含工艺缺陷聚乙烯管道热熔焊接接头综合性能评价方法探究

[摘 要]城镇燃气管线大多穿越人口密集区，其安危直接关系到千家万户的人身和财产安全，应用中对其管材的要求也更为严格。聚乙烯管道被广泛应用于燃气输送，然而接头质量的好坏直接关系到整个系统的安危，因此，本文通过力学性能试验及环境扫描电镜试验探讨对含工艺缺陷热熔焊接接头进行综合性能研究的方法。

[关键词]聚乙烯管道，工艺缺陷，性能，评价

中图分类号：TH131. 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0044-01

0 引言

聚乙烯管道凭借其良好的耐腐蚀性能、优越的机械性能、优良的焊接性能及较长的使用寿命自20世纪50年代开始在城镇燃气输送过程中得到广泛应用。随着服役年限的增长，应用领域的增大，PE燃气管道暴露出的安全问题愈加突出，但目前国内外尚无一种准确可靠的聚乙烯管无损检测方法，为保障城市燃气管网的安全运行，亟需开拓新的检测技术领域[1]。

热熔焊接是聚乙烯管道的主要连接方式之一，热熔接头的性能检测直接关系到整个燃气系统的安危。由于环境、人为因素以及操作工艺等影响，PE管道热熔焊接过程中容易产生过焊、冷焊、焊缝过短等缺陷，造成热熔接头处强度不达标；同时有实践表明，焊接接头是整个PE燃气管道最薄弱的环节[2]。因此，本文旨在通过拉伸、冲击性能试验，并结合环境扫描电镜等实验设备，研究PE管道热熔焊接接头综合性能，包括断面失效形式和组织分析，建立基于焊接缺陷表征及剩余强度评价的聚乙烯燃气管道安全评价体系。

1 热熔焊接接头工艺缺陷分类

工艺缺陷是指由于焊接工艺选取不当或是操作不当等原因引起的焊接接头性能的削弱。工艺缺陷的显著特征为，从剖面上观测，焊缝熔合区均匀致密、无任何夹杂物，最终的失效形式与正常接头基本相似，多数为韧性断裂，但是严重冷焊的接头会出现熔合面的脆性断裂。工艺缺陷对热熔焊接接头力学性能具有严重影响[3]。

根据成因、性质和特征可将工艺缺陷分为四种：冷焊、过焊、焊缝过短、不对中。

2 热熔焊接接头缺陷研究方法

由于缺乏专用的试验方法，聚乙烯管道热熔焊接接头力学性能试验通常是按照管材试验方法进行的，主要有拉伸试验、冲击试验和长期性能试验（静液压试验、NPT试验、PENT试验、FNCT试验）等，由于实验器材及材料限制，本文只针对PE100-SDR11-DN110管材进行拉伸、冲击试验。

2.1 拉伸试验

聚乙烯热熔焊接接头具有内外卷边，但是卷边是否会对试验结果造成影响，需要进行更进一步试验研究。为确定卷边对试样拉伸性能的影响，本文对不同卷边情况的试样进行了拉伸试验研究，分别考察热熔焊接接头试样卷边对拉伸历程曲线、拉伸强度和断裂失效形式的影响。

一、试验原理

将试样加工成带内外卷边（1号）、仅带内卷边（2号）、仅带外卷边（3号）和不带卷边（4号）四种试样，通过拉伸屈服强度、断裂伸长率、断口位置这三个考察指标，对含工艺缺陷热熔焊接接头拉伸性能进行分析。

试验采用美国进口、型号为MTS810、最大拉力为25t的拉伸试验机，参照GB/T 8804-1 《热塑性塑料管材拉伸性能测定第1部分 试验方法总则》，GB/T 8804-3《热塑性塑料管材拉伸性能测定第3部分 聚烯烃管材》，试验温度控制在23±2℃。

二、试验结果

1号拉伸试样断裂过程为：焊缝一侧管材被拉伸后强化，强化区域逐渐向焊缝的另外一侧扩展。但是扩展到卷边附近时便被阻滞，然后在凹槽尖端区域开始出现韧性断裂，最终导致试样断裂失效。

2号拉伸试样断口位置同样位于焊缝附近，其断裂过程为：试样被拉伸后焊缝一侧的管材先被拉伸强化，然后另外一侧的管材被拉伸强化，最后在试样焊缝附近处断裂。但是仍有试样单边拉伸后便在焊缝附近韧性断裂。

3号拉伸试样断裂情况与2号拉伸试样基本相同，断口位置同样位于焊缝附近区域。但是该类试样的断裂变形主要存在两种形式：1、多数为单侧拉伸后在焊缝附近韧性断裂；2、少数试样与2号拉伸试样相同。3号拉伸试样的断裂伸长率平均值要低于2号拉伸试样。

4号拉伸试样的断裂位置位于焊缝区域，断裂过程为：焊缝一侧管材先被拉伸，然后变形开始向两侧扩展，最后试样在焊缝区域发生明显脆断现象。其断口参差不齐，是由于断裂不是发生在同一分界面上，而是在焊缝及其与管材的两边分界面上均存在部分断裂，从而导致断口不平整。

2.2 冲击断口电镜扫描试验

一、试验原理

本次试验应用ZBC2302-D摆锤冲击试验机，以一定速度（5～5.5m/s）冲击试样，将冲击断裂后的PE材料切割为边长约1cm的正方体，对边角进行打磨烘干，放入镀膜机内镀一层金膜，之后将其放入载物台并用导电胶将其固定并装入环境扫描电镜机箱进行照片采集。应用Quanta 450环境扫描电子显微镜，针对冷焊和过焊两种引起工艺缺陷的原因，对温度这一影响因素造成的PE管材热熔接头缺陷进行微观分析。

1号正常接头焊接温度：220℃；2号冷焊接头焊接温度：171℃；3号过焊接头焊接温度：260℃。

二、试验结果

1号试样（正常温度焊接）扫描图像分布均匀，呈片状，无成球的凝结，说明焊接温度正好，成型均匀；2号试样（冷焊）扫描图像局部地区出现明显条纹状，条纹平行排列，接头处没有多余粘结，说明温度较低，尚未完全熔接在一起；3号试样（过焊）扫描图像呈网格状均匀分布，网格内出现凝结球，球与周围介质呈丝状连结，说明温度较高，两段材料过于充分熔接在了一起，使得周围力学性能薄弱。

根据以上三组试验，分析得到，在焊接压力一定的情况下，管件熔接吸热的多少将直接影响焊接质量，温度过低，分子之间结合度较差；温度过高，过高的结合度致使力学性能下降，因此熔接温度按照规范要求控制在220℃是最为适当的。

3 结论

以上实验结果表明，冷焊、过焊、卷边等工艺缺陷会对PE管道热熔焊接接头的综合性能产生较大影响，因此在实际生产中，应当注意对焊接温度及焊口形状的控制，以保证燃气管道的强度，保障燃气管网的安全。同时，拉伸试验可以作为聚乙烯管道热熔焊接接头的力学性能检测方法，环境电镜扫描技术可以作为聚乙烯管道热熔焊接接头微观组织分析的检测方法，以上两种技术相结合的方法可以为聚乙烯管道热熔接头综合性能的检测提供参考。

参考文献

[1] 刘贺明.中国城市燃气面临的形势和发展的措施[J].城市燃气，2002，325（3）：9-12.

[2] 张丽凤.常用几种塑料管材的特性分析[J].包钢科技，2008，34（1）：94-95.

[3] 高立新.聚乙烯压力管道连接与熔接接头质量检查[f].特种结构，2005，22（3）：21-25.