王謙

（上海華誼建設(shè)有限公司)

聚乙烯管道電熔焊焊接缺陷及焊接質(zhì)量影響因素分析

王謙*

（上海華誼建設(shè)有限公司)

分析了聚乙烯管道電熔焊的缺陷類型和影響電熔焊質(zhì)量的因素，提出了控制聚乙烯管道電熔焊質(zhì)量的措施。

管道 電熔焊 聚乙烯 焊接缺陷 焊接質(zhì)量

20世紀(jì)50年代以后，隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，塑料制品種類不斷增多。作為一種新型的工程材料，塑料管以其特有的優(yōu)勢(shì)，受到了管道工程界的廣泛重視和開(kāi)發(fā)研究，在原料合成生產(chǎn)、管子管件制造技術(shù)、設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)等方面得到了很大發(fā)展。目前，塑料管在管道工程中占據(jù)了相當(dāng)重要的位置，形成了一種不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)。聚乙烯（PE）管道的焊接質(zhì)量，很大程度上與所選用的接頭結(jié)構(gòu)和焊接裝配工藝有關(guān)。目前聚乙烯管道的連接普遍采用不可拆卸的焊接接頭。聚乙烯管焊接原理雖簡(jiǎn)單，但影響焊接質(zhì)量的因素卻很多，某一環(huán)節(jié)控制不嚴(yán)，即會(huì)影響焊接質(zhì)量。要保證聚乙烯管道焊口的質(zhì)量，就必須在整個(gè)焊接過(guò)程中按照評(píng)定合格的焊接工藝進(jìn)行操作。

選擇最佳的焊接工藝和接頭結(jié)構(gòu)，制定出控制接頭質(zhì)量的方法，研究缺陷對(duì)接頭質(zhì)量的影響，進(jìn)行管道電熔焊的缺陷分析，以及施工過(guò)程中加強(qiáng)焊接工藝控制等，對(duì)管道安裝質(zhì)量都是非常重要的。

1 聚乙烯管道電熔焊的缺陷分析

電熔焊焊接接頭的缺陷包括冷焊、過(guò)焊、未熔合、錯(cuò)位、氣泡、空洞、夾雜及金屬絲錯(cuò)位等。根據(jù)聚乙烯電熔焊接頭缺陷的成因、特征及其引起的失效形式，可將電熔焊焊接缺陷分為以下幾類：熔合面缺陷、孔洞、金屬絲錯(cuò)位和冷焊等。

（1）熔合面缺陷

熔合面缺陷出現(xiàn)在熔合界面上，即出現(xiàn)在套筒內(nèi)壁與管材外壁的結(jié)合面上。熔合面缺陷主要包括未熔合、夾雜等，該類缺陷屬于面積型缺陷，見(jiàn)圖1。

未熔合主要是指管件內(nèi)壁與管子外壁間出現(xiàn)沒(méi)有完全熔合在一起的現(xiàn)象，此時(shí)管件內(nèi)壁與管子外壁間存在間隙。

圖1 未熔合剖面

造成熔合面缺陷的主要原因有：焊接時(shí)間不足或焊接功率偏小引起的接頭受熱不足；材料尺寸偏差引起的管件與管子配合間隙過(guò)大，導(dǎo)致管件內(nèi)壁與管子外壁無(wú)法接觸；管件內(nèi)壁與管子外壁在焊接前粘有雜質(zhì)；管子外壁氧化皮未清理干凈等。

要避免熔合面缺陷，就應(yīng)保證接頭焊接時(shí)有足夠的焊接熱量，在工地施工中，應(yīng)避免出現(xiàn)管子與管件配合間隙過(guò)大以及焊接面夾雜污物等情況。

（2） 孔洞

通常，空洞位于焊接界面上或在焊接界面附近出現(xiàn)。該類缺陷屬于體積型缺陷，見(jiàn)圖2。

圖2 孔洞

造成孔洞缺陷的主要因素是材料。管件或管子制造過(guò)程中在靠近焊接面的位置會(huì)留下氣孔；電熔管件的加工過(guò)程中，在預(yù)埋電阻絲時(shí)金屬絲上方也會(huì)產(chǎn)生加工孔洞或間隙。材料中的這些孔洞在焊接完成后仍會(huì)殘留在接頭中。此外，焊接過(guò)程中的嚴(yán)重過(guò)焊、焊接界面粘有水或潮濕雜質(zhì)以及焊接界面間隙中的空氣和焊接冷卻過(guò)程中散熱不均等原因，均會(huì)使材料產(chǎn)生收縮，形成冷卻縮孔。

（3）金屬絲錯(cuò)位

就是原先均勻排布的電阻絲在焊接后發(fā)生了水平或垂直方向的位移，見(jiàn)圖3。錯(cuò)位的電熱絲可能會(huì)接觸在一起，使得電熱絲的總電阻變小。電阻值的減小會(huì)造成熔接區(qū)域的受熱量增大，造成過(guò)焊。

科研成果轉(zhuǎn)化是一項(xiàng)周期長(zhǎng)且高風(fēng)險(xiǎn)的活動(dòng)，需要政府、高校、企業(yè)、科研成果持有人的多方配合，構(gòu)建完善的成果轉(zhuǎn)化資金保障機(jī)制才能完成。完善的成果轉(zhuǎn)化資金保障機(jī)制能合理地分配各階段資金的投入比例，保障整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程有充足的資金流，有效解決科研成果轉(zhuǎn)化過(guò)程中投入資金不足的問(wèn)題，保證轉(zhuǎn)化過(guò)程順利地完成。

造成金屬絲錯(cuò)位的主要原因是焊接過(guò)熱。焊接過(guò)熱導(dǎo)致聚乙烯材料流動(dòng)性增加，電熱絲隨著聚乙烯熔體的流動(dòng)發(fā)生偏移。此外，管件與管子配合過(guò)緊，造成焊接時(shí)局部熔融區(qū)壓力過(guò)大，也會(huì)使得電熱絲錯(cuò)位。要避免接頭出現(xiàn)電阻絲錯(cuò)位缺陷，就要避免接頭的焊接熱量及焊接壓力過(guò)大?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，應(yīng)避免焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、管子承插不到位以及管子與管件配合過(guò)緊等不當(dāng)操作。

圖3 金屬絲錯(cuò)位

（4） 冷焊

冷焊是接頭焊接熱量不足造成的缺陷，見(jiàn)圖4。出現(xiàn)冷焊時(shí)，管件和管子的界面層分子間未充分?jǐn)U散與纏結(jié)，分子間滲透深度不足，因此雖然分子間的連接得以實(shí)現(xiàn)，但宏觀上其剝離強(qiáng)度較低。

圖4 冷焊

通常冷焊接頭在短期的試壓試驗(yàn)中并不會(huì)被立即破壞，但管道經(jīng)過(guò)一定時(shí)間運(yùn)行后會(huì)發(fā)生泄漏，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)。由于冷焊缺陷在實(shí)際施工中極易發(fā)生，而現(xiàn)場(chǎng)又難以發(fā)現(xiàn)，因此被認(rèn)為是危害性最大的缺陷。在焊接施工中，要特別注意焊機(jī)所連接的電源電壓是否符合焊機(jī)要求，焊機(jī)在焊接過(guò)程中是否出現(xiàn)斷電或其他故障而使焊接時(shí)間不足。

2 影響電熔焊焊接質(zhì)量的因素

（1）電壓波動(dòng)對(duì)接頭質(zhì)量的影響

對(duì)于一個(gè)給定的電熔管件，其內(nèi)部預(yù)加熱電阻絲的電阻值是一定的。此時(shí)，電阻絲的發(fā)熱功率僅與焊接電源提供的焊接電壓有關(guān)。當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，電阻絲的加熱功率即隨之改變，同時(shí)焊接接頭的質(zhì)量也會(huì)由于受加熱功率波動(dòng)的影響而變差。

在熱傳遞時(shí)間相同時(shí)，每種規(guī)格管件熔接所消耗的能量應(yīng)當(dāng)是相同的。如果加熱功率恒定，所消耗能量的大小僅與時(shí)間有關(guān)。理論與實(shí)踐證明，特定材料特定規(guī)格管件的熔接時(shí)間必須控制在一個(gè)合理的區(qū)間，這與材料的熱態(tài)特性有關(guān)。只有掌握了材料的熱態(tài)特性，才能選定與之匹配的加熱功率，即電源輸出電壓。否則，熔接接頭將會(huì)因加熱時(shí)間不同而引起熱傳遞條件改變，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量。

（3）環(huán)境溫度對(duì)接頭質(zhì)量的影響

環(huán)境溫度的變化，直接影響熔接區(qū)的熱傳遞條件，進(jìn)而影響熔接質(zhì)量。因此電源要能監(jiān)控環(huán)境溫度，且要根據(jù)溫度變化對(duì)輸出參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整。

（4）不良操作對(duì)熔接接頭質(zhì)量的影響

所謂的不良操作，一般指兩種情況：一是指熔接過(guò)程中在裝卡定位管子與管件、管子刮削或清洗時(shí)有不符合規(guī)范要求的行為。此行為的改善主要靠提高操作者素質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。二是指輸入熔接參數(shù)時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤，可通過(guò)焊機(jī)本身的設(shè)置來(lái)避免。

3 電熔焊焊接過(guò)程中的質(zhì)量控制

電熔焊的焊接質(zhì)量同樣可從人、機(jī)、材料、方法和環(huán)境幾個(gè)方面來(lái)控制。電熔焊的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括電壓、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間、電阻值。從技術(shù)上講，最主要的是電熔管件本身的設(shè)計(jì)水平、制造質(zhì)量和焊接過(guò)程的控制。焊接前，應(yīng)檢查管子、管件和相關(guān)設(shè)備，以確保其幾何尺寸、性能等均符合規(guī)定，并保證焊接人員持證上崗。

要注意待焊表面不能被污染或氧化，否則應(yīng)先進(jìn)行表面處理；此外，焊接表面必須干燥。要注意管子與管件之間的配合間隙、圓度、插入深度、軸向?qū)χ信c定位，確保組合件在無(wú)軸向應(yīng)力的情況下進(jìn)行焊接?？墒褂脤?duì)正夾具，以減少對(duì)中誤差和焊接過(guò)程中的相對(duì)移動(dòng)。只有當(dāng)管子插入管件時(shí)保持同軸，管子的外表面與管件的內(nèi)表面才能有比較良好的均勻接觸。當(dāng)管子插入管件時(shí)，如果管子的軸線與管件的軸線不同軸 （有一傾角），就會(huì)在一定程度上影響焊接質(zhì)量。而且由于這一傾角的存在，在焊接完成埋入管溝以后，這一焊接部位會(huì)存在較大的應(yīng)力。電熔焊接設(shè)備應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求。其日常維護(hù)非常重要，應(yīng)定期進(jìn)行。在電熱絲電阻和加熱時(shí)間一定的情況下，電熔管件的發(fā)熱量跟焊接電壓直接相關(guān)。在焊接電壓不穩(wěn)定的情況下，如果焊接電壓偏低則會(huì)造成發(fā)熱功率偏小，容易導(dǎo)致虛焊，如果焊接電壓偏高則會(huì)出現(xiàn)相反的情況。施工現(xiàn)場(chǎng)電源接線長(zhǎng)度超過(guò)50 m，就必須檢查導(dǎo)線截面積是否符合要求；超過(guò)100 m時(shí)，最好使用發(fā)電機(jī)供電以保證焊接電壓穩(wěn)定。在電熱絲電阻和焊機(jī)焊接電壓一定的情況下，決定發(fā)熱量的主要因素就是焊接時(shí)間。焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅可能造成過(guò)熱、炭化，而且可能使管子內(nèi)壁軟化變形；焊接時(shí)間過(guò)短，則可能造成熔深不足。若對(duì)焊接功率要求過(guò)高，會(huì)造成電熱絲附近過(guò)熱。冷卻是使接頭達(dá)到足夠的強(qiáng)度，如果冷卻時(shí)間偏短，焊接接頭在未完全冷卻的狀態(tài)下受到外力擾動(dòng)，就會(huì)造成接頭強(qiáng)度下降。在冷卻過(guò)程中應(yīng)保持焊接組件處于夾緊狀態(tài)，且不得采取強(qiáng)制冷卻。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了保證PE管道電熔焊的施工質(zhì)量，施工單位要有焊接工藝規(guī)程及焊接工藝評(píng)定。焊工應(yīng)按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行考試，取得國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒發(fā)的聚乙烯管道焊工資格證方可施焊。管道連接前應(yīng)對(duì)管子、管件進(jìn)行外觀檢查，符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求方可使用。焊接操作現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)當(dāng)防范惡劣氣候的影響，風(fēng)雨天氣時(shí)施焊，必須采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。溫度低于-5℃或風(fēng)力超過(guò)5級(jí)，應(yīng)采取保溫或防風(fēng)措施。要確保焊接過(guò)程的連續(xù)性。焊接完成后應(yīng)當(dāng)在承壓情況下進(jìn)行充分的自然冷卻，以消除其內(nèi)應(yīng)力。管道焊接時(shí)每一個(gè)焊口應(yīng)當(dāng)有詳細(xì)的焊接原始記錄，并進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)。

[1]聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程：CJJ 63—2008[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]全國(guó)非金屬化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).塑料焊接工藝規(guī)程：HG/T 4281—2011[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]蘇耀軍，蘇寧.市政給排水聚乙烯管道接口熱熔熔焊連接質(zhì)量控制探討 [J].城市道橋與防洪，2014(6)：244－246，255.

[4]孫彥磊.聚乙烯管道焊接的質(zhì)量控制 [J].煤氣與熱力, 2013，33(1)：32－34.

Analysis of Welding Defects and Factors Influencing Welding Quality of Electro-Fusion Joint of Polyethylene Pipe

Wang Qian

The types of welding defects in electro-fusion joints of polyethylene pipe and the factors influencing welding quality were analyzed,and measures for controlling the quality of electro-fusion joint were proposed.

Pipe;Electro-fusion welding;Polyethylene;Welding defect;Welding quality

TG 442

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.015

2017-01-05)

*王謙，男，1967年生，工程師。上海市，200232。