王志剛，楊 波?，李 智，彭國平，姜再佳，利觀寶

（廣州特種承壓設備檢測研究院，廣州 510663）

0 前言

聚乙烯燃氣管道以其優(yōu)異的力學性能、機械加工性能及抗老化性能等優(yōu)勢，在城市天然氣、給排水和排污系統(tǒng)中應用廣泛[1-3]。焊接接頭作為管道連接重要的組成部分，對保證介質的長距離輸送起到至關重要的連接作用[4]。由于受到焊工經驗、焊接工藝和現(xiàn)場工況等影響，管道接頭位置容易出現(xiàn)裂紋、氣孔、融合面夾渣和工藝缺陷等焊接缺陷，而工藝缺陷作為聚乙烯管道電熔焊接過程中最易出現(xiàn)的典型缺陷，直接影響接頭的焊接性能[5]。通過傳統(tǒng)破壞性測試（DT）來檢測電熔接頭的工藝缺陷，由于僅對管道接頭局部區(qū)域進行破壞性取樣，檢測區(qū)域無法實現(xiàn)全覆蓋；并且需要進行開挖、截氣和取樣等操作，工程量大，檢測成本高[6]。近些年來，國內外將無損檢測技術（NDT）逐漸由金屬領域延伸至非金屬領域，但是由于聚乙烯材料特殊的球晶結構使其具有聲波衰減高、聲阻抗低及熱傳導系數(shù)低等特性，常規(guī)NDT難以實現(xiàn)聚乙烯管道焊接接頭缺陷檢測[7-9]。而PA由于具備超聲波聲束聚焦功能，對聚乙烯管道接頭具有較好的缺陷檢出效果。李師一等通過PA對聚乙烯燃氣管道電熔接頭各類焊接缺陷特征圖譜進行分析，總結了缺陷評價方法[10]；解俊偉等通過PA對聚乙烯燃氣管道熱熔接頭氣孔缺陷的檢出率進行了定量分析，證實了采用較低頻率探頭，對較大的體積型缺陷具有較好的檢測結果[11]；郭偉燦、鄭津洋等通過研究發(fā)現(xiàn)，通過PA對電熔接頭進行檢測，其特征圖譜顯示接頭融合邊界會出現(xiàn)一條由微小氣泡組成的熱影響區(qū)邊緣特征線，該特征線能直接應用于評價接頭工藝缺陷，并通過對比缺陷接頭與標準焊接接頭熱影響區(qū)邊緣寬度的比值，對接頭缺陷進行等級評級[12-13]。目前，針對聚乙烯燃氣管道接頭焊接缺陷檢測主要集中于缺陷判定及評級，針對不同焊接缺陷對接頭力學性能的影響研究較少。本文通過對不同焊接程度聚乙烯管道電熔接頭的相控陣特征圖譜與力學性能相關性進行分析，并結合接頭融合面聚乙烯分子微觀結構參量，實現(xiàn)含不同程度工藝缺陷的聚乙烯管道電熔接頭焊接性能的無損評價。

1 評價原理

聚乙烯管道電熔焊接是將內壁含有序排列金屬絲的電熔套筒與管材外壁高溫條件下，熔融的聚乙烯分子相互擴散、交聯(lián)后冷卻重結晶成統(tǒng)一整體的過程。在套筒通電加熱時，金屬絲周圍的聚乙烯分子逐漸被高溫熔化形成熔融區(qū)，隨著焊接時間的增加，管材和管件表面的聚乙烯材料分子鏈相互擴散、滲透并纏結，最后冷卻重結晶成統(tǒng)一的整體，管材、管件的熔融區(qū)分子鏈的纏結數(shù)量直接影響接頭的長期力學性能。超聲相控檢測技術采用線陣聚焦探頭掃描電熔套筒外壁，如圖1所示，通過測量不同焊接時間下接頭熱影響區(qū)邊緣寬度l，得到焊接時間t與熱影響區(qū)邊緣寬度l的對應關系，然后按照GB/T 19806—2005規(guī)定進行擠壓剝離試驗，通過測量得到不同焊接程下的電熔接頭的脆性剝離百分比Cc，見式（1），得到接頭的焊接性能Hc，見式（2）；從而建立接頭熱影響區(qū)邊緣寬度l與焊接性能Hc的對應關系，最終可通過測量接頭熱影響區(qū)邊緣寬度直觀評價接頭焊接性能，實現(xiàn)含不同程度工藝缺陷的聚乙烯管道電熔接頭的無損評價。

圖1 聚乙烯管材-管件電熔焊接原理Fig.1 Principle diagram of polyethylene pipe elector-fusion joins

式中d——脆性剝離長度，mm

s——金屬絲線長度，mm

2 電熔接頭工藝缺陷特征圖譜分析

選用規(guī)格為DN 63 SDR11 HD-PE100燃氣管材、電熔管件制備電熔接頭，焊接電壓U=39.5 V，通過設置不同焊接時間t來制備一批含不同程度工藝缺陷的電熔接頭，如圖2（a）。圖2（b）～（d）分別為焊接時間為10 s、50 s和90 s時，接頭焊接區(qū)域超聲相控陣檢測特征圖譜。由圖2可知，隨著焊接時間t的增加，接頭焊接區(qū)域的熱影響區(qū)邊緣逐漸由金屬絲位置向管件外壁移動，熱影響區(qū)邊緣寬度l逐漸增加。當t=10 s時，相控陣特征圖譜顯示接頭焊接區(qū)域熱影響區(qū)邊緣基本與金屬絲埋深接近，熔融區(qū)金屬絲有序排列，如圖2（b）所示，此時電熔接頭表現(xiàn)為嚴重的冷焊缺陷；而當t=90 s時，相控陣特征圖譜顯示的熱影響區(qū)邊緣寬度l雖然逐漸增加，但是熔融區(qū)的金屬絲出錯位，如圖2（d）所示，此時電熔接頭表現(xiàn)為過焊缺陷。由于熔融區(qū)寬度l直接體現(xiàn)管材、管件間的聚乙烯分子熱運動數(shù)量，因此，通過觀察電熔接頭相控陣圖譜中的熱影響區(qū)邊緣與金屬絲的寬度以及熔融區(qū)金屬絲的排列方式，可以直觀的識別接頭是否有冷焊或過焊缺陷。圖3為接頭不同焊接時間t與熱影響區(qū)邊緣寬度l的對應關系曲線，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著焊接時間的增加，接頭焊接區(qū)域的熱影響區(qū)邊緣以指數(shù)增長的趨勢往管件外壁延伸，意味著接頭融合區(qū)域寬度在不斷增加，管材和管件有更多地聚乙烯分子鏈相互滲透、纏結和重組，接頭的焊接程度在不斷增加。

圖2 預制的電熔缺陷接頭試樣及其相控陣特征圖譜Fig.2 The preformed elector-fusion join specimens and its phased array characteristic atlas

圖3 聚乙烯管道電熔接頭焊接時間t與熱影響區(qū)邊緣寬度l的關系曲線Fig.3 The relationship between the welding time t and the width l of the bubble characteristic line of polyethylene pipe elector-fusion joins

3 電熔接頭工藝缺陷的力學性能分析

為了更直觀反應工藝缺陷對電熔接頭焊接性能的影響，通過將制備的缺陷電熔接頭進行擠壓剝離試驗，如圖4所示。圖5為不同焊接時間聚乙烯管材電熔接頭擠壓剝離試驗結果，其中圖5（a）為接頭正常焊接面，圖5（b）、（c）分別為20 s、50 s時，接頭對應的擠壓剝離結果圖，通過測量接頭對應的脆性破壞長度d，然后根據(jù)式（1）和（2）得到接頭對應的脆性剝離百分比Cc和焊接性能Hc，最終建立不同焊接時間接頭的熱影響區(qū)邊緣寬度l與接頭焊接性能Hc的關系，見表1。由表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著焊接時間的增加，接頭熱影響區(qū)邊緣的寬度逐漸增加，當焊接時間t=20 s時，l=1.01 mm，此時管材和管件的聚乙烯分子開始熔融擴散，接頭的焊接性能Hc=0；當焊接時間t=50 s時，l=2.21 mm時，此時接頭的焊接性能Hc達到最大值96.21%；而隨著焊接時間的繼續(xù)增加，熔融區(qū)特征線寬度l雖然繼續(xù)增加，但是接頭的焊接性能明顯減少，當焊接時間t=90 s時，接頭的焊接性能Hc下降至69.42%，相比t=50 s時，接頭焊接性能下降了26.79%。按照電熔接頭焊接原理，管材、管件熱影響區(qū)邊緣寬度l越大，說明管材和管件間的聚乙烯分子熱運動數(shù)量越多，接頭的焊接性能越好，可實際的測試結果發(fā)現(xiàn)，接頭的焊接性能隨著熱影響區(qū)邊緣寬度l呈先增加后降低的趨勢。

圖4 聚乙烯管材電熔接頭擠壓剝離實驗圖Fig.4 The extrusion stripping test drawing of polyethylene pipe elector-fusion joins

圖5 不同焊接時間聚乙烯管材電熔接頭擠壓剝離試驗結果Fig.5 The extrusion stripping test results of polyethylene pipe elector-fusion joins after different welding time

表1 不同焊接時間下接頭熱影響區(qū)邊緣寬度l與接頭焊接性能Hc的關系Tab.1 The relationship between the edge width l of the HAZ and the joint welding performance Hcof the joint after different welding time

為了驗證這一反?，F(xiàn)象，本文通過對接頭熔融區(qū)聚乙烯材料進行微觀結構分析，通過DSC和FTIR試驗分別測試不同焊接時間時接頭融合面聚乙烯分子的結晶度Xc和官能團組成，如圖6和圖7所示。其中圖6為焊接時間t∈（10 s，90 s）時接頭融合面聚乙烯分子冷卻重結晶后的DSC曲線，圖7為計算得到對應焊接時間t與結晶度Xc的關系曲線，可以發(fā)現(xiàn)，接頭融合面聚乙烯分子結晶度隨著焊接時間的增加呈先增加后降低的趨勢，當t∈（10 s，20 s）時，管材和管件由于受熱時間太短，接觸面的聚乙烯分子吸收的熱能未達到熔融和相互交聯(lián)滲透的極限，此時測量的分子結晶度為原有管材、管件的結晶度；當t∈（20 s，60 s），由于焊接時間增加，管材、管件的接觸面的聚乙烯分子開始熔融和相互交聯(lián)滲透，并且焊接時間越長，吸收的熱能量越多，因此，接頭融合面的聚乙烯分子冷卻后的結晶度越高，接頭的焊接性能越好；當t∈（60 s，90 s）時，接頭融合面聚乙烯分子結晶度隨著焊接時間的增加而降低，在t=60 s時達到最大值62.58%，當t>60 s時，結晶度反而逐漸降低。

圖6 接頭融合面聚乙烯分子在不同焊接時間下的DSC曲線Fig.6 DSC curves of polyethylene molecules on the joint fusionsurface after different welding time

圖7 接頭融合面聚乙烯分子的結晶度Xc與焊接時間t的關系曲線Fig.7 The relationship between the crystallinity Xcand the welding time t of the polyethylene molecule on the joint fusion surface

如圖8所示，通過FTIR分析其聚乙烯分子官能團發(fā)現(xiàn)，融合面聚乙烯分子官能團組成除了含有聚乙烯材料原有的C=C（1 635 cm-1）和—C—H2—（2 910 cm-1），還包含了C—OH（1 040 cm-1）等含氧官能團，說明隨著焊接時間t的不斷增加，由于高溫導致焊端面的C2H4與端面間隙中的O2發(fā)生了氧化反應，破壞了聚乙烯分子原有的分子鏈結構，最終導致接頭焊接性能的下降。

圖8 不同焊接時間下接頭融合面聚乙烯分子官能團組成Fig.8 The composition of polyethylene molecular functional groups on the fusion surface of the joint after different welding time

綜上所述，該聚乙烯燃氣管材、管件電熔焊接接頭最優(yōu)的焊接時間為t=50 s，因此，在實際現(xiàn)場檢測工程中，通過相控陣檢測技術對于該牌號管材、管件電熔接頭進行焊接性能評價時，熱影響區(qū)邊緣寬度應采用l=2.21 mm作為標準評價標準，根據(jù)TSGD 002-2006《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規(guī)則》規(guī)定，對于DN<90的燃氣用聚乙烯管道電熔接頭，其脆性剝離百分比不得高于33.3%，意味著該牌號管材、管件焊接的電熔相控陣檢測正常的熱影響區(qū)邊緣寬度l范圍為1.63～2.28 mm，當高于或低于該寬度范圍時，接頭出現(xiàn)較嚴重的冷焊或過焊缺陷，將直接判廢，不得繼續(xù)使用。

4 結論

（1）建立不同焊接程度時聚乙烯管道電熔接頭熱影響區(qū)邊緣寬度l與力學性能Cc的對應關系，可實現(xiàn)通過測量電熔接頭熱影響區(qū)邊緣寬度l，就能直觀評價聚乙烯燃氣管道電熔接頭焊接性能Hc，實現(xiàn)聚乙烯管道電熔接頭焊接性能的無損評價；

（2）受聚乙烯材料分子結晶性和熱穩(wěn)定性的影響，不同等級牌號的聚乙烯管道焊接工藝差異較大，通過相控陣檢測技術，結合宏觀力學性能和微觀分子結構表征，可以更準確評價不同等級牌號聚乙烯管道電熔接頭的焊接性能，得出最佳的焊接工藝參數(shù)。當焊接時間過短時，相控陣測量得到的接頭熱影響區(qū)邊緣寬度l和聚乙烯分子結晶度Xc偏低，接頭出現(xiàn)冷焊缺陷；當焊接時間過長時，接頭熔融區(qū)的金屬絲出現(xiàn)錯位排列，融合面聚乙烯分子由于高溫氧化反應出現(xiàn)含氧官能團而導致材料結晶度下降，兩者都會導致接頭焊接性能Hc下降。