热熔温度对聚乙烯燃气管道焊接接头性能的影响

Effect of Heat Fusion Temperature on Performance of Polyethylene Gas Pipeline Welding Joints

摘要

热熔焊接是连接聚乙烯（PE）管道的主要方式之一，热熔工艺参数影响焊接接头以及管道整体性能。文章以热熔焊接温度为变量，参考评定合格焊接工艺，制备不同热熔温度焊接试样，分析不同热熔温度下PE焊接接头性能。结果表明：热熔温度对PE焊接接头性能影响显著。拉伸强度、冲击韧性和初始储能模量呈先增长后降低的趋势。当热熔温度为225 ℃时，焊接接头性能最佳。当热熔温度为185 ℃和245 ℃时，焊接接头热熔区拉伸断裂面的裂纹数量增多，PE分子链发生氧化和断裂，证明热熔温度过低或过高会削弱焊接接头力学性能。

Abstract

Heat fusion welding was one of the primary methods for connecting polyethylene (PE) pipes, and the heat fusion process parameters significantly influenced the properties of the welded joints and the overall pipeline performance. In the study, the heat fusion welding temperature was selected as the variable, and different welded specimens were prepared by referring to the qualified welding procedure specification (WPS). The properties of PE welded joints at different heat fusion temperatures were subsequently analyzed. The results indicated that the heat fusion temperature exerted a significant effect on the performance of PE welded joints. The tensile strength, impact toughness, and initial storage modulus all exhibited a trend of initial increase followed by decrease. The welded joint achieved optimal performance at a heat fusion temperature of 225 ℃. At heat fusion temperatures of 185 ℃ and 245 ℃, the number of cracks on the tensile fracture surfaces of the heat-affected zones increased, and oxidation and chain scission of PE molecular chains occurred, demonstrating that excessively low or high heat fusion temperatures compromised the mechanical properties of the welded joints.

Graphical abstract

关键词

聚乙烯管道 / 热熔焊接 / 力学性能 / 储能模量

Key words

Polyethylene pipes / Heat fusion welding / Mechanical properties / Storage modulus

聚乙烯(PE)管道具有良好的焊接性、韧性、耐候性和耐腐蚀性等，在城镇中低压燃气管网中得到广泛应用^[1-2]。PE管道经历PE63、PE80、PE100和PE100-RC四代发展，近年来管网建设以第三代PE100为主^[3]。PE100是相对分子质量呈双峰分布的PE，兼具优异的耐蠕变性、机械性能和加工性能^[4]。PE管道的主要焊接方式为热熔焊接和电熔焊接，其中热熔焊接因成本低、操作简单而被广泛应用于实际工程。国家市场监督管理总局以及国际上对PE热熔焊接程序与操作步骤作出相应规定^[5]。PE燃气管道热熔焊接接头质量的无损检测技术日趋成熟，相控阵超声检测、数字射线检测和微波检测技术在工程中已得到成熟应用。国内外对PE管热熔焊过程、工艺参数及焊接接头性能开展相关研究^[6-7]。刘立君等^[8]利用温度场模拟结合试验测量发现，压焊过程中存在相变潜热，管道轴向应力由拉应力逐渐过渡为压应力。闻炯明等^[9]基于弹塑性本构建立考虑生产残余应力的热熔焊接有限元模型。研究表明：距离焊缝越远，焊接残余应力越小，在热影响区由拉应力转变为压应力；残余应力随焊接温度升高或加热时间延长而增大，焊接压力的影响可忽略不计。郑津洋等^[10]利用拉伸实验研究卷边对热熔接头力学性能的影响，发现卷边的存在会显著降低接头的拉伸性能。陈胜利等^[11]采用单因素试验法确定PE燃气管道焊接的最佳工艺参数，静液压试验测得该PE燃气管道耐压时间为1 250 h。卢涛等^[12]研究不同焊接压力对不同规格PE管道的焊接效果，当焊接压力在0.07~0.45 MPa区间内、熔融层厚度一定时，通过控制位移参数使熔融厚度挤出段与熔融层厚度之比达到一定范围，可获得合格的热熔焊接接头。范自伟等^[13]模拟不同环境温度下热熔焊接接头的拉伸力学性能实验，建立不同温度下PE管最大拉伸应力和断裂伸长率的预测模型。李玉娥等^[14]研究不同材料等级和标准尺寸比(SDR)的管道直接进行热熔对接焊时，焊接部位冲击性能大幅下降。王晓芹^[15]研究PE给水管道热熔焊接的温度、时间、压力对焊接处拉伸性能的影响，得出了在加热时间为96 s、加热温度为210 ℃和吸热压力为0.20 MPa的热熔焊接条件下，聚乙烯管材焊接接头拉伸性能最佳。阳代军等^[16]研究焊接工艺参数对燃气用PE焊接接头拉伸性能及冲击性能的影响，发现接头的冲击韧性随焊接温度升高呈先增后降趋势，但文中未明确材料等级。尽管国内外已发布实施关于PE热熔焊接工艺参数和接头质量检测的相关技术规范与标准，但焊接过程中仍可能出现焊工操作失误(如熔合区温度波动等)。因此，研究焊接过程的影响因素对评价焊接接头的性能可靠性及保障管道安全运行具有重要指导意义。

本文通过改变热熔温度关键焊接参数研究热熔温度对当前主流的PE100等级PE燃气管道焊接接头性能进行分析，通过测试焊接接头拉伸强度、冲击韧性、储能和损耗模量、断口形貌及红外光谱，为在役PE管道提供有价值的试验数据，实现对焊接接头性能的综合评价，保障PE燃气管道安全运行。

1 实验部分

1.1 主要原料

PE100管材，HE3490LS，公称外径d_n200，标准尺寸比SDR11，沧州明珠塑料股份有限公司。

1.2 仪器与设备

热熔对接焊机，SDY-250，无锡市胜达塑管熔接设备有限公司；电子万能试验机，UTM5504X，深圳三思纵横科技股份有限公司；塑料摆锤式冲试验机，PTM7000，深圳三思纵横科技股份有限公司；动态热机械分析仪(DMA)，DMA 850，美国TA公司；高分辨冷场扫描电镜，SU8010，日本日立高新技术公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，IRTracer-100，日本岛津公司。

1.3 样品制备

1.3.1 焊接接头制备

本文热熔焊接试样参考评定合格PE100、SDR11、d_n200 PE管道焊接工艺。工艺参数为：焊接热熔温度220 ℃，卷边高度2 mm，吸热压力0.5 MPa，吸热时间182 s，切换时间6 s，增压时间6 s，冷却时间25 min，卷边压力1.5 MPa。通过改变焊接热熔温度，保证卷边高度2 mm，调整吸热时间，其他焊接工艺参数不变条件下，制备热熔温度为185、205、225、245 ℃的4种试样。考虑到卷边对焊接接头性能的影响，对焊接接头进行卷边切除，减少应力集中，降低拉伸数据的分散性。

1.3.2 性能测试试样制备

图1为试样加工尺寸。PE焊接管道拉伸试样取样位置沿平行于管道轴线方向，焊缝熔合区位于试样中心，加工依据标准GB/T 19810—2005。采用A型试样的尺寸和形状加工，形状及尺寸见图1a，试样“腰部”应通过钻孔加工方式获得，孔的中心连线与焊缝中心重合。试样腰部加工面平滑，表面粗糙度(R_a)为3.2 μm，其余界面不作要求。

PE焊接管道冲击试样取样位置沿平行于管道轴线方向，焊缝熔合区位于试样中心，加工要求依据标准GB/T 1843—2008，采用无缺口试样。试样形状如图1b所示，长度(l)为(80.0±1.0) mm，宽度(b)为(10.0±0.2) mm，厚度(h)为(4.0±0.2) mm。

PE焊接管道热机械分析试样尺寸根据DMA仪器设备要求，沿垂直于管道轴线方向，取全热熔焊缝区，加工制备悬臂模式试样形状与图1b相同，l=(17.0±1.0) mm，b=(5.0±0.2) mm，h=(2.0±0.5) mm，R_a为3.2 μm。

1.4 性能测试与表征

拉伸性能测试：依据GB/T 19810—2005在室温下进行拉伸性能测试，拉伸速率为5 mm/min。图2为拉伸试验夹具。从图2可以看出，夹具分为上下两部分，且通过两个销钉与试件连接。依据GB/T 1843—2008进行冲击韧性试验测试，悬臂梁模式，摆锤能量22 J，冲击速度3.5 m/s，跨距62{}_{-\mathrm{0}}^{+\mathrm{0.5}}。

DMA测试：采用17.5 mm单悬臂测量模式在室温下进行测试，频率扫描法，振荡频率为0.1~50.0 Hz。

断口形貌分析：采用冷场扫描电镜进行测试，加速电压为5 kV，工作距离为7.9 mm。

FTIR测试：采用傅里叶变换红外光谱仪进行测试，扫描范围为4 000~500 cm^-1，扫描次数为16，分辨率为4 cm^-1。

2 结果与讨论

2.1 焊接接头的拉伸性能分析

图3为不同热熔温度下焊接接头的应力-应变曲线。表1为不同热熔温度下焊接接头的拉伸试验数据。从图3可以看出，热熔温度为185、205、225 ℃拉伸试样均经历弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和最终断裂阶段。185 ℃较205 ℃和225 ℃强化阶段短暂，这是因为在185 ℃下分子链排布无序性加大，非结晶区弥散越严重，结晶度越低，容易在热熔区域产生冷焊缺陷^[17]。245 ℃下试验经过弹性变形、屈服阶段后，焊缝材料没有得到均匀拉伸，延伸率明显低于其他试验。这是由于温度将发生热氧化破坏和结晶度下降，分子链会发生断裂，随之析出小分子挥发物，在缺陷作用下发生应力集中，试样迅速断裂。结晶度与焊接接头强度有密切关系，结晶度高焊接接头强度高，焊接头的结晶度与接头焊接温度密切相关，在焊接温度为225 ℃时的结晶度较高，焊接接头拉伸强度高^[18]。

从表1可以看出，焊接温度对PE焊接接头的拉伸强度有较大的影响，随着热熔温度升高，PE焊接接头拉伸强度呈先升高后下降趋势，热熔温度处于225 ℃时拉伸强度最高，平均抗拉强度28.85 MPa。热熔温度过低时，PE分子链段相互扩散和缠绕不充分，造成冷焊现象的产生，拉伸强度有一定降低^[16]。热熔温度过高，PE热熔区域发生热氧化破坏，热熔温度在245 ℃时，拉伸强度下降至26.28 MPa，降幅达8.9%。这是由于高分子结构发生链断裂，产生挥发性产物，使接头内部出现气孔，从而降低焊接接头的拉伸强度^[19-20]。

2.2 焊接接头的冲击性能分析

表2为不同热熔温度下焊接接头冲击韧性数据。从表2可以看出，热熔焊接头的冲击韧性均低于其管道母材的冲击韧性。焊接接头热熔区域结晶度对冲击韧性有较大影响，热熔焊接区结晶度增加时，PE分子链排列趋紧密，外力作用下分子链活动受限，导致热熔区冲击韧性较管道母材低^[21]。从表2还可以看出，当热熔温度为225 ℃时，冲击韧性最佳。PE高分子球晶结构和大小对焊接接头冲击强度也有较大的影响。PE热熔区冷却速率对球晶结构和大小有较大影响，因此选择合适的热熔和加热时间能够控制焊缝区域的结晶度和球晶尺寸，避免产生较大球晶结构导致冲击韧性下降^[22]。

2.3 焊接接头的动态热机械分析

图4为不同热熔温度下焊接接头的DMA曲线。从图4可以看出，PE热熔区域的动态储能模量和损耗模量具有明显的频率相关性。随着频率的增加材料的储能模量呈上升趋势，损耗模量呈下降趋势。不同热熔温度下储能模量和损耗模量变化趋势基本一致。

图5为不同热熔温度下焊接接头的储能模量(0.1 Hz)。从图5可以看出，随着热熔温度升高，初始储能模量先升后降。储能模量可以表征材料的刚性，取值越高，刚性越大，表示材料拉伸强度越大，这与不同热熔温度下拉伸强度变化一致^[23]。

2.4 焊接接头的拉伸断口形貌分析

图6为不同热熔温度下焊接接头拉伸断裂面的SEM照片。从图6a可以看出，热熔温度为185 ℃时，热熔区断裂面的裂纹数量增加，局部区域的脆性断裂特征较为明显。热熔温度较低，填料相互扩散和PE分子链缠绕不充分，造成部分区域冷焊现象，材料的韧性下降。从图6b可以看出，热熔温度为205 ℃时，断裂面的裂纹数量较少，局部区域有轻微的脆性断裂特征，材料的韧性较好，焊接温度升高后，热应力增加，填料相互扩散和PE分子链缠绕逐步充分，材料的韧性升高^[24]。从图6c可以看出，热熔温度为225 ℃时，断裂面平整，微观结构均匀，无明显裂纹、孔洞与明显的缺陷，呈现韧性断裂特征，具有良好的韧性和抗拉伸能力。从图6d可以看出，热熔温度为245 ℃时，断裂面裂纹更为明显，材料的韧性显著下降，断裂更为迅速^[25-26]。在较高的焊接热熔温度下，热应力显著增加，热熔区在热应力作用晶粒长大或者相变，使材料的韧性下降明显。

2.5 焊接接头的FTIR分析

图7为不同热熔温度下焊接接头的FTIR谱图。从图7可以看出，2 919 cm^-1处为—CH₂—基团的不对称伸缩振动峰；2 851 cm^-1处为—CH₂—基团的对称伸缩振动峰；1 467 cm^-1处为—CH₂—基团的弯曲振动峰；725 cm^-1处为—(CH₂) _n —(n\ge4)基团的面内摇摆振动峰^[27-28]。在焊接过程中，不同焊接温度下的红外光谱主要有两处不同。一处是不同焊接温度下3 400 cm^-1 [羟基(—OH)的伸缩振动]附近的吸收峰强度不同。其中，焊接温度为245 ℃时，—OH的伸缩振动最强，这是因为在较高的焊接温度下，有更多的PE分子链被氧化。而焊接温度为185 ℃时也出现较强的—OH的伸缩振动峰，这是因为焊接温度过低时，需要更长的加热时间，造成焊接接口过度氧化。另一处变化是1 640 cm^-1附近的C=C共轭双键吸收峰，与—OH的伸缩振动峰类似，也呈现出在185 ℃和245 ℃焊接温度下较强、在225 ℃焊接温度下较弱的特点。这是因为在185 ℃和245 ℃焊接温度下更容易发生分子链断裂，产生更多的乙烯基或亚乙烯基结构，表明主链发生β-断裂或脱氢反应。

3 结论

热熔温度对PE焊接接头性能影响显著，由拉伸试验、冲击试验和动态热机械分析试验数据可知，拉伸强度、冲击韧性和初始储能模量呈先升高后降低的趋势，热熔温度为245 ℃时的焊接接头性能较差，热熔温度为225 ℃时的焊接接头性能最佳。热熔温度为225 ℃时拉伸断裂面呈现韧性断裂特征，无明显缺陷，具有良好的韧性和抗拉伸能力。热熔温度为185 ℃和245 ℃时，热熔区拉伸断裂面的裂纹数量增加是PE焊接接头拉伸性能降低的主要原因。热熔温度为185 ℃和245 ℃热熔区域的FTIR谱图中存在—OH伸缩振动和C=C共轭双键吸收峰的峰强增大的现象，表明PE分子链发生被氧化和断裂，从材料分子结构解释焊接接头力学性能降低的原因，证明热熔温度过低过高会削弱焊接接头力学性能。

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基金资助

河南省基本科研业务费支持项目(2023KY07)