提高PE燃氣管焊接質(zhì)量的途徑

喬 濤， 席 丹

(港華燃氣投資有限公司，廣東深圳518026)

1 概述

聚乙烯(PE)燃氣管焊接(包括熱熔焊接、電熔焊接)是PE燃氣管道施工過程中非常重要的操作工序，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到燃氣管網(wǎng)的安全和使用壽命。

本文通過對港華燃氣投資有限公司(以下簡稱集團)全自動焊機(包括全自動熱熔焊機、全自動電熔焊機，以下簡稱為熱熔焊機、電熔焊機)產(chǎn)品質(zhì)量與性能、相關(guān)人員素質(zhì)與操作規(guī)范性、焊接記錄完整性、破壞性試驗及抽樣方案的調(diào)研，分析提高PE燃氣管焊接質(zhì)量的途徑。

2 調(diào)研與測試發(fā)現(xiàn)的問題

2.1 焊機

① 產(chǎn)品質(zhì)量

焊機品牌五花八門，很多品牌的產(chǎn)品設(shè)計沒有通過型式試驗檢驗，存在一些功能設(shè)計不符合規(guī)范要求，參數(shù)控制與報警設(shè)置不規(guī)范，焊接記錄信息不完整等問題。

② 性能

對于質(zhì)量合格的焊機，在使用過程中，主要有以下常見問題。部分焊機沒有按要求定期檢定與校準(zhǔn)。熱熔焊機液壓系統(tǒng)不穩(wěn)定。熱熔焊機加熱板表面溫度均勻性不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，加熱板涂層損傷嚴(yán)重。焊機焊接參數(shù)超標(biāo)，監(jiān)控報警系統(tǒng)不報警。焊接記錄信息不完整，甚至可以編輯修改，無法保證焊接記錄的真實性。

2.2 相關(guān)人員

部分焊接操作人員存在一些不良習(xí)慣，如電熔焊接不使用固定夾具，焊接前清潔措施不力，甚至有二次污染現(xiàn)象。質(zhì)檢人員、監(jiān)理人員未做到焊接記錄的逐一檢查，僅按照一定比例進行抽查。部分焊接操作人員、質(zhì)檢人員、監(jiān)理人員欠缺專業(yè)知識，無法判定焊接參數(shù)是否符合焊接工藝要求。

2.3 焊接記錄

未做到焊接記錄100%現(xiàn)場打印，有些為手寫的焊接記錄。有焊接記錄數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，或上傳至計算機的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場打印焊接記錄不一致，無法判別真實與準(zhǔn)確性。

2.4 破壞性試驗及抽樣方案

除根據(jù)CJJ 63—2018《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)規(guī)程》第5.1.7條的相關(guān)規(guī)定對外觀質(zhì)量有爭議的焊口進行破壞性試驗外，集團還規(guī)定對焊口進行隨機抽樣的破壞性試驗。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)以下問題。

① 破壞性抽樣測試頻次達不到集團要求。

② 沒有采取隨機抽樣，而是特意焊接后制作試件送檢。

③ 第三方檢測機構(gòu)的檢測項目和標(biāo)準(zhǔn)不符合集團要求。集團要求電熔焊接試件的破壞性試驗除了應(yīng)符合GB/T 19806《塑料管材和管件 聚乙烯電熔組件的擠壓剝離試驗》、GB/T 19808《塑料管材和管件 公稱外徑大于或等于90 mm的聚乙烯電熔組件的拉伸剝離試驗》的要求外，還應(yīng)按照更嚴(yán)格的ISO 21751《塑料管材和管件-電熔焊接彎曲剝離試驗》進行彎曲剝離試驗。但由于檢測設(shè)備及檢測人員等原因，第三方檢測機構(gòu)出具的檢測報告內(nèi)容往往無法滿足集團要求，特別是涉及ISO 21751的檢測項目。

3 改進措施

3.1 焊機質(zhì)量控制與性能提升

① 初始卷邊高度控制

焊機產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)符合焊接工藝要求。對于熱熔焊接，關(guān)鍵指標(biāo)之一是初始卷邊高度。一般有兩種方式控制初始卷邊高度：一種是設(shè)定管材端面與熱熔焊機加熱板帶壓接觸時間，另一種是設(shè)定管材管端位移量。對于前者，我們分析認(rèn)為該方式需要考慮環(huán)境溫度等外界綜合因素帶來的補償問題，如環(huán)境溫度、風(fēng)力等，因此存在不確定性。而第二種方式更符合焊接工藝要求。

管端位移量按照初始卷邊階段管端熔融擠出料與管端移動所壓縮的體積相等為原則進行計算，初始卷邊前后管材狀態(tài)分別見圖1、2。設(shè)定初始卷邊的截面為等腰三角形，管端位移量s與初始卷邊高度h的關(guān)系式為：

式中s——管端位移量，mm

h——初始卷邊高度，mm

δ——管材壁厚，mm

圖1 初始卷邊前管材狀態(tài)

圖2 初始卷邊后管材狀態(tài)

為便于測量初始卷邊階段管材管端位移量，在熱熔焊機機架上安裝一個測量精度為μm級的位移傳感器，并將管端位移量的計算式寫入熱熔焊機控制程序，實現(xiàn)初始卷邊高度由管端位移量控制。

② 界面作用力控制

熱熔焊機作用于管材的力主要為滑動拖動拉力(克服管材移動過程中摩擦力所需要的力)、界面作用力(焊機實際作用于焊接界面的力)。界面作用力則應(yīng)與焊接工藝規(guī)定的熔接作用力一致。若界面作用力過高，則被加熱的管材端面熔融料易被擠出，容易造成假焊現(xiàn)象；若界面作用力過低，易造成管材端面熔融料不能充分融合。

GB/T 20674.1—2006《塑料管材和管件 聚乙烯系統(tǒng)熔接設(shè)備 第1部分：熱熔對接》第5.2.5條規(guī)定：熱熔焊機應(yīng)具有滑動拖動拉力補償功能，界面作用力應(yīng)在規(guī)定熔接作用力的80%～120%范圍內(nèi)。因此，應(yīng)對熱熔焊機液壓系統(tǒng)控制精度及穩(wěn)定性提出要求。規(guī)定熔接作用力可根據(jù)TSG D2002—2006《燃氣用聚乙烯管道焊接技術(shù)規(guī)則》附錄A進行計算。

為使熱熔焊機滿足界面作用力控制要求，我們提出以下要求。a.在熱熔焊機制造過程及定期校準(zhǔn)時，采用高精度儀器檢測與記錄熱熔焊機液壓系統(tǒng)各階段的壓力變化狀況，以便有效復(fù)核界面作用力精度。b.熱熔焊機應(yīng)具備拖動拉力補償功能，當(dāng)界面作用力低于設(shè)定值下限時(規(guī)定熔接作用力的80%)，液壓系統(tǒng)將自動提高界面作用力達到規(guī)定熔接作用力。當(dāng)界面作用力超過設(shè)定值上限時(規(guī)定熔接作用力的120%)，熱熔焊機將報警提示并自動停止工作。

③ 加熱板溫度均勻性控制

熱熔焊機加熱板表面溫度的均勻性及控制精度是加熱板設(shè)計制造時需要考慮的兩項關(guān)鍵內(nèi)容。我們在調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，加熱板縮頸部位附近的表面溫度相對于其他位置平均低3～5 ℃。為解決這一問題，我們在縮頸部位施加絕熱涂覆。經(jīng)測試，施加絕熱涂覆后，加熱板縮頸部位附近的表面溫度接近其他位置。

GB/T 20674.1—2006第5.4.4條規(guī)定：熱熔焊機應(yīng)裝配顯示器以顯示通電和加熱狀態(tài)，顯示的工作溫度與加熱板設(shè)定溫度的絕對誤差的絕對值應(yīng)小于5 ℃。但經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)熱熔焊機的加熱板溫度傳感器設(shè)置在其內(nèi)部的某一位置，監(jiān)測與顯示的溫度是該位置的溫度，并不能真實反映加熱板的整體溫度分布情況。

因此，我們細化了加熱板表面溫度的檢測方法，增加了測點并明確了測點具體位置(見圖3)，要求任意一點溫度測量值與設(shè)定值絕對誤差的絕對值小于5 ℃。為提高測量準(zhǔn)確性，我們建議采用接觸式測溫儀進行測量。圖3中加熱板外圓周溫度測點、內(nèi)圓周溫度測點所在圓周分別對應(yīng)某規(guī)格熱熔焊機所能焊接的最大、最小規(guī)格管材的公稱外徑。集團常用熱熔焊機所能焊接的最大、最小規(guī)格管材的公稱外徑見表1。由于加熱板厚度一般不小于25 mm，為保證加熱板表面溫度測量的準(zhǔn)確性，需要對加熱板的兩個加熱面的溫度測點進行測量。

④ 焊接參數(shù)自動監(jiān)測及報警功能

GB/T 20674.1—2006附錄A.2規(guī)定：在每個接頭熔接過程中，焊機程序應(yīng)控制、監(jiān)測并記錄關(guān)鍵參數(shù)，并符合以下要求：a.參數(shù)范圍應(yīng)至少包括熔接過

圖3 加熱板溫度測點

熱熔焊機型號最大規(guī)格管材的公稱外徑/mm最小規(guī)格管材的公稱外徑/mm315/A315160250/A250110160/A16090

程的時間和作用力：滑動拖動拉力、加熱板溫度、移走加熱板和合攏管材端面之間的轉(zhuǎn)換時間及管材滑移量。b.當(dāng)操作中有參數(shù)超過預(yù)定范圍，程序應(yīng)終止熔接并提示原因。管材滑移量即管端位移量。

但以上要求仍不夠具體，經(jīng)試驗檢測及驗證，我們對監(jiān)測參數(shù)進行了補充。當(dāng)這些參數(shù)超標(biāo)時，焊機程序?qū)⒆詣犹崾惧e誤信息并終止焊接。除GB/T 20674.1—2006附錄A.2規(guī)定的監(jiān)測參數(shù)外，補充的監(jiān)測參數(shù)有：檢定日期、環(huán)境溫度、銑切階段管段長度、吸熱階段壓力、吸熱階段吸熱時間、加熱板切換時間、焊接時間、界面作用力。

⑤ 焊機檢定及校準(zhǔn)、維修

集團制定了焊機檢定標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定熱熔焊機、電熔焊機必須每年進行檢定。并規(guī)定了日常發(fā)現(xiàn)以下問題時應(yīng)及時聯(lián)系生產(chǎn)廠家進行校準(zhǔn)、維修。

熱熔焊機：出現(xiàn)擠壓、碰撞、跌落等導(dǎo)致的外觀變形及損傷時。長時間使用后，出現(xiàn)活動部件磨損、松動、液壓系統(tǒng)漏液等現(xiàn)象時。熱熔對接設(shè)備報警時。焊接參數(shù)超出規(guī)定時。設(shè)備故障維修，更換影響焊接參數(shù)的零部件時。加熱板涂層與管材端面接觸部位破損，影響焊接質(zhì)量時。焊接記錄無法打印、無法下載、下載亂碼及無法在線查閱時(具備此功能的熱熔焊機)。

電熔焊機：出現(xiàn)擠壓、碰撞、跌落等導(dǎo)致的外觀變形及損傷等現(xiàn)象時。電熔連接設(shè)備報警時。焊接參數(shù)超出規(guī)定時。設(shè)備故障維修，更換影響焊接參數(shù)的零部件時。環(huán)境溫度補償功能不符合規(guī)范要求時。焊接記錄無法打印、無法下載、下載亂碼及無法在線查閱(具備此功能的電熔焊機)。

3.2 焊接操作的規(guī)范管理

集團于2016年開始了焊接操作規(guī)范化管理的信息化建設(shè)。通過對業(yè)務(wù)需求的梳理，我們將PE燃氣管道施工的相關(guān)人員與設(shè)備管理、操作流程及檢查標(biāo)準(zhǔn)管理、焊接質(zhì)量管理、焊接記錄檢查、進度管理、成本控制等集成在一套管理系統(tǒng)中，通過掌上電腦(PDA)實現(xiàn)信息化、可視化、可追溯的管理。

① 相關(guān)人員與設(shè)備管理

管理系統(tǒng)中登記了焊接操作人員、質(zhì)檢人員、監(jiān)理人員、建設(shè)方工程現(xiàn)場管理人員的姓名、性別等基本情況，以及他們的持證培訓(xùn)情況，每個項目的參與程度及表現(xiàn)。還登記了焊機等設(shè)備的品牌、型號、日常維護及定期檢定情況。

② 操作流程及檢查標(biāo)準(zhǔn)管理

為規(guī)范焊接操作，我們在管理系統(tǒng)中設(shè)置了焊接操作流程及檢查標(biāo)準(zhǔn)，輔助焊接操作人員執(zhí)行規(guī)范的操作流程，協(xié)助質(zhì)檢人員、監(jiān)理人員實施現(xiàn)場檢查。

③ 焊接質(zhì)量管理

為切實將保證焊接質(zhì)量落到實處，我們利用PDA實現(xiàn)了熱熔焊接、電熔焊接關(guān)鍵工序節(jié)點拍照功能，讓關(guān)鍵工序可視化，施工質(zhì)量可追溯。熱熔焊接的關(guān)鍵工序：管材端面銑削厚度檢查、管材對口狀態(tài)、卷邊對稱性與對正性檢查、焊口編號與焊接方向標(biāo)志、卷邊切除檢查等。電熔焊接的關(guān)鍵工序：管材及插口管件的插入端插入長度的標(biāo)記、插入端表皮氧化層的刮除、專用檢具固定狀態(tài)、電熔管件觀察孔熔融料溢出情況。

④ 焊接記錄檢查

完整合格的焊口，焊接參數(shù)一定是符合焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)的，因此焊接記錄的檢查尤為重要。將焊接記錄傳輸?shù)絇DA，由管理系統(tǒng)自動識別及判斷焊接記錄的有效性。

3.3 完善破壞性試驗的抽樣方案

對于PE燃氣管道焊接，國內(nèi)外尚沒有較成熟可靠的無損檢測技術(shù)，破壞性試驗仍是最為常用的焊接質(zhì)量檢驗方法。我們借鑒兄弟燃氣公司的經(jīng)驗，提出以下的抽檢方案。

① 常規(guī)抽檢

首檢。對于新焊工、新焊機及新校準(zhǔn)焊機，熱熔焊接、電熔焊接的前5道焊口抽1個試件(任意規(guī)格)進行破壞性試驗。

定期抽檢。熱熔接口：每個季度，每臺焊機隨機抽取1個試件(任意規(guī)格)進行破壞性試驗。電熔接口：每個季度，每名焊工隨機抽取1個試件(任意規(guī)格)進行破壞性試驗。

除定期抽檢外，對于大型項目，執(zhí)行以下抽檢方案。熱熔連接：管道安裝長度大于或等于1.5 km 時，每臺焊機隨機抽取1個試件(任意規(guī)格)進行破壞性試驗。電熔連接：管道安裝長度大于1 km或電熔管件數(shù)量大于或等于150 個時，每名焊工隨機抽取1個試件(最大規(guī)格)進行破壞性試驗。

② 非常規(guī)抽檢

對于外觀質(zhì)量存疑及PDA中焊接記錄異常的焊口，應(yīng)送第三方檢測機構(gòu)進行破壞性試驗(包括彎曲剝離試驗)。