喬 濤， 席 丹

(港華燃?xì)馔顿Y有限公司，廣東深圳518026)

1 概述

聚乙烯(PE)燃?xì)夤芎附?包括熱熔焊接、電熔焊接)是PE燃?xì)夤艿朗┕み^程中非常重要的操作工序，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全和使用壽命。

本文通過對港華燃?xì)馔顿Y有限公司(以下簡稱集團(tuán))全自動(dòng)焊機(jī)(包括全自動(dòng)熱熔焊機(jī)、全自動(dòng)電熔焊機(jī)，以下簡稱為熱熔焊機(jī)、電熔焊機(jī))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(yàn)及抽樣方案的調(diào)研，分析提高PE燃?xì)夤芎附淤|(zhì)量的途徑。

2 調(diào)研與測試發(fā)現(xiàn)的問題

2.1 焊機(jī)

① 產(chǎn)品質(zhì)量

焊機(jī)品牌五花八門，很多品牌的產(chǎn)品設(shè)計(jì)沒有通過型式試驗(yàn)檢驗(yàn)，存在一些功能設(shè)計(jì)不符合規(guī)范要求，參數(shù)控制與報(bào)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(jī)，在使用過程中，主要有以下常見問題。部分焊機(jī)沒有按要求定期檢定與校準(zhǔn)。熱熔焊機(jī)液壓系統(tǒng)不穩(wěn)定。熱熔焊機(jī)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(jī)焊接參數(shù)超標(biāo)，監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)不報(bào)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(shí)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(jìn)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(shí)，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(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場打印焊接記錄不一致，無法判別真實(shí)與準(zhǔn)確性。

2.4 破壞性試驗(yàn)及抽樣方案

除根據(jù)CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(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(jìn)行破壞性試驗(yàn)外，集團(tuán)還規(guī)定對焊口進(jìn)行隨機(jī)抽樣的破壞性試驗(yàn)。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)以下問題。

① 破壞性抽樣測試頻次達(dá)不到集團(tuán)要求。

② 沒有采取隨機(jī)抽樣，而是特意焊接后制作試件送檢。

③ 第三方檢測機(jī)構(gòu)的檢測項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)不符合集團(tuán)要求。集團(tuán)要求電熔焊接試件的破壞性試驗(yàn)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(yàn)》、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(yàn)》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(yàn)》進(jìn)行彎曲剝離試驗(yàn)。但由于檢測設(shè)備及檢測人員等原因，第三方檢測機(jī)構(gòu)出具的檢測報(bào)告內(nèi)容往往無法滿足集團(tuán)要求，特別是涉及ISO 21751的檢測項(xiàng)目。

3 改進(jìn)措施

3.1 焊機(jī)質(zhì)量控制與性能提升

① 初始卷邊高度控制

焊機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)加熱板帶壓接觸時(shí)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(bǔ)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(dòng)所壓縮的體積相等為原則進(jìn)行計(jì)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(jī)機(jī)架上安裝一個(gè)測量精度為μm級(jí)的位移傳感器，并將管端位移量的計(jì)算式寫入熱熔焊機(jī)控制程序，實(shí)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(jī)作用于管材的力主要為滑動(dòng)拖動(dòng)拉力(克服管材移動(dòng)過程中摩擦力所需要的力)、界面作用力(焊機(jī)實(shí)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(jī)應(yīng)具有滑動(dòng)拖動(dòng)拉力補(bǔ)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(jī)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?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》附錄A進(jìn)行計(jì)算。

為使熱熔焊機(jī)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(jī)制造過程及定期校準(zhǔn)時(shí)，采用高精度儀器檢測與記錄熱熔焊機(jī)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(jī)應(yīng)具備拖動(dòng)拉力補(bǔ)償功能，當(dāng)界面作用力低于設(shè)定值下限時(shí)(規(guī)定熔接作用力的80%)，液壓系統(tǒng)將自動(dòng)提高界面作用力達(dá)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(shí)(規(guī)定熔接作用力的120%)，熱熔焊機(jī)將報(bào)警提示并自動(dòng)停止工作。

③ 加熱板溫度均勻性控制

熱熔焊機(jī)加熱板表面溫度的均勻性及控制精度是加熱板設(shè)計(jì)制造時(shí)需要考慮的兩項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。我們在調(diào)研時(shí)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(jī)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(jī)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(shí)反映加熱板的整體溫度分布情況。

因此，我們細(xì)化了加熱板表面溫度的檢測方法，增加了測點(diǎn)并明確了測點(diǎn)具體位置(見圖3)，要求任意一點(diǎn)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(jìn)行測量。圖3中加熱板外圓周溫度測點(diǎn)、內(nèi)圓周溫度測點(diǎn)所在圓周分別對應(yīng)某規(guī)格熱熔焊機(jī)所能焊接的最大、最小規(guī)格管材的公稱外徑。集團(tuán)常用熱熔焊機(jī)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(gè)加熱面的溫度測點(diǎn)進(jìn)行測量。

④ 焊接參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測及報(bào)警功能

GB/T 20674.1—2006附錄A.2規(guī)定：在每個(gè)接頭熔接過程中，焊機(jī)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(diǎn)

熱熔焊機(jī)型號(hào)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(shí)間和作用力：滑動(dòng)拖動(dòng)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(shí)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(yàn)檢測及驗(yàn)證，我們對監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行了補(bǔ)充。當(dāng)這些參數(shù)超標(biāo)時(shí)，焊機(jī)程序?qū)⒆詣?dòng)提示錯(cuò)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(bǔ)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(shí)間、加熱板切換時(shí)間、焊接時(shí)間、界面作用力。

⑤ 焊機(jī)檢定及校準(zhǔn)、維修

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

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

電熔焊機(jī)：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(shí)。電熔連接設(shè)備報(bào)警時(shí)。焊接參數(shù)超出規(guī)定時(shí)。設(shè)備故障維修，更換影響焊接參數(shù)的零部件時(shí)。環(huán)境溫度補(bǔ)償功能不符合規(guī)范要求時(shí)。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(jī))。

3.2 焊接操作的規(guī)范管理

集團(tuán)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?xì)夤艿朗┕さ南嚓P(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(jìn)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(shí)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(gè)項(xiàng)目的參與程度及表現(xiàn)。還登記了焊機(jī)等設(shè)備的品牌、型號(hào)、日常維護(hù)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(shí)施現(xiàn)場檢查。

③ 焊接質(zhì)量管理

為切實(shí)將保證焊接質(zhì)量落到實(shí)處，我們利用PDA實(shí)現(xiàn)了熱熔焊接、電熔焊接關(guān)鍵工序節(jié)點(diǎn)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(hào)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(dòng)識(shí)別及判斷焊接記錄的有效性。

3.3 完善破壞性試驗(yàn)的抽樣方案

對于PE燃?xì)夤艿篮附樱瑖鴥?nèi)外尚沒有較成熟可靠的無損檢測技術(shù)，破壞性試驗(yàn)仍是最為常用的焊接質(zhì)量檢驗(yàn)方法。我們借鑒兄弟燃?xì)夤镜慕?jīng)驗(yàn)，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(jī)及新校準(zhǔn)焊機(jī)，熱熔焊接、電熔焊接的前5道焊口抽1個(gè)試件(任意規(guī)格)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。

定期抽檢。熱熔接口：每個(gè)季度，每臺(tái)焊機(jī)隨機(jī)抽取1個(gè)試件(任意規(guī)格)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。電熔接口：每個(gè)季度，每名焊工隨機(jī)抽取1個(gè)試件(任意規(guī)格)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。

除定期抽檢外，對于大型項(xiàng)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(shí)，每臺(tái)焊機(jī)隨機(jī)抽取1個(gè)試件(任意規(guī)格)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。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(gè)時(shí)，每名焊工隨機(jī)抽取1個(gè)試件(最大規(guī)格)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。

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(jī)構(gòu)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)(包括彎曲剝離試驗(yàn))。