PE材料對應力的響應兼有彈性固體和黏性流體的雙重特性，該特性稱為黏彈性。在對PE管道熱熔焊接進行有限元分析時，材料的屬性還會隨溫度場的變化而改變，因此相應的材料模式應選擇熱黏彈性。

Schmachtenberg 和 Schoeche[39]基于多個麥克斯韋模型提出了可預測PE-HD材料熱應力的模型。王建平等[40]對熱黏彈性本構方程進行了整理，并基于該本構關系對PE管熱熔焊接溫度場和應力場進行數值模擬，作如下假設：

（1）不計聚合物的結晶、取向和流動殘余應力，初始應力為零；

（2）聚合物為各向同性的熱流變簡單材料；（3）聚合物的應力應變值足夠小。

黏彈性本構方程表示如式（9）～（10）所示。

式中sij——應力偏量

eij——應變偏量

s——平均應力

e——體平均應變

G——松弛函數

eth——熱應變

ξ（t）——修正的時間標量

諸多學者基于上述熱黏彈性本構關系，模擬了PE管道熱熔焊接的溫度場和應力場，并與試驗測得數據進行了對比，驗證了該模型的可行性[40-42]。同時，該模型也適用于注塑件殘余應力的研究[43-44]。

非線性黏彈性本構方程通常適用于應變小于0.1的小變形，對于測量材料拉伸強度的單軸拉伸實驗，PE材料應變可達2.0以上，因此需要一種新的本構模型來表征PE材料的應力-應變關系。

Haward 和 Thackray[45]提出了一種可描述玻璃狀聚合物拉伸頸縮趨勢的力學模型，基于該模型，Argon[46]提出了真實應力與延伸率的關系方程。為了使本構關系表征更準確，G′Sell和 Jonas[47]采用經驗本構方程將應力-應變關系分為了彈性階段和硬化階段，Hutchinson和Neale[48]對該經驗方程進行了整理和修正。Neale和 Tugcu[49-51]采用胡克定律擬合應力-應變曲線，將頸縮前的非線性變形階段用修正后的Ogden公式[52]描述。Kwon[53]最終將以上本構方程整合用以描述PE材料的變形過程，表示如式（11）所示：

式中σ——等效應力

ε——等效應變

εy——線彈性到非線彈性的臨界應變點

εn——頸縮起始應點

εt——硬化起始應變點

a～e、α、k、N、M、β——擬合參數

根據上述本構方程，通過修改擬合參數，使數值模擬所得工程力-位移曲線與試驗所測曲線擬合，即可得到所需材料的本構模型。

此外，Sherwood 和 Frost[54]提出了一種適合 PEHD材料力學性能的經驗本構模型，馬賽爾等[55]基于該模型提出了PE-HD材料的拉伸本構模型，并通過試驗證明該模型所得應力-應變曲線與實驗曲線相吻合。趙興民等[56]基于拉伸試驗數據提出了一種可以擬合材料屈服前應力-應變曲線的非線性擬合本構模型，并基于該模型研究發現，PE-HD材料焊接接頭的彈性模量和屈服強度隨拉伸試驗的應變率增大而增大。

PE是典型的塑性材料，應力-應變關系相比于金屬材料更為復雜。開展PE材料本構關系研究，分析材料的力學性能變化，有助于建立準確的有限元模型。基于熱黏彈性本構關系建立的PE管道熱熔焊接模型，得到焊接溫度場和應力場，分析焊接過程中管道的熔融區和熱影響區分布以及焊接殘余應力分布，可以預測管道熱熔接頭的性能和使用壽命。

3.2 溫度場模擬

PE熱熔焊接過程中，管道的加熱和冷卻是至關重要的2個環節，加熱溫度的高低、加熱和冷卻時間的長短都會直接影響焊接區熱量的分布，進而影響焊接的質量。然而，管道焊接區溫度場的分布不能由熱熔焊接機直接測得，借助溫度探測儀也無法測量整個連續的溫度場。由于高分子材料具有獨特的結構，在加熱過程中涉及到玻璃態、高彈態和流動態多個相態的轉變，材料的性質也復雜多變，溫度場的理論計算也相對困難。因此，借助有限元軟件模擬整個焊接區溫度場，對于改善熱熔焊接加熱方式和加熱參數、提高焊接質量具有重要意義。

谷侃峰[41]使用ANSYS有限元模擬軟件，模擬了整個熱熔焊接過程中管道的溫度分布。他將預熱、加熱、切換和壓焊4個步驟分為了4個分析步，管道內壁和外壁采用了不同的對熱換流系數，材料的傳熱性質也通過等價比熱容法進行計算輸入。模擬發現，撤離熱源后，部分熱量由管壁內部傳至加熱面，導致加熱面的溫度還會短暫升高。此外，模擬所得溫度場中，材料溫度高于熔點的厚度值，與焊接試驗得到的溢邊大小相等。呂亞峰[42]也采用了相同的模擬方法，驗證了溫度場模擬的可行性。

Wa??sa等[57]建立了聚合物熱熔焊接的三維有限元模型，研究了聚氨酯和熱板兩者間接觸熱阻對傳熱效果的影響。模擬發現，接觸熱阻對聚合物材料的焊接區大小有顯著影響，為了使模擬結果更加貼近實際狀況，應采用合適的接觸熱阻，不能只采用單一熱源。模擬還發現，過長的加熱時間不能明顯增大熱影響區的熔融區，相比之下適當地提高加熱溫度能取得更好的效果。

研究表明，目前有限元軟件可以準確地模擬PE熱熔焊接的溫度場，得到的瞬態溫度場變化可用于分析焊接應力場和估算焊接接頭的質量，對于改善熱熔焊接參數、提高工程PE管焊接質量有重要指導作用。

3.3 焊接殘余應力模擬

PE在加工成管材的過程中，需要先加熱成熔融態，再放入模具中擠壓冷卻成型，如圖10[58]所示。當黏彈性聚合物冷卻成型時，內外壁冷卻速度不同、密度和體積不規則變化等情況會使管壁產生殘余應力。加工產生的殘余應力可分為流動殘余應力和熱殘余應力，其中熱殘余應力遠大于流動殘余應力[59]，因此微結構形態改變而產生的流動殘余應力在研究過程中忽略不計。

圖10 PE管道擠壓和冷卻成型的工藝流程Fig.10 Extrusion and cooling molding process of polyethylene pipe

殘余應力在管壁內部表現為拉應力，外部表現為壓應力[60]。殘余應力的存在，會加速管道內部裂紋的萌生和擴展，顯著降低了管道的使用壽命[61]。Podu?ka等[58，62]通過數值模擬和實驗相結合的方法，建立PE長條切割試樣并施加初始應力條件，使有限元模型的撓度與實驗相吻合，進而得到PE管的軸向殘余應力；該團隊還基于彎曲梁理論，通過單縫環切法測得了聚合物管的環向殘余應力，分布規律如圖11所示。

圖11 PE管道的環向殘余應力分布Fig.11 Distribution of circumferential residual stress in polyethylene pipe

PE管道經過熱熔焊接后，聚合物材料的屬性和結構再次發生了改變，殘余應力的分布也發生了一定的變化。王建平等[63]基于黏彈性本構模型建立了高密度PE管熱熔焊接接頭的應力場數值模型，計算表明該焊接殘余應力在接頭處近熱端環向應力表現為壓應力，遠端為拉應力，而軸向應力極小可忽略不計。由于管道外表面直接與外界空氣對流、冷卻速度快，且受焊接裝置固定約束，應力峰值略大于內表面，內外表面應力峰值都出現在焊縫附近。此外，該研究作者還通過切割法和盲孔法實測了管道焊縫的殘余應力，結果與模擬相吻合。Sun等[64]采用溫度場和殘余應力場耦合的數值模擬方法，計算發現PE管熱熔接頭的環向殘余應力遠大于徑向和軸向殘余應力，殘余應力分布為在管壁邊界為壓應力，管壁內部為拉應力。

焊接殘余應力的存在，可能加速接頭裂紋的擴展，成為管道失效的影響因素之一。因此，現場工程中應規范熱熔焊接操作流程、改善焊接參數和焊接設備，使PE材料在融化和冷卻過程中溫度分布均勻變化，以此降低焊接殘余應力對管道安全使用的危害。

3.4 焊縫材料屬性變化

熱熔焊接過后，焊縫及熱影響區材料的結晶度有所提高，彈性模量等力學特性也發生了改變。為了研究這一變化對管道使用的影響，?ev?ík等[65]利用ANSYS建立三維管道裂縫模型，模型中熱熔接頭處的材料屬性沿焊縫對稱分布，模型的彈性模量由焊縫向管道遠端遞減。對比發現，材料的不均勻分布會顯著提高管道的斷裂應力強度因子，增加了管道使用的危險性。Mikula等[66]分別建立了保留卷邊和去除卷邊的管道熱熔接頭模型，同樣也考慮了接頭處材料的不均勻分布。圖12為卷邊附近的裂紋擴展模擬，結果顯示焊縫材料的不均勻性使應力強度因子增加，在保留卷邊的情況下接頭因應力集中較容易產生環向裂紋，在去除卷邊的情況下軸向裂紋較易在焊縫處發生和擴展，應力強度因子高于未焊接管道。綜合考慮裂紋的擴展速率，保留卷邊相對更有益于管道壽命的延長。

圖12 卷邊附近的裂紋擴展模擬Fig.12 Finite element simulation of crack growth near the weld bead

通過實驗檢驗聚合物管道熱熔焊接接頭的可靠性，屬于破壞性檢驗方法，試驗后的管道無法再進行使用。而采用科學的有限元模擬方法評價熱熔接頭的可靠性，能直觀地分析接頭失效的過程和機理，節省了人力財力，可以考慮取代部分實驗檢測方法。

4 熱熔焊接接頭的無損檢測方法

4.1 超聲檢測技術

超聲檢測技術是最常用的無損檢測方法之一，該技術利用了超聲波在介質中傳播時會衰減和散射的特點，結合聲學原理和計算圖像處理技術，可以檢測到PE管道及接頭的結構缺陷，對PE熱熔焊接接頭的力學性能和可靠性進行評估。

超聲檢測技術主要包括超聲脈沖回波技術、超聲相控陣技術和超聲衍射時差技術[67]。其中，超聲脈沖回波檢測依靠超聲波遇阻反射原理對接頭進行檢測；超聲相控真檢測結合了惠更斯原理采用多聲束聚焦提高了聲能，檢測結果更加準確；超聲衍射時差檢測則是利用衍射波對缺陷進行檢測。表1列出了3種超聲檢測技術的優缺點，其中超聲相控陣檢測技術在PE管道熱熔焊接無損檢測中應用最為廣泛。

表1 超聲檢測方法對比Tab.1 Comparison of ultrasonic detection methods

XIA等[68]通過超聲波回波脈沖檢測技術，識別到了PE管道熱熔焊接接頭低溫、欠壓和含雜質等缺陷，檢測結果圖像如圖13所示。Mike和Fredrik[69]使用超聲波相控陣技術檢測了125～1 000 mm的PE管道，驗證了該技術可檢測接頭存在的雜質、孔洞和冷焊缺陷。施建峰等[70]也利用超聲相控陣檢測方法，檢測到了PE燃氣管道熱熔焊接接頭孔洞、裂紋和熔合面夾雜等缺陷。

圖13 不同焊接缺陷的超聲波檢測結果Fig.13 Ultrasonic detection results of different welding defects

雖然超聲檢測技術有諸多優勢，但也存在困難和挑戰。對于黏彈性材料特性的大尺寸PE管，聲衰減和頻散效應會隨著傳播距離的增加而累積，并且會發生嚴重的畸變，理想的波動方程無法準確描述實際的傳播規律。因此，建立適用于PE材料的相控陣聲場模型，準確預測長距離傳播過程中的聲壓分布，是發展PE管道超聲檢測技術的重要前提[71]。

4.2 微波檢測技術

微波檢測技術依靠微波在介質中傳播時可能產生的反射、穿透和散射等現象，缺陷可以看作是具有與周圍材料不同的介電常數的介質，通過測量微波的幅值、相位和頻率等信號來檢測熱熔接頭可能存在的缺陷[69]。與超聲檢測相比該技術操作簡單，不需要使用耦合劑使設備和試樣接觸，受微波靈敏度的限制，其靈敏度與檢測精度相比較低。

Robert和Jack[72]驗證了微波技術可以通過圖像后處理區分PE管道基材和熱影響區材料。祝新偉等[73-74]使用微波掃描法檢測到了PE管道熱熔接頭裂縫、過壓和冷焊缺陷，驗證了該技術對熱熔接頭缺陷檢測的可行性。Ken和David[75]基于低壓微波成像技術開發了一種新的無損檢測（NDT）技術，可用來檢測熱熔接頭的雜質和冷焊缺陷，并使用拉伸實驗驗證了缺陷的存在。

4.3 其他檢測技術

除了上述2種無損檢測方法，適用于壓力管道可靠性檢測的還有射線檢測技術和紅外熱成像技術。其中，射線檢測技術是利用了高能量射線優秀的穿透能力，缺陷在射線檢測結果圖像中顏色與周圍區域存在明顯差異，以此可以來檢測缺陷的類型和位置；紅外熱成像技術是對檢測區域施加熱激勵，再利用紅外熱傳感器檢測物體中熱量傳播情況來判斷缺陷的類型和位置。

射線檢測技術無法檢測平行于檢測面的裂紋缺陷，且射線有較高的放射性，在實際操作中要求進行輻射防護，操作相對復雜；紅外熱成像技術由于需要施加熱激勵，無法檢測常溫下的在服役PE管道。綜上所述，超聲檢測技術和微波檢測技術相對更適用于PE管道熱熔接頭可靠性的無損檢測。

5 PE管道熱熔焊接連接技術的應用和前景

PE管道目前不僅普遍應用于天然氣和自來水的運輸，在礦業、通信和核工業等領域也得到了廣泛使用。管道之間的連接是影響整個系統結構完整性和持久性的重要因素，隨著PE等塑料管道應用的不斷擴展和深入，塑料壓力管道連接的安全性也逐漸引起人們重視。熱熔焊接方法因其高質量、高效率的優勢，目前廣泛應用于PE、聚丙烯和聚丁烯等塑料壓力管道的連接已達60余年[76]。

為了滿足塑料壓力管道的連接要求，熱熔焊接技術也向著自動化、智能化的方向發展。隨著機械制造技術和計算機數字控制技術的進步，熱熔焊接機也在不斷更新和升級，全自動熱熔焊機逐漸走進人們的視野。相比于傳統的手動和半自動熱熔焊接機，全自動熱熔焊接機控制精度高，焊接工藝參數使用更為精確，人工操作環節也少，避免了人為因素導致焊接缺陷的發生。研究明確不同PE管材的最佳焊接工藝參數組合，在工程中使用全自動熱熔焊接機進行焊接操作，可以減少管道系統連接的工作時間，顯著提高焊接質量和系統整體的可靠性。

PE等塑料管道相比于傳統的金屬壓力管道具有質量小、價格低廉、耐磨損、耐腐蝕和耐絕緣等特點，在某些領域“以塑代剛”成為一種發展趨勢，大口徑、厚管壁和高壓力也成為了塑料壓力管道的發展要求。熱熔焊接更適用于大口徑管道的焊接，技術的發展將面臨更多的機遇和挑戰。充分開展塑料焊接理論研究，完善焊接操作規范和質量控制體系，有助于促進我國塑料壓力管道的廣泛應用和國民經濟的快速發展。

6 結語

熱熔焊接方法在PE等塑料壓力管道領域有著廣泛的應用和廣闊的前景?，F行熱熔焊接相關標準詳細規定了焊接的操作流程和注意事項，但只給出了焊接參數選取的參考范圍，焊接參數部分仍尚不完整。采用同一組參數進行熱熔焊接，不同等級、不同尺寸的PE管道熱熔接頭也會表現出不同的力學性能。研究焊接參數對熱熔接頭可靠性的影響、探究PE管道具體型號的最佳參數組合，并建立全面、系統的熱熔焊接參數選取標準，有利于提高焊接接頭和PE管道整體的可靠性。

現行標準對熱熔接頭力學性能測試的規定尚不完整，目前適用于塑料材料的測試標準中，只用拉伸實驗相關標準針對目標為PE管道熱熔接頭。熱熔接頭僅靠一種破壞性實驗無法完成可靠性評價，需要建立一種全面、可靠的測試方法和相關標準，以期能夠快速、準確地判斷接頭質量。有限元模擬技術已可以完整地模擬焊接過程，所得溫度場和應力場結果與實驗結果較為吻合，可以一定程度上代替實驗評估焊接管道的使用壽命。

熱熔接頭無損檢測方面已取得較好成績，超聲檢測技術和微波檢測技術可以測得接頭的孔洞、雜質和冷焊等缺陷，并能夠進行快速定位。目前無損檢測技術仍處在快速發展階段，可視化、自動化和智能化是其未來的發展方向。期待開發商業化的無損檢測設備，并建立PE管道無損檢測相關流程和標準，對于熱熔焊接質量的評估具有重要意義。