城鎮燃氣管道鋪設在人口密集、公共設施集中區域,極易發生燃氣泄漏、火災、爆炸等事故。燃氣管道一旦出現事故,將直接危害人民群眾的生命及財產安全,給城市公共安全造成嚴重影響。中低壓燃氣管的材料通常為聚乙烯[1]。聚乙烯管焊接的主要方式有熱熔焊接和電熔焊接,其中熱熔焊接具有成本低、操作簡單等優點。熱熔接頭的黏接質量是影響聚乙烯燃氣管道系統可靠性的重要因素。 

冷焊缺陷被認為是燃氣用聚乙烯管道的重要安全隱患之一。帶冷焊缺陷的燃氣用聚乙烯管道熱熔接頭在外觀上與正常的接頭沒有明顯區別,在管道系統試壓過程中通常不會發生事故,但長期使用該接頭將影響系統的安全性[2]。目前,射線檢測、超聲檢測、超聲相控陣檢測、紅外熱像檢測和微波檢測等方法可以檢測出聚乙烯燃氣管道熱熔接頭的冷焊缺陷,但對于冷焊缺陷嚴重程度的研究較少。筆者研究了燃氣用聚乙烯管道熱熔焊接接頭冷焊缺陷的嚴重程度與焊接工藝參數,接頭力學性能、微觀結構等因素之間的關系。 

1.   試驗設計與試樣制備

1.1   正交試驗設計

單因素的設計、實施與分析較簡單,但考察多個試驗因素時,實施全部試驗的工作量較大,并且可能因試驗條件的限制而難以進行試驗。正交試驗設計法可以利用較少的試驗次數獲得較準確的試驗結果,通過正交表安排與分析多因素試驗,使用統計學方法分析試驗結果。正交設計表格是一種運用組合數學理論構造的表格,把各試驗點在范圍內均勻分散,使試驗點具有代表性,且各試驗點在范圍內分布規律整齊,有利于進行數據分析[3]。 

1.2   試樣制備

使用規格(外徑×厚度)為160 mm×9.5 mm的聚乙烯管材,采用正交試驗設計法制備帶冷焊缺陷的熱熔焊接接頭。研究表明,影響聚乙烯管道熱熔焊接接頭性能的主要因素是加熱板表面溫度θ和吸熱時間t2[4]。按照TSG D2002—2006 《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》,設定正常焊接工藝的水平1試樣,取θ＝225 ℃,t2＝95 s,兩個因素各取5個試驗水平,其他焊接工藝參數按正常工藝保持不變,具體為：卷邊高度為1.5 mm；焊接壓力為646 MPa；卷邊到達規定高度的時間為17 s；切換時間不大于6 s；增壓時間小于7 s；冷卻時間為13 s。共制備25個試樣,試樣制備的具體參數如表1所示[5]。 

2.   試驗結果與分析

2.1   冷焊程度的影響因素

2.1.1   多頻微波檢測

微波檢測技術基于微波在介電材料中的傳播特性[6],被檢介電材料中的不連續界面會引起該位置的介電常數發生變化,導致微波在傳播時發生反射、穿透和散射等現象[7],其反射信號與發射信號發生干涉,經微波探頭接收,根據微波幅值衰減、相位及頻率等參數的改變,信號轉換系統得到能夠反映接頭缺陷信息的掃描圖像[8]。利用微波的反射回波幅值來衡量微波的反射損耗,反射回波幅值的單位為dB,微波回波波幅越小,表示微波反射損耗越大。微波檢測參數為：頻率為6～14 GHz；天線與試樣表面的距離為7 mm；x掃查軸寬度設定為100 mm,分辨率設定為10 mm；y步進軸長度設定為540 mm,分辨率設定為15 mm。 

2.1.2   數據分析

以正常焊接工藝下的水平1試樣微波檢測曲線為評判線,其微波回波波幅為－12～－10 dB,超出該波幅的部分視為冷焊。對制備的25個水平試樣進行微波檢測,對檢測的數據進行統計分析,結果如圖1所示。由圖1可知：以θ為定值,t2為變量,隨著t2的減少,熱熔焊接接頭的焊縫區微波回波最大幅值呈增大趨勢,表明熱熔焊接接頭的冷焊程度隨著t2的減少呈增大趨勢；以t2為定值,θ為變量,隨著θ的降低,熱熔焊接接頭的焊縫區微波回波最大幅值呈增大趨勢,表明熱熔焊接接頭的冷焊程度隨著θ的降低呈增大趨勢。 

圖  1  焊縫區微波回波最大幅值的變化情況

對檢測數據中冷焊長度和冷焊占比進行統計,結果如圖2所示。由圖2可知：隨著t2的減少,水平1～5試樣(θ＝225 ℃)的冷焊長度和冷焊占比呈增大趨勢,水平6～10試樣(θ＝210 ℃)的冷焊長度和冷焊占比呈增大趨勢,水平11～25試樣均為100%冷焊。 

圖  2  冷焊長度和冷焊占比的統計結果

2.2   拉伸強度與破壞方式測定

2.2.1   拉伸試驗

按照GB/T 19810—2005 《聚乙烯(PE)管材和管件 熱熔對接接頭 拉伸強度和破壞形式的測定》,分別在制備的25個熱熔焊接接頭上取4個A型試樣,采用拉伸試驗機對試樣進行拉伸試驗,拉伸試驗后試樣的宏觀形貌如圖3所示,試樣均斷裂在焊縫區,破壞類型為韌性破壞。試樣拉力與位移的關系曲線如圖4所示。由圖4可知：開始拉伸階段,拉力增大很快,但試樣變形不明顯,屬于彈性變形階段；當單側管材發生屈服變形時,拉力達到最大值,然后出現急速下降趨勢,試樣出現縮頸現象；拉力在屈服階段降低至最小值后出現小幅度的升高現象,單側管材與試樣交界處的變形速率加快,出現薄弱點,并產生應力集中現象；隨著拉力緩慢增大,單側管材與試樣交界處的變形加劇,試樣很快在該位置斷裂。 

圖  3  拉伸試驗后試樣的宏觀形貌

圖  4  試樣拉力與位移的關系曲線

2.2.2   數據分析

對拉伸斷裂時試樣的最大拉力和位移數據進行統計,剔除了其中誤差較大的數據,結果如圖5所示。由圖5可知：試樣斷裂時最大拉力為3 550～3 850 N,強度變化較小；拉伸試驗時載荷銷間距離為165 mm,斷裂時位移為80～120 mm,塑性變化較大；當以θ為定值,t2為變量時,隨著t2的減少,試樣斷裂時最大拉力和位移均呈下降趨勢；當以t2為定值,θ為變量時,隨著θ的降低,試樣斷裂時最大拉力和位移均呈下降趨勢。 

圖  5  拉伸試樣斷裂時最大拉力和位移的統計結果

2.3   斷口分析

2.3.1   聚乙烯微觀結構與銀紋

聚乙烯是一種部分結晶性聚合物,其組成可分為結晶區和無定形區,結晶區和無定形區的性質及分布對聚乙烯的性能有很大影響。在結晶區內,聚乙烯分子鏈在垂直于晶面的方向上反復折疊,形成片晶。在無定形區內,存在無定形分子鏈,除了無序排列的分子鏈,還存在位錯、孔洞等缺陷。聚合物的損傷斷裂是一個復雜的過程,分子鏈間的重排、滑移、解纏及斷鏈等過程會引發銀紋和微裂紋,最終導致材料的整體破壞。 

2.3.2   掃描電鏡(SEM)分析

采用場發射掃描電鏡對水平1試樣斷口形貌進行觀察,結果如圖6所示。由圖6可知：試樣斷口可見明顯的結晶區和無定形區；無定形區的系帶分子鏈被拉長,開始解纏結,在缺陷位置處形成了微孔洞,被拉長的系帶分子鏈逐漸形成了包圍微孔洞的微纖維,由系帶分子鏈形成的連接銀紋邊界的微纖維被拉長到一定程度后發生瞬時斷裂。 

圖  6  水平1試樣斷口SEM形貌

水平15,25試樣斷口SEM形貌如圖7所示。由圖7可知：水平1,15,25試樣斷口結晶區和無定形區的分子纏結程度是有差別的,隨著加熱板表面溫度的降低和吸熱時間的減少,分子纏結程度呈下降趨勢。因為接頭焊接熱量不足,熔合不充分,界面層的聚乙烯分子并未充分地擴散與纏結[9]。分子纏結程度與冷焊嚴重程度存在正向關系。 

圖  7  水平15,25試樣斷口SEM形貌

3.   結論

(1) 隨著加熱板表面溫度的降低和吸熱時間的減少,熱熔焊接接頭的冷焊程度呈增大趨勢,冷焊長度及冷焊占比呈增大趨勢。 

(2) 隨著加熱板表面溫度的降低和吸熱時間的減少,試樣拉伸斷裂時的最大拉力和位移呈下降趨勢,斷裂時試樣強度變化較小,塑性變化較大。 

(3) 熱熔焊接接頭微觀分子纏結程度與冷焊嚴重程度存在正向關系。 

文章來源——材料與測試網