聚乙烯管道電熔焊焊接缺陷及焊接質量影響因素分析

王謙

（上海華誼建設有限公司)

聚乙烯管道電熔焊焊接缺陷及焊接質量影響因素分析

王謙*

（上海華誼建設有限公司)

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

管道 電熔焊 聚乙烯 焊接缺陷 焊接質量

20世紀50年代以后，隨著石油化學工業(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，受到了管道工程界的廣泛重視和開發(fā)研究，在原料合成生產(chǎn)、管子管件制造技術、設計理論和施工技術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)了相當重要的位置，形成了一種不可阻擋的發(fā)展趨勢。聚乙烯（PE）管道的焊接質量，很大程度上與所選用的接頭結構和焊接裝配工藝有關。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單，但影響焊接質量的因素卻很多，某一環(huán)節(jié)控制不嚴，即會影響焊接質量。要保證聚乙烯管道焊口的質量，就必須在整個焊接過程中按照評定合格的焊接工藝進行操作。

選擇最佳的焊接工藝和接頭結構，制定出控制接頭質量的方法，研究缺陷對接頭質量的影響，進行管道電熔焊的缺陷分析，以及施工過程中加強焊接工藝控制等，對管道安裝質量都是非常重要的。

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、過焊、未熔合、錯位、氣泡、空洞、夾雜及金屬絲錯位等。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，見圖1。

未熔合主要是指管件內(nèi)壁與管子外壁間出現(xiàn)沒有完全熔合在一起的現(xiàn)象，此時管件內(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大，導致管件內(nèi)壁與管子外壁無法接觸；管件內(nèi)壁與管子外壁在焊接前粘有雜質；管子外壁氧化皮未清理干凈等。

要避免熔合面缺陷，就應保證接頭焊接時有足夠的焊接熱量，在工地施工中，應避免出現(xiàn)管子與管件配合間隙過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。管件或管子制造過程中在靠近焊接面的位置會留下氣孔；電熔管件的加工過程中，在預埋電阻絲時金屬絲上方也會產(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殘留在接頭中。此外，焊接過程中的嚴重過焊、焊接界面粘有水或潮濕雜質以及焊接界面間隙中的空氣和焊接冷卻過程中散熱不均等原因，均會使材料產(chǎn)生收縮，形成冷卻縮孔。

（3）金屬絲錯位

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，見圖3。錯位的電熱絲可能會接觸在一起，使得電熱絲的總電阻變小。電阻值的減小會造成熔接區(qū)域的受熱量增大，造成過焊。

科研成果轉化是一項周期長且高風險的活動，需要政府、高校、企業(yè)、科研成果持有人的多方配合，構建完善的成果轉化資金保障機制才能完成。完善的成果轉化資金保障機制能合理地分配各階段資金的投入比例，保障整個轉化過程有充足的資金流，有效解決科研成果轉化過程中投入資金不足的問題，保證轉化過程順利地完成。

造成金屬絲錯位的主要原因是焊接過熱。焊接過熱導致聚乙烯材料流動性增加，電熱絲隨著聚乙烯熔體的流動發(fā)生偏移。此外，管件與管子配合過緊，造成焊接時局部熔融區(qū)壓力過大，也會使得電熱絲錯位。要避免接頭出現(xiàn)電阻絲錯位缺陷，就要避免接頭的焊接熱量及焊接壓力過大。現(xiàn)場施工時，應避免焊接時間過長、管子承插不到位以及管子與管件配合過緊等不當操作。

圖3 金屬絲錯位

（4） 冷焊

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

圖4 冷焊

通常冷焊接頭在短期的試壓試驗中并不會被立即破壞，但管道經(jīng)過一定時間運行后會發(fā)生泄漏，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)。由于冷焊缺陷在實際施工中極易發(fā)生，而現(xiàn)場又難以發(fā)現(xiàn)，因此被認為是危害性最大的缺陷。在焊接施工中，要特別注意焊機所連接的電源電壓是否符合焊機要求，焊機在焊接過程中是否出現(xiàn)斷電或其他故障而使焊接時間不足。

2 影響電熔焊焊接質量的因素

（1）電壓波動對接頭質量的影響

對于一個給定的電熔管件，其內(nèi)部預加熱電阻絲的電阻值是一定的。此時，電阻絲的發(fā)熱功率僅與焊接電源提供的焊接電壓有關。當電壓波動時，電阻絲的加熱功率即隨之改變，同時焊接接頭的質量也會由于受加熱功率波動的影響而變差。

在熱傳遞時間相同時，每種規(guī)格管件熔接所消耗的能量應當是相同的。如果加熱功率恒定，所消耗能量的大小僅與時間有關。理論與實踐證明，特定材料特定規(guī)格管件的熔接時間必須控制在一個合理的區(qū)間，這與材料的熱態(tài)特性有關。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，熔接接頭將會因加熱時間不同而引起熱傳遞條件改變，進而影響焊接質量。

（3）環(huán)境溫度對接頭質量的影響

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

（4）不良操作對熔接接頭質量的影響

所謂的不良操作，一般指兩種情況：一是指熔接過程中在裝卡定位管子與管件、管子刮削或清洗時有不符合規(guī)范要求的行為。此行為的改善主要靠提高操作者素質來實現(xiàn)。二是指輸入熔接參數(shù)時發(fā)生的錯誤，可通過焊機本身的設置來避免。

3 電熔焊焊接過程中的質量控制

電熔焊的焊接質量同樣可從人、機、材料、方法和環(huán)境幾個方面來控制。電熔焊的關鍵工藝參數(shù)包括電壓、加熱時間、冷卻時間、電阻值。從技術上講，最主要的是電熔管件本身的設計水平、制造質量和焊接過程的控制。焊接前，應檢查管子、管件和相關設備，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，否則應先進行表面處理；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、軸向對中與定位，確保組合件在無軸向應力的情況下進行焊接?？墒褂脤φ龏A具，以減少對中誤差和焊接過程中的相對移動。只有當管子插入管件時保持同軸，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。當管子插入管件時，如果管子的軸線與管件的軸線不同軸 （有一傾角），就會在一定程度上影響焊接質量。而且由于這一傾角的存在，在焊接完成埋入管溝以后，這一焊接部位會存在較大的應力。電熔焊接設備應符合國家相關規(guī)范、標準的要求。其日常維護非常重要，應定期進行。在電熱絲電阻和加熱時間一定的情況下，電熔管件的發(fā)熱量跟焊接電壓直接相關。在焊接電壓不穩(wěn)定的情況下，如果焊接電壓偏低則會造成發(fā)熱功率偏小，容易導致虛焊，如果焊接電壓偏高則會出現(xiàn)相反的情況。施工現(xiàn)場電源接線長度超過50 m，就必須檢查導線截面積是否符合要求；超過100 m時，最好使用發(fā)電機供電以保證焊接電壓穩(wěn)定。在電熱絲電阻和焊機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間。焊接時間過長，不僅可能造成過熱、炭化，而且可能使管子內(nèi)壁軟化變形；焊接時間過短，則可能造成熔深不足。若對焊接功率要求過高，會造成電熱絲附近過熱。冷卻是使接頭達到足夠的強度，如果冷卻時間偏短，焊接接頭在未完全冷卻的狀態(tài)下受到外力擾動，就會造成接頭強度下降。在冷卻過程中應保持焊接組件處于夾緊狀態(tài)，且不得采取強制冷卻。

4 結束語

為了保證PE管道電熔焊的施工質量，施工單位要有焊接工藝規(guī)程及焊接工藝評定。焊工應按有關規(guī)定進行考試，取得國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒發(fā)的聚乙烯管道焊工資格證方可施焊。管道連接前應對管子、管件進行外觀檢查，符合產(chǎn)品標準要求方可使用。焊接操作現(xiàn)場應當防范惡劣氣候的影響，風雨天氣時施焊，必須采取適當?shù)谋Ｗo措施。溫度低于-5℃或風力超過5級，應采取保溫或防風措施。要確保焊接過程的連續(xù)性。焊接完成后應當在承壓情況下進行充分的自然冷卻，以消除其內(nèi)應力。管道焊接時每一個焊口應當有詳細的焊接原始記錄，并進行外觀質量檢驗。

[1]聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程：CJJ 63—2008[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]全國非金屬化工設備標準化技術委員會.塑料焊接工藝規(guī)程：HG/T 4281—2011[S].北京：化學工業(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。