聚乙烯压力管道焊接中的问题探讨_郑伟义

聚乙烯压力管道焊接中的问题探讨郑伟义1吴文栋2马建萍3（1.国家塑料制品质量监督检验中心，福州350002；2.广州市特种承压设备检测研究院，广州510100；3.西安塑龙熔接设备有限公司，西安710043）摘要概述了聚乙烯压力管道的材料性能和焊接机理，分析了焊接机具和环境因素对焊接质量的影响。

认为在聚乙烯材料加工（焊接、挤出、注塑）过程中，不仅应考虑MFR 和PE 80级、PE 100级材料强度，还应用差示扫描量热法（DSC ）检测聚烯烃材料的性能，提供贴近加工的性能参数；非金属中塑料焊接是相对分子质量在一定区间的混合物相互活动渗透，故非金属中塑料的焊接一定要考虑到材料匹配的兼容性。

焊接机具要考虑控制仪表的精度和热传递的点面及热扩散均匀的关系，还要注意自然环境中温度、风速、湿度和海拔高度等因素，特别是海拔高度带来的影响，一定要模拟该环境条件进行工艺评定。

关键词聚乙烯；压力管道；焊接；控制中图分类号TQ325.1+2文献标识码BDOI 10.3969/j.issn.1006-6829.2014.05.012以塑代钢，减少环境污染、降低能耗是我国的基本国策。

在积极发展化学建材的国家纲要下，塑料建材代替金属建材的发展相当迅猛，特别是用低压法工艺生产的高密度聚乙烯（HDPE ），这种热塑性塑料制品在不改变原来的塑性情况下，以它较好的刚性、硬度、强度、耐腐蚀性、电绝缘性和耐吸水性等物理化学性能，在城市燃气、给水的压力输配管网系统中得到了广泛的使用，并且年使用量已近百万吨。

但是在大力推广使用埋地聚乙烯压力管道的同时，材料的生产、管道的制造和安装技术还存在不足之处，市场的恶性竞争已带来并可能即将带来很多的工程质量问题。

虽然政府职能部门和标准化组织已出台了许多相应的技术规范和技术标准，但滞后的现象暂无法改变。

就此，本文在原应用差示扫描量热法（DSC ）测试技术对HDPE 材性和加工性能了解的基础上，再论聚乙烯压力管道焊接中存在的问题[1]。

1聚烯烃材料的性能热塑性塑料中的聚烯烃材料包括聚乙烯、聚丙烯等大类。

之所以聚烯烃材料用焊接方法作为主要压力管道系统的连接方法，是由于其材料的分子结构特点所决定的。

其中，聚乙烯材料是一种高结晶度的聚合物，如图1所示，具有非极性长链分子结构，相互能贯穿、重叠、缠绕，无规则线团结构。

随着分子链的加长，结晶度的增高，分子键能也逐渐增强，长链分子间具有强大的吸引力，从而使聚乙烯表现出良好的物理力学性能。

另外，它的结晶态、高弹态、粘流态三态随着一定的升温降温曲线的变化是可逆的，不会导致材料性能的变化。

聚乙烯是高分子聚合物，它的相对分子质量是在一定的区间内，它的区间大小取决于聚合控制技术，区间大小决定了材料的各项特性，也决定了焊接工艺的要求。

2聚乙烯压力管道的焊接机理聚乙烯材料的焊接，由于相对分子质量不一，在一定的区间范围内，所以聚乙烯材料的焊接可以视为混合物的焊接，基本有以下2种焊接方法。

1)热熔对接法：使用专门加热工具对元件两端部加热至粘流状态后，在压力下将其焊合；2)电熔连接法：将非金属材料制电熔管件通电加热至表面熔化，使之与相接触的另一元件焊合。

它们的焊接机理均为：用外加热能的方法，使分!!!!!!!!!"!"!!!!!!!!!"!"非金属管道与容器收稿日期：2014-08-29郑伟义等聚乙烯压力管道焊接中的问题探讨非金属管道与容器·46·2014年第21卷第5期化工生产与技术Chemical Production and Technology子间相互运动、渗透，使相对分子质量相对在同一区间的2种聚乙烯材料的端表面粘流、熔化，并在一定条件下使其焊合。

3焊接质量的影响因素3.1聚乙烯材料焊接机理的探讨表明，材料表面虽然相互渗透，但材料并没有真正兼容，这是目前聚乙烯焊接中存在的一个很重要的问题。

聚乙烯压力管道焊接，与材料有关的现有依据为[2]：1)材料强度PE80级，焊接温度(210±10)℃；材料强度PE100级，焊接温度(225±10)℃；2)熔体质量流动速率（MFR）差值≤0.5g/10min （190℃，5kg）。

作为PE80级、PE100级只是材料强度，与焊接工艺条件有一定的关系，但不能作为根本依据；MFR测试结果对聚乙烯材料而言，仅表示材料在该检测条件下受热后的流动状态，虽与焊接工艺条件也有一定的关系，但也不能作为主要的依据。

材料的正确互焊，根本要考虑材料的兼容性，也就是材料的匹配性，它的材料特征最根本的应为相对分子质量的分布。

它是一个不同相对分子质量的混合物，可以用相对性来描述，如使用DSC检测，如图2所示，可以得到在温度条件下的熔程曲线，明确材料相对分子质量的分布，并可以计算出相对分子质量分布的相对量化，描述了受热后温度与熔化过程的关系及焓变量，给成型加工（焊接、挤出、注塑）提供了依据，特别是结晶转化点温度（分解温度）对焊接而言，限制了最高焊接温度。

图2焊接材料的DSC曲线Fig2The DSC curve of welding material3.2机具聚乙烯压力管道的焊接机具有明确的产品标准———GB/T20674.1—2006和GB/T20674.2—2006[3-4]。

标准中对机具要求是最低要求。

在实际生产和应用过程中，还是存在许多问题，主要是制造技术水平低以及市场恶性竞争而导致机具的产品质量低下，其中热熔对接焊机具尤为严重。

3.2.1热熔对接焊机具热熔对接焊机具是用电热板加热熔接聚乙烯压力管道的机具，分为机动焊和自动焊2种机具。

按GB/T20674.1—2006的要求，有机架及夹具要求、界面作用力传递、铣刀、加热板等主要技术要求。

机架及夹具主要要求包括强度、导向、切换、刚性和复圆功能；界面作用力传递主要要求为机具使用过程中的压力显示；铣刀、加热板，顾名思义，提出了一些具体要求。

在实际应用中，热熔对接焊机具中的加热板是一个很重要的组成部分，而加热板的制图1聚烯烃材料的结晶CT影像Fig1The CT images of polyolefin material crystallization ·47·作不单为标准中所提到的厚度与间距的要求，而更重要的应该是加热板内的热源分布和热均匀扩散的要求，并且对温度控制系统的控制及精度必须有更高的要求。

对这些问题的忽视，会产生端面各点受热不均匀的现象，焊接后的质量会出现一个端面有不同强度的问题，还会发生超过实际的焊接温度，突破材料玻璃化转换温度（分解温度）的问题，降低了焊缝的强度。

3.2.2电熔连接焊机具电熔连接焊机具是用电压和电流的方式进行控制，采用电阻丝加热熔化连接聚乙烯压力管道的机具。

按GB/T20674.2—2006的要求，有结构和工作等主要技术要求。

在结构要求中，标准罗列了表观的操作要求和用电安全性能要求；在工作要求中，提了对温度和电阻的测试控制仪表的要求以及对进入机具的电流、电压的高低限要求，但对控制仪表本身的精度均无要求。

众所周知，用电阻丝加热给能的依据就是电流、电压和时间。

能够精确测量和控制电压、电流和时间的电熔连接焊机具是焊接质量的根本保证。

3.3环境在充分认识聚乙烯材料材性的基础上，操作人员必须经过专业培训合格上岗[5]。

在达到要求的焊接机具保证下，由于我国地域辽阔，自然环境条件相差很大，因此对焊接质量也会有很大的影响。

3.3.1温度聚乙烯压力管道系统焊接，机具使用应在-10～40℃的正常范围内，若不在正常温度范围内则可以采取保护的方法满足该要求。

但在实际施工中，往往施工焊接仅考虑到满足机具的要求，而忽视了材性的根本要求。

例如在某地，环境温度仅有-25℃的条件下，进行抢修施工，在焊接中，用保护的方法达到了机具-10～40℃的要求，但焊接完毕后立即撤除了保护装置，使焊缝温度由大于200℃急骤冷却至环境温度，未能达到材料可逆性的粘流、高弹、结晶温度曲线要求，严重影响了焊缝的强度质量。

3.3.2风速在施焊过程中，即使环境温度在-10～40℃的正常范围内，符合机具的使用要求，但若风速过高，机具给定的热能易被风带走，会造成焊接能量不够或加热不均匀的现象，从而产生焊接质量下降的后果。

3.3.3湿度我国东南沿海地区及重庆、四川、贵州和云南等地区，普遍会出现季节性的高湿度环境。

在施焊过程中，用电熔承插连接出现的问题较多，往往未处理表面水分就实施焊接，水分受热膨胀而产生气泡，造成焊接缺陷。

在这种情况下，热熔对接也会产生缺陷，主要是加热冷却间，温度的下降会使端面吸收水分，在压合过程中带入的水分受余热影响而膨胀，从而同样产生气泡，造成缺陷。

3.3.4海拔在海拔高度为1.5～3.5km区域的高原上进行焊接施工已是普遍现象。

要在这些区域内施工，不但要考虑温度、风速的影响，也要考虑到海拔高度所带来的低气压影响，如表1所示。

从表1可以看出，大气压在一般情况下，海拔高度每升高1km，相对大气压力大约降低12%；空气温度在对流层下，海拔高度每升高1km，平均温度也会降低5℃。

表1海拔高度与大气密度和温度间关系Tab1The relationships between altitude and atmosphericdensity and temperature海拔高、大气压低，会造成材料熔点、焓变量的变化，在这种情况下，为了确保焊接质量，建议一定要事先模拟现场环境进行焊接工艺评定，制订焊接操作规程。

4结论在聚乙烯材料加工（焊接、挤出、注塑）过程中，仅考虑MFR和PE80级、PE100级材料强度作为基本依据是不够全面和科学的。

用DSC检测聚烯烃材料的性能，能进一步提供贴近加工（焊接、挤出、注塑）的性能参数。

非金属中塑料的焊接机理，不单与金属焊接机理有类似的机理，即在加能情况下，让分子相互活动渗透；但2者也有不同之处，金属焊接是单质分子的相互活动渗透，而非金属中塑料焊接是相对分子质量在一定区间的混合物相互活动渗透，故非金属中塑料的焊接一定要考虑到材料匹配的兼容性。

（下转第51页）m/kPa//0 1.000 101.31.0 0.881 89.25 20.0 40.01.5 17.5 37.52.0 0.774 78.41 15.0 35.02.5 12.5 32.53.0 0.677 68.59 10.0 30.03.5 7.5 27.54.0 0.591 59.875.0 25.05.0 0.514 52.07郑伟义等聚乙烯压力管道焊接中的问题探讨非金属管道与容器·48·2014年第21卷第5期化工生产与技术Chemical Production and Technology!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第48页）焊接机具不但要考虑实用性，而且为保证质量，还要考虑控制仪表的精度和热传递的点面及热扩散均匀的关系。