劉立君+姜婷婷+戴鴻濱

摘要：對(duì)于高密度聚乙烯管道的連接，焊接技術(shù)是直接影響高密度工程塑料壓力管道安全應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布對(duì)焊接質(zhì)量又有十分重要的影響。通過(guò)MARC軟件建立了聚乙烯管道焊接接頭一維非穩(wěn)態(tài)整體傳熱模型，模擬焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布，并通過(guò)熱電偶溫度自動(dòng)采集系統(tǒng)對(duì)焊接時(shí)的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，在加熱結(jié)束時(shí)，管件端面溫度并沒有達(dá)到最大值，而是在300s時(shí)達(dá)到最大值，這表明了在壓焊過(guò)程中發(fā)生了相變潛熱。在壓焊過(guò)程中，管件軸向應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸過(guò)渡到壓應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：高密度聚乙烯管道；熱熔焊接；溫度場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)

DOI：10.15938/j.jhust.2017.02.004

中圖分類號(hào)： TQ320文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1007-2683（2017）02-0018-05Simulation of Temperature Field in HDPE Pipe Thermal Welding

Abstract：For high density polyethylene pipe connection， welding technology is the key of the high density engineering plastic pressure pipe safety. And the temperature distribution in the welding process has a very important influence on the welding quality. Polyethylene pipe weld joints of one dimensional unsteady overall heat transfer model is established by MARC software and simulates temperature field and stress field distribution of the welding process， and the thermocouple temperature automatic acquisition system of welding temperature field changes were detected， and compared by simulation and experiment . The results show that， at the end of the heating， the temperature of the pipe does not reach the maximum， but reached the maximum at 300s， which indicates that the latent heat of phase change in the process of pressure welding. In the process of pressure welding， the axial stress of the pipe is gradually changed from tensile stress to compressive stress.

Keywords：high density polyethylene pipe； thermai melt welding； temperature field； stress field

0引言

聚乙烯憑借著其優(yōu)良的性能正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬在很多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。相對(duì)于傳統(tǒng)金屬管道，聚乙烯（PE）管道具有耐腐蝕、連接可靠、高韌性、撓性優(yōu)良、良好的抗刮痕能力、高耐磨性、快速裂紋傳遞抵抗能力優(yōu)良、優(yōu)越的水力性能和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但其耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能較差，耐高溫性能、力學(xué)性能及耐化學(xué)性能有時(shí)也不能滿足實(shí)際使用要求。

熱熔焊作為聚乙烯管道焊接的主要手段，其焊接接頭質(zhì)量直接影響著整個(gè)管道運(yùn)行系統(tǒng)的安全性。焊接過(guò)程中加熱溫度和壓力是影響接頭焊縫質(zhì)量的重要因素。焊接溫度的高低，加熱壓力的大小均會(huì)影響材料焊接時(shí)的融合程度。因此，開展管道結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬研究，無(wú)疑具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)PE管熱熔焊接接頭的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。谷侃鋒等人應(yīng)用熱粘彈性本構(gòu)有限元來(lái)分析塑料熱應(yīng)力、應(yīng)變的問(wèn)題，但并未與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比[1]；劉琰等基于Fourier定律，根據(jù)牛頓冷卻公式計(jì)算焊接時(shí)溫度場(chǎng)的邊界條件，利用ANSYS軟件得到接頭的溫度場(chǎng)仿真模型，但只是研究了冷卻階段的溫度變化[2]。

本文主要通過(guò)MARC軟件通過(guò)熱-力耦合方法模擬焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)，得到加熱、切換及加壓階段的溫度場(chǎng)變化，對(duì)焊接接頭的溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

1HDPE管熱熔焊接溫度場(chǎng)模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.1HDPE管熱熔焊接溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用高密度聚乙烯管PE100，管材直徑200，SDR=17。在焊接過(guò)程中要假設(shè)：①管材在各徑向均均勻傳熱；②材料的熱物理性能只能是溫度的函數(shù)。取長(zhǎng)度為100mm，厚度為11.8mm的矩形模型，建模是采用二維4節(jié)點(diǎn)實(shí)體軸對(duì)稱單元plane55，將模型劃分為非均勻網(wǎng)格，在加熱端附近采用細(xì)分的網(wǎng)格，模型共25020個(gè)節(jié)點(diǎn)，22284個(gè)單元，有限元模型見圖1。溫度設(shè)為210℃，加熱壓力為0.2MPa，環(huán)境溫度為28℃，管材沿軸向的溫度分布是管材內(nèi)部導(dǎo)熱的結(jié)果。在計(jì)算模型中，空氣與聚乙烯之間的邊界條件為對(duì)流換熱邊界條件。焊接時(shí)，管內(nèi)外壁與空氣的對(duì)流換熱十分復(fù)雜。通過(guò)由普朗特準(zhǔn)則、雷諾準(zhǔn)則、格拉曉夫準(zhǔn)則以及努謝爾特準(zhǔn)則組成的函數(shù)關(guān)系式確定對(duì)流換熱系數(shù) ，管外對(duì)流換熱可認(rèn)為在無(wú)限空間中換熱，管內(nèi)可認(rèn)為是夾層換熱的結(jié)果。內(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)：α內(nèi)=0.89W/（m2·℃）[3-4]。

焊接是一個(gè)動(dòng)態(tài)的局部熱加載過(guò)程， 如何選取材料的熱物理性能參數(shù)， 使其較為精確地反映出材料的物理及力學(xué)性能與溫度之間的非線性變化關(guān)系， 對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性起決定性的作用[5]。高密度聚乙烯（HDPE）屬于結(jié)晶型高分子聚合物材料，其結(jié)晶度可達(dá)90%以上，屬高結(jié)晶材料。高密度聚乙烯的熱物理性能和力學(xué)性能隨溫度的變化而變化，其變化見表1和表2。

圖2為HDPE管道焊接過(guò)程中180s、300s時(shí)的分布云圖。根據(jù)云圖分別作出180s、300s的等溫線圖。如圖3所示，可以看出等溫面在軸向方向是均勻向前推進(jìn)的，溫度逐漸降低，端面溫度最高。180s時(shí)的融化層厚度大約1.5mm，300s時(shí)融化層厚度約為3.5mm。

1.2HDPE管熱熔焊接溫度場(chǎng)的測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)量焊接過(guò)程中沿管道軸向的溫度分布，本文在管道外表面距管端面2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm處鉆直徑約為0.5mm深5mm左右的小孔，然后將K型熱電偶線分別埋入這九個(gè)位置，焊接時(shí)利用溫度巡檢儀檢測(cè)并記錄下溫度在焊接過(guò)程中的變化。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

通過(guò)焊接巡檢儀記錄下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出不同位置在加熱至最高溫時(shí)的軸向溫度曲線如圖5所示。通過(guò)巡檢儀記錄顯示，當(dāng)達(dá)到最高溫時(shí)的時(shí)間約為300s。由圖5可以看出，溫度沿軸向呈下降趨勢(shì)，近焊縫中心處下降幅度較大，遠(yuǎn)端較平緩，這是由于聚乙烯導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的結(jié)果。

2HDPE管熱熔焊溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析圖6為中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，由圖可以看出，180s加熱結(jié)束，管件端面達(dá)到熔點(diǎn)131℃。此時(shí)進(jìn)行切換，切換時(shí)間為6s，切換結(jié)束后，壓焊階段開始了，壓焊時(shí)間為12min。300s時(shí)PE管端面溫度達(dá)到156℃，而后才逐漸降低到周圍空氣的溫度。這是由于在壓焊過(guò)程中發(fā)生了相變潛熱，這種熱量對(duì)焊接溫度場(chǎng)有一定影響，接觸面的溫度由于熱量從深層處傳出而升高。當(dāng)焊接開始時(shí)，管件的端面與加熱板接觸，加熱板的溫度為210℃，接觸面迅速升溫至131℃（聚乙烯熔點(diǎn)約130℃），此時(shí)端面開始熔化。端面持續(xù)吸收熱量但溫度并沒有升高，熱量沿軸向擴(kuò)散，管材內(nèi)部溫度升高達(dá)到軟化溫度。瞬間切換后加壓，兩管頭對(duì)接。撤去加熱板后，管件的溫度并沒有降低，而是持續(xù)升高，300s時(shí)，溫度達(dá)到最大值156℃，這是由于高密度聚乙烯屬于高分子材料，對(duì)接時(shí)發(fā)生相變，釋放相變潛熱。按照傳熱學(xué)的觀點(diǎn)，相變潛熱的釋放相當(dāng)于強(qiáng)度隨時(shí)間、溫度變化的熱源。300s后管材溫度逐漸下降至室溫。

圖7為加熱至180s、300s時(shí)，不同位置同一時(shí)間的模擬和實(shí)驗(yàn)溫度曲線對(duì)比。由圖7可以看出，測(cè)量值曲線與理論值曲線趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了模型的合理性。實(shí)驗(yàn)中軸向溫度下降較快后趨于平穩(wěn)，模型中軸向溫度下降較平穩(wěn)。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值產(chǎn)生差異的原因：高密度聚乙烯的物理參數(shù)隨溫度變化，在模擬過(guò)程中很難確定固相及熔融相的參數(shù)。實(shí)際環(huán)境下，沿軸向的對(duì)流換熱系數(shù)不同，而模擬過(guò)程中軸向的換熱次數(shù)均采用相同設(shè)置。

3HDPE熱熔焊應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果

HDPE管在焊接過(guò)程中的應(yīng)力分布無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，只能通過(guò)模擬進(jìn)行判斷。本文在模擬過(guò)程中采用的焊接壓力為0.2MPa。加熱結(jié)束后，施加0.2MPa將兩管件壓緊。在加熱過(guò)程中，高密度聚乙烯又高彈態(tài)像粘流態(tài)轉(zhuǎn)變，壓焊過(guò)程中，焊接部分在壓力作用下冷卻，又粘流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)。焊接過(guò)程中，焊縫中心在180s、300s、軸向900s時(shí)沿軸向的應(yīng)力曲線分布如圖8所示。

由圖8可以看出，加熱結(jié)束（180s）、最高溫時(shí)（300s）及加壓結(jié)束后（900s），軸向應(yīng)力變化的趨勢(shì)大致相同。焊縫處受拉應(yīng)力，沿軸向逐漸過(guò)渡到壓應(yīng)力，在距端面約3mm處應(yīng)力達(dá)到最大值，且在300s處即最高溫時(shí)達(dá)到最大值。這是由于在300s時(shí)融化層為3.5mm左右，融化層因擠壓而溢出形成卷邊，而卷邊邊緣處應(yīng)力集中造成的。管件軸向應(yīng)力水平整體較低，300s時(shí)應(yīng)力最大處值為4.6，且沿軸向迅速降至趨近于零。這是由于在壓焊冷卻階段，有一部分熔體會(huì)被擠出形成卷邊，沒有參與形成應(yīng)力。其余的熔體在壓力的作用下冷卻結(jié)晶，由粘流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，同時(shí)釋放結(jié)晶潛熱。在壓力作用下結(jié)晶會(huì)促使高密度聚乙烯分子鏈趨于規(guī)則排列，但是結(jié)晶時(shí)釋放的結(jié)晶潛熱又會(huì)促使材料的應(yīng)力松弛。900s時(shí)，撤去焊接壓力，但是管件并沒有完全冷卻至室溫，內(nèi)部分子鏈扔在運(yùn)動(dòng)，所以應(yīng)力并沒有完全消失。

4結(jié)論

1）采用MARC軟件測(cè)得焊接過(guò)程中焊縫溫度場(chǎng)，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果基本吻合。

2）在加熱過(guò)程中，管件端面的溫度分布沿軸向均勻推進(jìn)，呈降低的趨勢(shì)。

3）端面溫度在加熱結(jié)束時(shí)僅略高于熔點(diǎn)，但由于在壓焊過(guò)程中發(fā)生相變潛熱，撤去加熱板后，隨著管件的擠壓，熱量從內(nèi)層傳出，溫度會(huì)繼續(xù)升高，在300s時(shí)達(dá)到最大值，融化層厚度也逐漸增加。

4）管件焊縫處受拉應(yīng)力，沿軸向逐漸過(guò)渡到壓應(yīng)力，在距焊縫3mm處應(yīng)力達(dá)到最大值。由于壓焊過(guò)程中一部分熔體被擠出，而其余的熔體在壓力作用下冷卻結(jié)晶，分子鏈趨于緊密排列，所以聚乙烯熱板焊的軸向應(yīng)力水平較低。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān)毅）