張國強(qiáng) 孫寶財(cái)

(甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州，730050)

聚乙烯(PE)管道由耐開裂的壓力管道專用料制備而成，該專用料全稱為耐快速裂紋增長的壓力管道專用料，采用由共聚合和相對(duì)分子質(zhì)量分布雙峰工藝合成的高密度PE，其具有優(yōu)良的物理、化學(xué)、耐腐蝕性能和優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性能，逐漸取代了金屬管道，已廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)中壓燃?xì)獾妮斔椭?。由于PE管道焊縫接口處的不連續(xù)特性，使得管道連接部位成為整個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)輸中的薄弱點(diǎn)，大量的工程實(shí)踐表明，PE燃?xì)夤艿赖氖Ш托孤┲饕l(fā)生在不連續(xù)的焊接接頭處，焊縫和焊接缺陷成為管道失效的主要因素[1-2]。大多數(shù)工程應(yīng)用均要求接頭與母材具有相同的性能，因此，需要掌握氧化皮未去除缺陷對(duì)焊接接頭性能產(chǎn)生的影響并分析其原因。

燃?xì)庥肞E管道的連接形式主要有熱熔焊接和電熔焊接，其原理為：利用加熱板或電阻絲將管材、管件加熱至熔融狀態(tài)，PE分子鏈通過分子間空穴躍遷至另一熔融層的分子間隙中，并與其分子發(fā)生纏繞，兩個(gè)熔融面中的分子鏈發(fā)生擴(kuò)散、遷移、纏結(jié)，隨著溫度下降重新結(jié)晶，達(dá)到熔接的目的。熱熔及電熔接頭的質(zhì)量受人為影響因素較大，因此，PE焊接接頭處存在多種不同的缺陷：常見的熱熔焊接缺陷有過焊、冷焊、氧化皮未去、孔洞、夾渣和未焊透等；常見的電熔焊接缺陷有孔洞、過焊、冷焊、氧化皮未去除和電阻絲錯(cuò)位等[3-6]?！度?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》(TSG D2002—2006)規(guī)定，熱熔焊接前，必須要用銑削工具進(jìn)行刨邊以去除管端的氧化皮。對(duì)于電熔焊接，同樣要求去除與電熔套筒承接部分的氧化皮，其目的為氧化皮上沾有的油污、水漬等在焊接接頭處易形成焊接缺陷。目前，國內(nèi)外對(duì)于PE管道焊接接頭失效的研究主要包括：a) 冷焊、過焊等工藝缺陷對(duì)焊接接頭的影響研究；b) 裂紋擴(kuò)展失效研究；c) 采用有限元模擬焊接接頭應(yīng)力分布[7-10]。氧化皮未去除對(duì)焊接接頭的影響機(jī)理鮮見研究。

下面通過對(duì)氧化皮未去除接頭與正常工藝焊制的接頭進(jìn)行拉伸和壓扁對(duì)比試驗(yàn)，分析了其對(duì)焊接接頭性能的影響，并對(duì)影響機(jī)理進(jìn)行研究，為PE焊接工藝制定提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

PE管，De110/De63，PE100，甘肅中石油昆侖燃?xì)庥邢薰竟軜I(yè)分公司。

熱熔焊機(jī)，PF315/A，四川塑龍熔接設(shè)備有限公司；電熔焊機(jī)，BDDR-315W，濟(jì)南八達(dá)塑管熔接設(shè)備公司；萬能試驗(yàn)機(jī)，JJ-TEST，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司；顯微鏡，Dsx500，日本奧林巴斯株式會(huì)社。

1.2 焊接接頭的制備

熱熔焊接接頭按照TSG D2002—2006規(guī)定的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，焊前未進(jìn)行刨邊處理；采用電熔套進(jìn)行電熔焊接制備電熔焊接接頭，焊前未去除氧化皮。圖1為未去氧化皮的焊接接頭。

1.3 測(cè)試與表征

拉伸測(cè)試按照GB/T 8804.3—2003進(jìn)行，拉伸速率6 mm/min，采用拉伸試樣類型3制備試樣，如圖2所示。

壓扁剝離測(cè)試按照GB/T 19808—2005進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

通過熱熔及電熔焊接形成的焊接接頭，其性能是否滿足使用要求，可以采用拉伸試驗(yàn)和壓扁剝離試驗(yàn)對(duì)焊接接頭進(jìn)行測(cè)定。氧化皮未去除對(duì)管道的影響，最終體現(xiàn)在力學(xué)性能上。

2.1 熱熔焊接接頭拉伸力學(xué)性能

氧化皮未去除與正常焊接時(shí)，熱熔焊接接頭的最大拉力、最大應(yīng)力伸長率、拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂應(yīng)力、屈服伸長率如表1所示，拉伸趨勢(shì)如圖3所示。

表1 熱熔接頭拉伸性能測(cè)試結(jié)果

由表1和圖3可以看出，氧化皮未去除時(shí)，熱熔焊接接頭的最大拉應(yīng)力為977 N，最大應(yīng)力伸長率為2.40%，拉伸強(qiáng)度為3.91 MPa，而經(jīng)過銑削刨邊去除氧化皮后，熱熔焊接接頭的最大拉應(yīng)力為6 066 N，最大應(yīng)力伸長率為12.84%，拉伸強(qiáng)度為24.27 MPa。由此可以看出，氧化皮未去除對(duì)熱熔焊接接頭的性能影響較大，大大降低了熱熔焊接接頭的強(qiáng)度，其最大拉力僅為正常熱熔焊接接頭的16.1%。

按照分子擴(kuò)散纏繞理論，兩相容的高分子材料受熱到一定程度，大分子得到能量和空間，在分子的熱運(yùn)動(dòng)及外力的作用下，強(qiáng)制彼此流動(dòng)遷移、擴(kuò)散、互相纏繞，分子鏈末端通過接觸面擴(kuò)散形成自粘合鍵，兩端面表層分子相互擴(kuò)散，從而形成穩(wěn)定的焊接接頭。由于氧化皮界面的存在，界面間長鏈分子無法重新重疊及纏繞，不能形成新的大分子鏈，形成的短小分子鏈力學(xué)性能急劇下降，從而導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度大幅降低。

2.2 電熔接頭壓扁力學(xué)性能

電熔焊接過程為：通電使電熔套內(nèi)電阻絲加熱，加熱溫度達(dá)到PE熔點(diǎn)時(shí)套筒內(nèi)母材與管材從室溫的高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲ち鲬B(tài)，保持一定時(shí)間，聚合物充分混合，塑料大分子相互擴(kuò)散，在熔體的熔融膨脹作用力下，隨著溫度的下降得到一定的結(jié)晶度而達(dá)到理想焊接的目的[11]。管材電容焊接結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，氧化皮不去除進(jìn)行焊接時(shí)，管材未熔化。電熔套內(nèi)電阻絲由于管子端部氧化皮的存在而對(duì)管材母體熔化造成障礙，在規(guī)范規(guī)定的焊接溫度下，未能將高熔點(diǎn)的氧化皮熔化參與電熔套的熔接，此時(shí)管材仍處于高彈態(tài)，無法與電熔套內(nèi)處于黏流態(tài)的母材進(jìn)行充分流動(dòng)，分子間未充分?jǐn)U散熔合，管子未與電熔套發(fā)生熔接[12-14]。

2.3 微觀組織分析

實(shí)現(xiàn)PE焊接有2個(gè)必要條件：一是使塑料達(dá)到熔融流動(dòng)狀態(tài)溫度；二是具有使分子相互擴(kuò)散并擠出焊縫中氣隙的壓力。圖5為管材端部微觀形貌。

由圖5可以看出，未進(jìn)行銑削刨邊，管材端面極不平整，存在水分、污物等雜質(zhì)，切割時(shí)產(chǎn)生的劃痕較深，由于PE分子含有少量的醚基和雙鍵，其耐候性能較差，日光照射、雨淋都會(huì)加劇老化，以上均為焊接接頭性能下降的主要原因。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，氧化皮未去除時(shí)，焊接接頭性能下降的機(jī)理為：a)由于氧化皮的存在，高熔點(diǎn)氧化皮在規(guī)范溫度沒有熔化(若使用較高焊接溫度，易造成焊接區(qū)域材料發(fā)生嚴(yán)重降解)，使得端面在熔融后的熱流動(dòng)受阻，界面層沒有完全浸潤，分子之間擴(kuò)散深度不足；b)由于熔合面存在微小雜質(zhì)顆粒、大量微小氣泡，致使塑料分子鏈纏結(jié)不牢，加之端面不平整，使得兩端面熔融后熱流動(dòng)距離不同，導(dǎo)致分子鏈之間不能形成足夠的擴(kuò)散和纏結(jié)。c)熔接端面存在水分、油污等雜質(zhì)，焊接過程中熔池內(nèi)的水分、油污等揮發(fā)為氣體在熔池凝固時(shí)未及時(shí)逸出，使接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，削弱了接頭性能。

3 結(jié)論

a) 氧化皮未去除對(duì)于接頭的力學(xué)性能影響較大，熱熔接頭的最大拉應(yīng)力僅為正常接頭的16.1%；氧化皮未去除電熔接頭壓扁試驗(yàn)顯示，由于高熔點(diǎn)氧化皮的存在，管材與電熔套母材熔融后熱流動(dòng)受阻，界面層沒有完全潤濕。

b) 由于焊接端面水分、油污在加熱時(shí)氣化，凝固時(shí)未及時(shí)逸出，造成焊縫內(nèi)部形成空隙，使接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，削弱接頭性能。