PE管热熔焊接接头假焊缺陷分析

PE管热熔焊接接头假焊缺陷分析

邵振宇

温州市特种设备检测研究院，浙江温州325028

摘要：PE管线具有易施工，速度快，耐腐蚀，无污染，使用寿命长等特点。PE管道连接主要有两种方法：热熔连接和电熔连接。目前主管道主要采用热熔连接。焊接检验实践证明，聚乙烯燃气管道最容易损坏和泄露的部位，就是管道接口。工程成功与失败的关键就是管道连接质量的好坏。所以焊接接头质量验收对地下燃气管道工程十分重要。

关键词：PE管线；热熔焊接；粘流态；

1.概况：

在一次埋地燃气管道安装工程的监督检验中，发现某一牌子的一批规格为φ110×10PE80的埋地燃气用聚乙烯管材的热熔焊接接头存在严重的焊接缺陷。经检查九个焊接接头，其中有四个焊接接头存在假焊现象。该市政中压燃气管道工程设计压力：0.4MPa；设计温度：常温；使用介质：天然气。该九个焊接接头焊好后经外观检查和0.6MPa压力试验均符合要求。由于该段管道要进行定向钻拉管作业，根据规定要求，在定向钻拉管作业前进行100%翻边切除检验。采用的翻边切除设备是手工机械式的，翻边切除前在用榔头将翻边切除设备的切口敲入焊口翻边内的过程中发现有四个焊接接头对接部位发生断裂，断口除翻边外侧1.5mm圆环区域内有融合现象外，其余部位平整、光滑、没发现融合后拉伸的现象，属于典型的假焊痕迹。

2.热熔焊接原理：

热熔焊接是焊接部件表面与热板接触，在加热超过其熔融温度Tm（高密度HDPETm=130-137℃）后，变成粘滞的流体，将熔融的表面压在一起，聚合物分子在热及压力的作用下运动，相互穿插盘绕，产生范德华作用力，冷却后形成坚固的焊接面，分子之间没有产生化学连接键，焊接强度取决于焊接面之间的相互穿插盘绕程度。如图1所示。

热熔对接的连接界面是平面，其方法是将两两相同的连接界面用热板加热到粘流态后，移开热板，再给连接界面施加一定压力，并在此压力状态下冷却固化，形成牢固的连接。其主要工艺过程为调整、加热、切换、合缝加压和冷却。

对接时界面上处于粘流态的材料有流动也有扩散。流动太大不利于扩散和缠结，所以要把流动限制一定范围，在有限的流动中实现“熔后焊接”。因此，对接工艺的关键是要在对接过程中调整好温度、时间、压力三参数，要把连接界面材料的性能、应力状况、几何形态以及环境条件等因素一起考虑，才能实现可靠的熔焊，要根据一般的规律和各自采用材料的特性进行试验，评价熔接质量，达到系统标准后，确定各品种规格的工艺规程，按规定的工艺参数方法和步骤进行焊制管件的生产和现场安装施工。

影响热熔对接焊接头性能因素较多，主要有以下几个：

（1）焊接压力和施压速度

焊接压力和施压速度影响管道间结合的紧密程度、熔化的塑料熔体在接头区域内的流动特性以及熔体受压流出接头表面形成的熔化凸缘或熔环的形状和尺寸。在接头区域的熔体流动产生了剪切作用，并且最大的剪切作用发生在塑化区域与固体交界的界面上，受剪切力的作用大分子链沿流动方向产生取向排布，温度降到熔化温度以下后，取向状态被冻结起来。冻结在焊接接头内的分子取向，导致焊接管道破坏时的断裂位置经常出现在塑化区域与固体的交界处，而不是在焊接接头的中心。为降低取向作用产生的不良影响，应使用较低的焊接压力或缓慢施加焊接压力。

（2）焊接温度和焊接时间

当加热板温度低，塑料加热不够时，自粘力的粘结强度较小，在焊缝中便会出现未焊透，特别是聚乙烯，温度太低，即使在熔化时间相当长的情况下也不可能取得质量好的焊接接头。随着加热板温度的提高，焊接接头的强度就开始提高而达到最大，如果加热板温度太高塑料将发生热氧化破坏，随之析出挥发性产物。即使在接触压力非常大的情况下，也无法把气孔全部压至外面，而部分仍会留存在焊缝内使结构的抗脆性破坏下降。加热时间是焊接过程的重要参数，它与加热板温度一起共同决定着管道内的温度分布，决定着产生工艺缺陷的可能性及缺陷的形状和结构，决定状焊缝材料产生的应力状态。当加热温度不够时，接触的边界就不消失，会出现未焊透，同时加热时间过长则可能产生聚合材料的热氧化破坏，增加熔融材料的熔环，把管道的通径截面盖住，并会增加应力分布的不均性。同时会增大对接面的“月牙形”弯曲，从而造成聚集气孔的危险。

（3）焊接环境条件的影响

焊接现场的温度和风速对焊接过程的热传递有很大的影响，不同的环境温度和环境风速，加热过程中热量损失不同，因此在低温或风速大的环境中焊接时应适当增加加热时间。如果环境温度过低或有风、有雨，必须设置防护栅。

3.产生缺陷原因分析

由以上热熔焊接原理可知，产生假焊的原因可能有：因管端面被污染和接头表面氧化，使焊接时间过长；或热板温度过低造成冷料，使界面分子交换不足；或过高的焊接压力或焊接温度，使熔融料多数被挤出等。

由于该施工单位和管材生产厂家已生产好几年，其热熔焊接接头质量一直符合要求，检查施工单位施工记录，其操作参数也未发生变化，加上现场施焊工人反映在操作时有“冒烟”现象，怀疑可能是加热时间过短、加热温度过高所致。因此我们首先对该批φ110×10PE80的埋地燃气用聚乙烯管材进行检测，经测定，发现该批管材的挥发分含量为521mg/kg，远大于该管材生产厂家以前生产的管材（挥发分一般在300～400mg/kg）。在进行热熔焊接施工时，由于焊接接头处挥发分过多，使热板与管端面接触不良，同时挥发分多带走热量也多，从而在同样的工艺条件下造成冷料，使界面分子交换不足产生假焊。

4.处理结果和建议

因为生产的原因，使该批φ110×10PE80的埋地燃气用聚乙烯管材挥发分含量过高，与原有的焊接工艺不匹配，从而导致热熔焊接接头假焊缺陷的产生。为防止热熔焊接接头产生假焊缺陷，应以该批管材为原材料重新进行热熔焊接工艺评定，经评定合格后重新确定热熔焊接工艺参数，施工单位严格按新的热熔焊接参数进行焊接。

采用新的热熔焊接工艺参数后，该批管材热熔焊接接头经100%翻边切除检验和破坏性抽查检验均符合要求。

参考文献：

[1]林宝清，张伟等.聚乙烯压力管道热板焊接方法[J].塑料科技，2003（2）

[2]李子臣.PE管管材性能探讨[J].价值工程，2011，（第34期）

[3]王惠民，益小苏等.聚乙烯塑料管道焊接性能的研究[J].现代塑料加工应用，1991（1）

[4]CJJ63-2008聚乙烯燃气管道工程技术规程[S]