上海亞大塑料制品有限公司 劉旭東 劉偉

0 前言

焊口質(zhì)量問(wèn)題一直是聚乙烯管網(wǎng)質(zhì)量安全的短板，是工程管理的重點(diǎn)。在施工時(shí)還會(huì)遇到原材料、生產(chǎn)廠家不同的管材和管件，這些存在差異的管道元件之間是否可以進(jìn)行安全的焊接呢？這個(gè)問(wèn)題一直是聚乙烯行業(yè)工程管理人員一直關(guān)心的問(wèn)題。

1 存在差異的三種情況

聚乙烯管網(wǎng)焊接中，差異性管道元件焊接的情況，主要有三種：

(1)原材料生產(chǎn)廠家不同：所焊接管道元件是分別由不同化工廠生產(chǎn)的同級(jí)別或不同級(jí)別原材料生產(chǎn)的產(chǎn)品。

(2)原材料壓力等級(jí)不同：待焊管道元件所用原材料壓力等級(jí)不同，即PE80級(jí)與PE100級(jí)元件之間進(jìn)行焊接。

(3)管道元件生產(chǎn)廠家不同：進(jìn)行熱熔對(duì)接焊接或電熔焊接的管材或管件為不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)。

上述三種情況的聚乙烯元件焊接，焊接質(zhì)量無(wú)法用常規(guī)檢測(cè)辦法控制，并可能在焊口處存在焊接殘余應(yīng)力，成為聚乙烯管網(wǎng)中的不可靠焊口。

2 差異性元件焊接相關(guān)規(guī)定

針對(duì)存在差異性的PE管道元件焊接問(wèn)題，為保證焊接質(zhì)量，有些國(guó)家(如法國(guó)和英國(guó))制定了技術(shù)法規(guī)，允許電熔焊接，而絕對(duì)禁止了 PE80與PE100管材使用熱熔對(duì)接焊接。

我國(guó)也在《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》(CJJ 63—2008)中做了相關(guān)規(guī)定：聚乙烯管道系統(tǒng)連接時(shí)，“不同級(jí)別和熔體質(zhì)量流動(dòng)速率差值不小于0.5 g/10min(190℃，5kg)的聚乙烯原料制造的管材、管件和管道附屬設(shè)備，以及焊接端部標(biāo)準(zhǔn)尺寸比(SDR)不同的聚乙烯燃?xì)夤艿肋B接時(shí)，必須采用電熔連接?！?/p>

同時(shí)，在《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》(TSG 2002—2006)中也要求：“管道元件制造單位和管道安裝單位進(jìn)行熱熔對(duì)接焊接，有以下情況時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定：……(二)不同原材料級(jí)別(例如PE80與PE100)的管道元件互焊；(三)同一原材料級(jí)別的管道元件，熔體質(zhì)量流動(dòng)速率(MFR)差值大于0.5g/10min(190℃，5kg)；……”。

《埋地用燃?xì)饩垡蚁┕懿?PE)—公制—系列規(guī)范》(ISO 4437:2007)中第4.6款“對(duì)接熔接接頭的熔接兼容性”中明確提出：“為進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用適用性評(píng)價(jià)，符合本國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的管材應(yīng)通過(guò)對(duì)接熔接方式互相驗(yàn)證兼容性。”

由我國(guó)國(guó)內(nèi)一些大型燃?xì)馄髽I(yè)組成的燃?xì)馄髽I(yè)聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)質(zhì)量控制合作小組制定的《產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)要求 第1部分：燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕懿摹?G5+PE001.1—2008)中，對(duì)管材的熔接兼容性也規(guī)定了“采用不同牌號(hào)混配料制造的聚乙烯管材應(yīng)通過(guò)熱熔對(duì)接方式相互驗(yàn)證兼容性。”

從幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來(lái)看，焊接管道元件存在的差異對(duì)焊接質(zhì)量影響很大，其中，電熔焊接由于焊接區(qū)域及焊口結(jié)構(gòu)原因，焊口相對(duì)比較安全，而在熱熔對(duì)接焊接中，這種差異性的影響更大，應(yīng)非常謹(jǐn)慎的選用。

3 焊接兼容性情況分析

聚乙烯是一種非線性熱塑性塑料，當(dāng)溫度升高至黏流溫度后，材料變成黏流狀態(tài)，結(jié)晶度下降，分子運(yùn)動(dòng)能力增加。此時(shí)，將兩焊接元件緊密貼合，在一定壓力作用下，使其分子間進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)并纏繞。經(jīng)過(guò)一定冷卻時(shí)間，溫度逐漸下降，結(jié)晶度回復(fù)，形成一個(gè)嚴(yán)密可靠的焊口。這就是聚乙烯管道的焊接原理。

由此焊接原理可以看出：原材料在同一熔融溫度下達(dá)到黏流態(tài)時(shí)的流動(dòng)性——熔體質(zhì)量流動(dòng)速率(MFR)，對(duì)焊接起著主要的影響作用，是我們制定焊接工藝的主要依據(jù)，決定了差異性聚乙烯管道元件焊接是否安全可靠。

目前，我國(guó)燃?xì)饧敖o水行業(yè)經(jīng)常采用的聚乙烯混配料主要有PE80和PE100兩種。我們選取國(guó)內(nèi)使用較多的兩個(gè)原料廠家的 4種原材料(表 1)進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較，其中同廠家不同級(jí)別的MFR值分別相差0.60 g/10min和0.62 g/10min，占其材料MFR值的67.4%~240%，不同廠家同級(jí)別MFR值之差值分別為0.07 g/min~0.05 g/10min，占其材料MFR值的8%至20%，而不同廠家不同級(jí)別的原材料 MFR值最大達(dá)到0.55 g/10min~0.67 g/10mim，差值最大分別占其材料MFR值的268%和72.8%。這些數(shù)據(jù)，雖然不能覆蓋所有原材料之間的差異，但充分表明了不同聚乙烯原料之間MFR值的差異是存在的而且很大。

表1 熔體質(zhì)量流動(dòng)速率比較(190℃，5kg)

而同種原材料由于不同管道元件生產(chǎn)商生產(chǎn)技術(shù)水平、工藝和設(shè)備的差別，造成在同種原材料最終產(chǎn)品MFR值存在差異的情況，我國(guó)《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng)》(GB 15558—2008)系列標(biāo)準(zhǔn)的管道、管件部分明確規(guī)定管材管件在加工前后熔體質(zhì)量流動(dòng)速率變化要求小于混配料標(biāo)稱值的20%，以此保證材料的MFR值生產(chǎn)前后的變化不影響產(chǎn)品的性能和使用壽命，同時(shí)縮小不同元件生產(chǎn)商產(chǎn)品之間焊接差異性，提高焊接可靠性。

筆者對(duì)使用德國(guó)巴頓菲爾德(BATTENFELD)擠出生產(chǎn)線生產(chǎn)的33批32 mm至315 mm口徑PE80和PE100管道原材料在生產(chǎn)前后的MFR值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其變化一般保持在-3%~7%。由同廠家、設(shè)備、工藝生產(chǎn)的管材MFR值的差異值，我們可以推斷，不同廠家生產(chǎn)的管材MFR變化將更大，極限情況下，這種差異將達(dá)到 40%，這無(wú)疑對(duì)焊接質(zhì)量是有影響的。

綜上所述，在聚乙烯原材料及產(chǎn)品MFR值之間的差異性情況分析中，不同廠家不同級(jí)別原材料生產(chǎn)的管道元件MFR值差異最大，對(duì)焊接安全影響也最突出。如果此類(lèi)管道元件可以實(shí)現(xiàn)焊接兼容，可判定差異管道元件焊接是可行的。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)差異性PE管道元件熱熔和電熔混合焊接的實(shí)驗(yàn)將為我們提供證據(jù)。

為了嚴(yán)格檢測(cè)焊口質(zhì)量，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的說(shuō)服力，實(shí)驗(yàn)分別采用了德國(guó)焊接協(xié)會(huì)制定的DVS 2207-1焊接標(biāo)準(zhǔn)和DVS 2204-3實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)提供了詳盡的操作步驟以及焊接和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，被世界標(biāo)準(zhǔn)化組織及很多國(guó)家借鑒和采用。

4.1 熱熔對(duì)接混合焊接實(shí)驗(yàn)

熱熔對(duì)接焊接實(shí)驗(yàn)選用4種不同牌號(hào)的PE100級(jí)聚乙烯和4種不同的PE80級(jí)聚乙烯原材料生產(chǎn)的DN110×10 mm管材。

焊接完成后的熱熔焊口試樣，浸泡在95℃的表面活性劑溶液中，在3.2 MPa拉力下進(jìn)行拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：所有焊接式樣均符合要求，試條斷裂位置出現(xiàn)在強(qiáng)度較薄弱的PE80管材靠近焊縫一側(cè)，而在焊縫區(qū)域均未出現(xiàn)斷裂情況。

圖1 拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)示意

4.2 電熔承插混合焊接實(shí)驗(yàn)

為了保證實(shí)驗(yàn)的代表性，所用管件采用了4個(gè)廠家生產(chǎn)的PE100級(jí)聚乙烯和中密度PE80聚乙烯原材料生產(chǎn)的管件，而管材采用的DN160×14.6mm的管材也使用 4種不同廠家的原材料生產(chǎn)，包括PE100、高密度PE80、中密度聚乙烯。管材與管件按照管材/管件/管材的形式進(jìn)行組合焊接，焊接制作了67種不同組合共134個(gè)焊接試樣，并分別進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)和靜液壓實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)有世界9家企業(yè)和組織參加，其中包括世界主要的原材料供應(yīng)商和聚乙烯管道元件生產(chǎn)企業(yè)。為使實(shí)驗(yàn)效果更直觀，實(shí)驗(yàn)至試樣發(fā)生破壞或者10 000小時(shí)為破壞以上為止(靜液壓實(shí)驗(yàn)及破壞結(jié)果見(jiàn)表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所有試樣未在焊接區(qū)域出現(xiàn)破裂，破裂位置都出現(xiàn)在管材或管件本身上。并且靜液壓實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，均滿足并超過(guò)了歐洲標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)《流體輸送用熱塑性塑料管材 耐內(nèi)壓試驗(yàn)方法》(GB/T 6111—2003)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的80 ℃165小時(shí)PE80 4.6 MPa以及PE100 5.5 MPa的實(shí)驗(yàn)要求。

由以上實(shí)驗(yàn)表明不同級(jí)別、不同原材料、不同元件廠家生產(chǎn)的聚乙烯原材料生產(chǎn)的管材在熱熔對(duì)接和電熔焊接中可相互兼容，進(jìn)行混合焊接。

5 實(shí)際使用中的建議

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，差異性聚乙烯管道元件在對(duì)接焊接和電熔焊接中可以相互兼容，進(jìn)行混合焊接，并且焊口質(zhì)量通過(guò)了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。但是值得注意的是，在聚乙烯管道現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于管道熱熔及電熔焊接受到焊接設(shè)備、操作環(huán)境以及操作人員熟練程度、焊接工藝執(zhí)行情況等因素的影響，不同焊口之間會(huì)有較大差異，尤其對(duì)于差異性聚乙烯管道元件這種情況將會(huì)成倍放大，無(wú)法保證焊口質(zhì)量的連續(xù)性和可控性。并且，由于目前世界上沒(méi)有有效的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的焊接質(zhì)量檢測(cè)，僅能通過(guò)焊口外觀的檢測(cè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制。而差異性聚乙烯管道元件焊接后，往往焊口翻邊不對(duì)稱，無(wú)法依照現(xiàn)有檢測(cè)手段判斷焊口質(zhì)量。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的是，本文所涉及到的原材料均為聚乙烯管道混配料，均經(jīng)過(guò)聚乙烯壓力等級(jí)評(píng)定的 PE80(中密度或高密度)、PE100原材料，對(duì)于非混配料生產(chǎn)(如“白加黑”管道元件)及未進(jìn)行等級(jí)評(píng)定的原材料是不能涵蓋的。

所以筆者建議，對(duì)差異性聚乙烯管道元件的焊接施工，應(yīng)首選比較安全的電熔焊接方式；必須使用熱熔對(duì)接焊接時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的焊接工藝、焊接操作人員、設(shè)備等各項(xiàng)因素進(jìn)行工藝評(píng)定，以充分保證焊接質(zhì)量。