含缺陷燃气聚乙烯管热熔接头的力学性能实验与分析_许卫荣.pdf

37含缺陷燃气聚乙烯管热熔接头的力学性能实验与分析*许卫荣1谢世杰2王强2胡栋3廖晓玲4（1.湖州市特种设备检验研究院，浙江湖州313099；2.中国计量大学质量与安全工程学院，浙江杭州310018；3.泰安市特种设备检测研究院，山东 泰安 271099；4.杭州市特种设备检测研究院，浙江 杭州 310051）摘要采用拉伸试验装置对含不同工艺缺陷的 HDPE 管热熔接头开展拉伸试验，并结合扫描电子显微镜（SEM）对接头的断裂面形貌进行分析。研究发现：含冷焊、过焊、未熔合、卷边焊缺陷的热熔接头试样相比于正常焊接参数下的热熔接头试样，在断裂伸长率和拉伸屈服强度上都有显著降低，SEM 图显示纤维之间的缠绕和银纹面积的大小是影响接头焊接性能的重要因素。结果表明：含冷焊、过焊、未熔合、卷边焊缺陷的 HDPE 管热熔接头的力学性能有显著降低，在长期服役过程中存在一定的安全隐患。关键词高密度聚乙烯热熔接头拉伸性能扫描电子显微镜Testing and analysis of mechanical properties of butt fusion joint of gas polyethylene pipe with defectsXU Weirong1XIE Shijie2WANG Qiang2HU Dong3LIAO Xiaoling4（1.Huzhou Special Equipment Inspection and Research Institute，Huzhou Zhejiang 313099，China）AbstractTensile tests are carried out on HDPE pipe hot melt joints with different process defects using a tensile tes-ting device，and the fracture surface morphology of the joints was analyzed in combination with scanning electronmicroscopy（SEM）.It was found that the hot melt joint specimens with cold welding，overwelding，unfused and rollededge welding defects had significantly lower elongation at break and tensile yield strength compared to the hot meltjoint specimens with normal welding parameters，and the SEM images showed that the winding between fibers and thesize of the silver pattern area were important factors affecting the welding performance of the joint.The experimentalresults show that the mechanical properties of HDPE pipe butt fusion joint with cold welding，over welding，incom-pletefusionand edge welding defects jointare significantly reduced，andthere will be some hidden dangers in thelong-term service process.Key wordshigh density polyethylenebutt fusion jointtensile propertiesscanning electron microscope0引言高 密 度 聚 乙 烯（High Density Polyethylene，HDPE）管道具有耐腐性能良好，使用寿命长，成本低等优点，被广泛用于燃气管网的建设当中。对于公称直径在 63 mm 以上的 HDPE 管道，一般适用于热熔焊接的方式1，而 HDPE 管道的热熔接头性能，直接影响着燃气管网的运行安全和使用寿命。在实际施工当中，由于受施工人员经验、焊接工艺参数和现场工况的影响，其管道的焊接接头位置容易产生冷焊、过焊、卷边焊和融合面过短等工艺缺陷，这将直接影响接头的性能，给燃气管网的安全埋下巨大的隐患2-3。目前，对 HDPE 管焊接接头的安全评价和检测方法包含破坏性实验和非破坏性实验，其中，非破坏性实验包括相控阵超声检测4-5、红外热成像方法6、微波检测法7等等，尤其是相控阵超声的便捷性和良好的缺陷检出率，在实际工程检测中得到了广泛的应用。另外，很多学者也对 HDPE 管的热熔接头进行力学性能分析和安全评价。ALKAKISS8等采用拉伸试验和静液压测试方法，对 HDPE 管热熔接头的力学性能进行了分析。陈星宇等9基于 Ansys 软件对埋地状态下的含热熔孔洞缺陷的 PE 管道进行应力分析。戴鸿滨等10对 3 种典型工艺参数下的热熔接头进行了拉伸和弯曲力学性能测试，并对接头微观组织进行了扫描电镜（Scanning Electron Micro-scope，SEM）分析。张蕾等11通过拉伸蠕变实验对PE100 管及热熔接头进行了测试，得到基于蠕变断裂参数的裂纹拓展动力学关系式，并分析了裂纹圆*基金项目：浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划（2022C03179）；浙江省市场监管局科技计划项目（20210144，20190325）；杭州市科技局农业与社会发展项目（20201203B159）。2023 年第 49 卷第 3 期March 202338棒试样的断面形貌。范自伟等12研究了温度和卷边对燃气管热熔焊接接头性能的影响，建立了接头最大应力和断裂伸长率与温度的函数关系。目前的相关研究主要针对单一缺陷对热熔接头性能的影响，对不同焊接缺陷（过焊、冷焊、未熔合、卷边焊）的接头性能进行系统的研究还较少。本文主要针对含过焊、冷焊、未熔合、卷边焊4种不同工艺缺陷类型的热熔接头，对其进行系统的分析。结合拉伸试验方法和电镜扫描，比较不同缺陷类型接头的拉伸屈服应力和断裂伸长率，分析其断裂过程，通过断裂面的电镜扫描结果，对含不同工艺缺陷类型的热熔接头性能做出评价。1试验方案1.1试验材料及设备试验材料采用黑色 HDPE 管，PE100，DN160。由于影响HDPE管热熔接头焊接性能的主要因素有焊接温度、焊接压力和吸热时间13，本文选取了差别较大的焊接工艺参数进行热熔焊接。根据塑料管材和管件 燃气和给水输配系统用聚乙烯（PE）管材及管件的热熔对接程序（GB/T 324342015）14进行制作。具体焊接参数如表 1 所示。表 1热熔焊接参数试样编号焊接温度T/焊接压力p/MPa吸热时间t/s类型1#2500.9150过焊2#1500.9150冷焊3#2250.3150未熔合4#2251.5150卷边焊5#2250.9150正常采用新三思（上海）企业发展有限公司生产的CMT-6104微机系列电子万能试验机，其试验力测量范围100N10kN，大变形测量范围10800mm，位移示值误差0.2%以内，位移分辨率 0.015 m。1.2试验指标本次试验主要测量拉伸试样的断裂伸长率和屈服强度，试验结果取平均值。对于每个试样，其断裂伸长率可以由式（1）表示：=（L-L0）/L0100（1）式中，为断裂伸长率，%；L为断裂时标线间的长度，mm；L0为标线间的原始长度，mm。对于每个试样，其屈服强度可以由式（2）表示：=F/A（2）式中，表示屈服强度，MPa；F 表示屈服点的拉力，N；A 表示拉伸试样的原始横截面积，mm2。1.3试验方法拉伸试验方法参考 热塑性塑料管材 拉伸性能测定（GB/T 88042003）15进行，采用哑铃型裁刀进行冲裁制样，制样的取样沿管道长度方向与焊缝方向垂直，试样尺寸及实物图如图 1（a）和图 1（b）所示。在进行拉伸试验前，将试样在温度为 232的环境下静置 6 h 以上，采用松式夹持试样法，拉伸速率设置为 5 mm/min，并统一对内外接头卷边进行切除后进行拉伸试验16。（a）试样尺寸（b）试样实物图 1拉伸试样尺寸及实物2拉伸试验结果及分析2.1拉伸历程结果与分析同一缺陷类型拉伸试样的位移-拉力曲线发展趋势总体相似，拉伸结果如图 2 所示，拉伸试样断裂形貌如图 3 所示。图 2 含缺陷热熔接头拉伸曲线对图 2 中的 5 种拉伸曲线类型进行分析：1#过焊缺陷试样在拉伸一段位移后在母材一侧开始屈服，并向另一侧发展，当拉伸位移量达到 170mm 左右，屈服发展到焊缝附近时，在焊缝处发生了断裂，该类试样的断裂形式属于韧性断裂（图 3a）。由于焊接加热时温度过高，造成焊缝区域材料的热39（a）1#试样（b）2#试样（c）3#试样（d）4#试样（e）5#试样图 3含工艺缺陷热熔接头试样断裂形貌氧化分解，造成焊缝处强度降低。2#冷焊缺陷试样同 1#试样类似，在试样的母材一侧开始屈服，并向另一侧发展，当拉伸形变量达到200 mm 左右时，在试样的焊缝处发生断裂，该类试样的断裂形式为韧性断裂（图 3b）。与试样 1#的焊接条件相比，试样 3 焊接时加热的温度要低于正常焊接参数下的温度，由于焊接端面的吸热不足致使熔融区不能充分扩散和移动，造成焊缝处强度降低。3#未熔合缺陷试样的拉伸形变也是从母材的一侧开始屈服，再逐渐向另一侧母材发展，当拉伸形变量达到 195mm左右时在焊缝处发生断裂，该类试样的断裂形式仍属于韧性断裂（图 3c）。该类型接头由于焊接时焊接压力不足，造成焊接接头连接不牢靠。4#卷边焊缺陷试样的拉伸形变同样从母材一侧开始屈服，经历焊缝区域屈服变形后，准备向另一侧母材继续扩展时发生断裂，拉伸位移量为 190 mm，其断裂形式为韧性断裂（图 3d）。这是由于过高的压力使得接头处大量熔融料被挤出，焊缝区剩余熔融料不能够满足正常焊接的要求，因此拉伸过程中在焊缝处极易发生断裂。5#正常接头试样的拉伸形变从母材一侧开始屈服，并逐渐向另一侧发展，在拉伸到焊缝附近时，焊缝处发生屈服变形，随后拉伸形变继续向另一侧母材扩展，经历管材强化，试样倒角处屈服变形，试样继续强化后，最终在试样的焊缝附近发生断裂，拉伸位移量达到了 600mm左右，该类试样的断裂形式属于韧性断裂（图 3e）。试样的拉伸长度远大于其他 4组含工艺缺陷接头试样，拉伸性能最好。2.2拉伸试验结果与分析对上述 5 组HDPE管热熔接头拉伸试样拉伸时的试验结果如表 3 所示。相比于正常热熔焊接参数下的 5#试样，其他 4组试样的拉伸最大力都有明显的减少，在 1 9682 367 N 之间，而正常焊接参数下的拉伸最大力接近2 600 N，最大相差超过 600 N；另外，含工艺缺陷接头的抗拉强度也有明显的减少，与正常焊接参数的接头要低 23 MPa。以上结果说明含工艺缺陷的热熔接头在拉伸最大力和抗拉强度上，都有一定的降低。表 3试样拉伸实验结果试样编号拉伸最大力/N抗拉强度/MPa断裂形式1#1 968.1016.47韧性断裂2#2 302.8216.91韧性断裂3#2 367.5617.64韧性断裂4#2 186.7116.77韧性断裂5#2 599.9519.41韧性断裂上述 5 组拉伸试样的断裂伸长率和拉伸屈服强度如图 4 所示。图 4试样断裂伸长率及拉伸屈服强度由图中可以得出，除了 5#正常焊接参数下的拉伸试样，其他 4 组拉伸试样的断裂伸长率都有明显的减少，大致在 130%174%之间，相比于 5#试样的断裂伸长率 717%，差了接近 5 倍，试样在未拉伸到足够长度时就已经发生断裂。1#、2#、3#、4#这 4 组试样的拉伸屈服强度 平均值分别为