聚乙烯管道电熔焊焊接缺陷及焊接质量影响因素分析

王谦

（上海华谊建设有限公司)

聚乙烯管道电熔焊焊接缺陷及焊接质量影响因素分析

王谦*

（上海华谊建设有限公司)

分析了聚乙烯管道电熔焊的缺陷类型和影响电熔焊质量的因素，提出了控制聚乙烯管道电熔焊质量的措施。

管道 电熔焊 聚乙烯 焊接缺陷 焊接质量

20世纪50年代以后，随着石油化学工业的发展，塑料制品种类不断增多。作为一种新型的工程材料，塑料管以其特有的优势，受到了管道工程界的广泛重视和开发研究，在原料合成生产、管子管件制造技术、设计理论和施工技术等方面得到了很大发展。目前，塑料管在管道工程中占据了相当重要的位置，形成了一种不可阻挡的发展趋势。聚乙烯（PE）管道的焊接质量，很大程度上与所选用的接头结构和焊接装配工艺有关。目前聚乙烯管道的连接普遍采用不可拆卸的焊接接头。聚乙烯管焊接原理虽简单，但影响焊接质量的因素却很多，某一环节控制不严，即会影响焊接质量。要保证聚乙烯管道焊口的质量，就必须在整个焊接过程中按照评定合格的焊接工艺进行操作。

选择最佳的焊接工艺和接头结构，制定出控制接头质量的方法，研究缺陷对接头质量的影响，进行管道电熔焊的缺陷分析，以及施工过程中加强焊接工艺控制等，对管道安装质量都是非常重要的。

1 聚乙烯管道电熔焊的缺陷分析

电熔焊焊接接头的缺陷包括冷焊、过焊、未熔合、错位、气泡、空洞、夹杂及金属丝错位等。根据聚乙烯电熔焊接头缺陷的成因、特征及其引起的失效形式，可将电熔焊焊接缺陷分为以下几类：熔合面缺陷、孔洞、金属丝错位和冷焊等。

（1）熔合面缺陷

熔合面缺陷出现在熔合界面上，即出现在套筒内壁与管材外壁的结合面上。熔合面缺陷主要包括未熔合、夹杂等，该类缺陷属于面积型缺陷，见图1。

未熔合主要是指管件内壁与管子外壁间出现没有完全熔合在一起的现象，此时管件内壁与管子外壁间存在间隙。

图1 未熔合剖面

造成熔合面缺陷的主要原因有：焊接时间不足或焊接功率偏小引起的接头受热不足；材料尺寸偏差引起的管件与管子配合间隙过大，导致管件内壁与管子外壁无法接触；管件内壁与管子外壁在焊接前粘有杂质；管子外壁氧化皮未清理干净等。

要避免熔合面缺陷，就应保证接头焊接时有足够的焊接热量，在工地施工中，应避免出现管子与管件配合间隙过大以及焊接面夹杂污物等情况。

（2） 孔洞

通常，空洞位于焊接界面上或在焊接界面附近出现。该类缺陷属于体积型缺陷，见图2。

图2 孔洞

造成孔洞缺陷的主要因素是材料。管件或管子制造过程中在靠近焊接面的位置会留下气孔；电熔管件的加工过程中，在预埋电阻丝时金属丝上方也会产生加工孔洞或间隙。材料中的这些孔洞在焊接完成后仍会残留在接头中。此外，焊接过程中的严重过焊、焊接界面粘有水或潮湿杂质以及焊接界面间隙中的空气和焊接冷却过程中散热不均等原因，均会使材料产生收缩，形成冷却缩孔。

（3）金属丝错位

就是原先均匀排布的电阻丝在焊接后发生了水平或垂直方向的位移，见图3。错位的电热丝可能会接触在一起，使得电热丝的总电阻变小。电阻值的减小会造成熔接区域的受热量增大，造成过焊。

科研成果转化是一项周期长且高风险的活动，需要政府、高校、企业、科研成果持有人的多方配合，构建完善的成果转化资金保障机制才能完成。完善的成果转化资金保障机制能合理地分配各阶段资金的投入比例，保障整个转化过程有充足的资金流，有效解决科研成果转化过程中投入资金不足的问题，保证转化过程顺利地完成。

造成金属丝错位的主要原因是焊接过热。焊接过热导致聚乙烯材料流动性增加，电热丝随着聚乙烯熔体的流动发生偏移。此外，管件与管子配合过紧，造成焊接时局部熔融区压力过大，也会使得电热丝错位。要避免接头出现电阻丝错位缺陷，就要避免接头的焊接热量及焊接压力过大。现场施工时，应避免焊接时间过长、管子承插不到位以及管子与管件配合过紧等不当操作。

图3 金属丝错位

（4） 冷焊

冷焊是接头焊接热量不足造成的缺陷，见图4。出现冷焊时，管件和管子的界面层分子间未充分扩散与缠结，分子间渗透深度不足，因此虽然分子间的连接得以实现，但宏观上其剥离强度较低。

图4 冷焊

通常冷焊接头在短期的试压试验中并不会被立即破坏，但管道经过一定时间运行后会发生泄漏，这种情况经常出现。由于冷焊缺陷在实际施工中极易发生，而现场又难以发现，因此被认为是危害性最大的缺陷。在焊接施工中，要特别注意焊机所连接的电源电压是否符合焊机要求，焊机在焊接过程中是否出现断电或其他故障而使焊接时间不足。

2 影响电熔焊焊接质量的因素

（1）电压波动对接头质量的影响

对于一个给定的电熔管件，其内部预加热电阻丝的电阻值是一定的。此时，电阻丝的发热功率仅与焊接电源提供的焊接电压有关。当电压波动时，电阻丝的加热功率即随之改变，同时焊接接头的质量也会由于受加热功率波动的影响而变差。

在热传递时间相同时，每种规格管件熔接所消耗的能量应当是相同的。如果加热功率恒定，所消耗能量的大小仅与时间有关。理论与实践证明，特定材料特定规格管件的熔接时间必须控制在一个合理的区间，这与材料的热态特性有关。只有掌握了材料的热态特性，才能选定与之匹配的加热功率，即电源输出电压。否则，熔接接头将会因加热时间不同而引起热传递条件改变，进而影响焊接质量。

（3）环境温度对接头质量的影响

环境温度的变化，直接影响熔接区的热传递条件，进而影响熔接质量。因此电源要能监控环境温度，且要根据温度变化对输出参数作相应调整。

（4）不良操作对熔接接头质量的影响

所谓的不良操作，一般指两种情况：一是指熔接过程中在装卡定位管子与管件、管子刮削或清洗时有不符合规范要求的行为。此行为的改善主要靠提高操作者素质来实现。二是指输入熔接参数时发生的错误，可通过焊机本身的设置来避免。

3 电熔焊焊接过程中的质量控制

电熔焊的焊接质量同样可从人、机、材料、方法和环境几个方面来控制。电熔焊的关键工艺参数包括电压、加热时间、冷却时间、电阻值。从技术上讲，最主要的是电熔管件本身的设计水平、制造质量和焊接过程的控制。焊接前，应检查管子、管件和相关设备，以确保其几何尺寸、性能等均符合规定，并保证焊接人员持证上岗。

要注意待焊表面不能被污染或氧化，否则应先进行表面处理；此外，焊接表面必须干燥。要注意管子与管件之间的配合间隙、圆度、插入深度、轴向对中与定位，确保组合件在无轴向应力的情况下进行焊接。可使用对正夹具，以减少对中误差和焊接过程中的相对移动。只有当管子插入管件时保持同轴，管子的外表面与管件的内表面才能有比较良好的均匀接触。当管子插入管件时，如果管子的轴线与管件的轴线不同轴 （有一倾角），就会在一定程度上影响焊接质量。而且由于这一倾角的存在，在焊接完成埋入管沟以后，这一焊接部位会存在较大的应力。电熔焊接设备应符合国家相关规范、标准的要求。其日常维护非常重要，应定期进行。在电热丝电阻和加热时间一定的情况下，电熔管件的发热量跟焊接电压直接相关。在焊接电压不稳定的情况下，如果焊接电压偏低则会造成发热功率偏小，容易导致虚焊，如果焊接电压偏高则会出现相反的情况。施工现场电源接线长度超过50 m，就必须检查导线截面积是否符合要求；超过100 m时，最好使用发电机供电以保证焊接电压稳定。在电热丝电阻和焊机焊接电压一定的情况下，决定发热量的主要因素就是焊接时间。焊接时间过长，不仅可能造成过热、炭化，而且可能使管子内壁软化变形；焊接时间过短，则可能造成熔深不足。若对焊接功率要求过高，会造成电热丝附近过热。冷却是使接头达到足够的强度，如果冷却时间偏短，焊接接头在未完全冷却的状态下受到外力扰动，就会造成接头强度下降。在冷却过程中应保持焊接组件处于夹紧状态，且不得采取强制冷却。

4 结束语

为了保证PE管道电熔焊的施工质量，施工单位要有焊接工艺规程及焊接工艺评定。焊工应按有关规定进行考试，取得国家质量监督检验检疫总局颁发的聚乙烯管道焊工资格证方可施焊。管道连接前应对管子、管件进行外观检查，符合产品标准要求方可使用。焊接操作现场应当防范恶劣气候的影响，风雨天气时施焊，必须采取适当的保护措施。温度低于-5℃或风力超过5级，应采取保温或防风措施。要确保焊接过程的连续性。焊接完成后应当在承压情况下进行充分的自然冷却，以消除其内应力。管道焊接时每一个焊口应当有详细的焊接原始记录，并进行外观质量检验。

[1]聚乙烯燃气管道工程技术规程：CJJ 63—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]全国非金属化工设备标准化技术委员会.塑料焊接工艺规程：HG/T 4281—2011[S].北京：化学工业出版社，2011.

[3]苏耀军，苏宁.市政给排水聚乙烯管道接口热熔熔焊连接质量控制探讨 [J].城市道桥与防洪，2014(6)：244－246，255.

[4]孙彦磊.聚乙烯管道焊接的质量控制 [J].煤气与热力, 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)

*王谦，男，1967年生，工程师。上海市，200232。