摘要：由于聚乙烯燃氣管材存放環(huán)境因素的影響，在實(shí)施對接焊時(shí)，在對接焊焊口處可能會(huì )出現麻點(diǎn)現象，嚴重的會(huì )影響運行管線(xiàn)的安全。本文簡(jiǎn)要介紹了對接焊焊口麻點(diǎn)形成的原因，開(kāi)展了不同材料聚乙烯燃氣管材對接焊焊口麻點(diǎn)試驗，研究了不同材料管材的吸水性能以及水分含量對不同材料管材對接焊焊口質(zhì)量的影響程度，并進(jìn)行了采用熱烘法減少聚乙烯對接焊焊口麻點(diǎn)的試驗研究，找出了簡(jiǎn)單有效的減少焊口麻點(diǎn)的方法。

　　1　前言

　　熱熔對接焊在20世紀60年代就成功應用于聚乙烯燃氣管道的連接，是聚乙烯燃氣管道施工中主要的連接方法之一。隨著(zhù)聚乙烯燃氣管道在國內燃氣輸配系統中應用得越來(lái)越普遍，存放環(huán)境太潮或存放時(shí)間過(guò)久的聚乙烯燃氣管材進(jìn)行熱熔焊接，在焊口處產(chǎn)生麻點(diǎn)的現象在施工中經(jīng)常出現，過(guò)大過(guò)密的氣孔會(huì )導致焊接接頭安全性能不足甚至失效，如何減少麻點(diǎn)提高焊接接頭的安全性成為各施工單位亟待解決的突出問(wèn)題。

　　2　對接焊焊口麻點(diǎn)形成原因

　　聚乙烯燃氣管材是使用燃氣專(zhuān)用聚乙烯混配料擠出加工成型制造而來(lái)。所謂燃氣專(zhuān)用聚乙烯混配料是指在聚乙烯中加入必要的、均勻分散的助劑后得到的專(zhuān)用混配料。這些加入到聚乙烯中均勻分散的助劑主要是一些光穩定劑、著(zhù)色劑和抗氧化劑等，可以提高聚乙烯的抗紫外線(xiàn)輻射能力、增強其耐候性和熱穩定性，保證聚乙烯燃氣管材50年的使用壽命。目前國內外燃氣專(zhuān)用料生產(chǎn)中所使用的光穩定劑絕大部分都是炭黑，這種專(zhuān)用料顏色呈黑色。也有出于多方面考慮，如易于識別燃氣管道屬性和管道管理的需要，易于通過(guò)肉眼檢查和檢驗產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)現制品缺陷，避免受到再生料、回用料以及摻雜混假制品的困擾等囚素，國際七采用非炭黑助劑的黃色或橙色燃氣用聚乙烯管道專(zhuān)用料取代黑色專(zhuān)用料的情況也越來(lái)越普遍。

　　雖然聚乙烯樹(shù)脂本身無(wú)極性，吸水性差，但因其在生產(chǎn)、存儲和運輸中，受聚乙烯粒料中炭黑助劑強吸水性的影響，或溫度和環(huán)境變化時(shí)的水分凝結，不管是專(zhuān)用料還是管材，其中都將含有一定的水分，特別是長(cháng)期暴露存放在潮濕環(huán)境中。對于專(zhuān)用聚乙烯混配料而言，水分含量會(huì )嚴重影響其加T性能，水分含量高不僅會(huì )造成擠出管材表面有凹凸不平或氣泡等外觀(guān)缺陷，或因水解作用而剝蝕，而且管壁內也將產(chǎn)生氣泡，這些缺陷將導致管材提前發(fā)生脆性破壞。為保證原材料具有良好的加工性能，應對聚乙烯混配料進(jìn)行烘干處理，烘干后的水分含量一般應控制在200mg／kg以下，才能有效保證生產(chǎn)出的聚乙烯管材無(wú)麻點(diǎn)或氣泡。對于聚乙烯燃氣管材而言，存放在潮濕環(huán)境中時(shí)間過(guò)長(cháng)或燃氣管道埋于地下，水分子會(huì )附著(zhù)在管材內外表面及端門(mén)處，并逐漸向管材內部滲透，從而導致管材水分含量過(guò)高。在進(jìn)行對接焊接時(shí)，如不經(jīng)過(guò)特殊處理，由于加熱溫度較高，管端吸收的水分汽化、揮發(fā)、氣泡破裂，將根據管材所附著(zhù)水分的程度在焊口處產(chǎn)生程度不一的麻點(diǎn)或氣泡。

　　 一般而言，因管材吸水造成的對接焊翻邊上產(chǎn)生的細小麻點(diǎn)，對接頭焊接質(zhì)量影響不大。但如果麻點(diǎn)過(guò)多過(guò)密或在焊口接縫處出現大量氣泡將對焊口質(zhì)量造成不利的影響，甚至影響整個(gè)運行管線(xiàn)的安全。

　　3　不同材料管材對接焊焊口麻點(diǎn)試驗

　　3．1　試驗管材

　　為了驗證不同等級及有無(wú)炭黑聚乙烯燃氣管材的吸水程度、對接焊麻點(diǎn)出現程度及其影響大小，該試驗分別選取了中密度聚乙烯原材料ME3440(含炭黑)、高密度聚乙烯原材料HE3490LS(含炭黑)及橙色高密度聚乙烯原材料XSl0 Orange YCF(不含炭黑)生產(chǎn)出的管材(詳見(jiàn)表1)；為保證水份充分滲透，將管材浸泡在常溫水中，浸泡時(shí)間為2年。

　　3．2　水分含量測試

　　試驗儀器選用C30梅特勒卡式水分測定儀，用庫侖法進(jìn)行測試。水分含量測試結果見(jiàn)表2。

　　測試結果表明：3種材料聚乙烯燃氣管材均具有吸水性，并且水分含量相差不大，均大于300mg／kg。

　　3．3　熱熔對接焊試驗

　　選用PBF2508熱熔對接焊機，將3種管材擦拭干凈后按照焊接技術(shù)規程進(jìn)行熱熔對接焊焊接，焊口照片見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

　　圖1為含炭黑的中密度聚乙烯混配料管材焊口，翻邊上氣孔大、分布密集，呈蜂窩狀；圖2為含炭黑的高密度聚乙烯混配料管材焊口，翻邊上氣孔較小、且主要分布在翻邊外側，焊縫處無(wú)氣孔；圖3為不含炭黑的高密度聚乙烯混配料管材焊口，翻邊上外側有少量細小麻點(diǎn)，焊縫處無(wú)氣孔，整體上比較平滑均勻。

　　由于內部分子支鏈及結構性差異，雖然水分含量較相近，但同樣的水分含量對中密度聚乙烯燃氣管材的影響要比高密度聚乙烯管材要大很多。

　　由上面試驗可以明顯看出：不含炭黑的高密度橙色管材基本不受高水分含量影響，其焊口翻邊不產(chǎn)生麻點(diǎn)或稍微產(chǎn)生少量麻點(diǎn)，不影響焊口質(zhì)量；含炭黑的高密度黑色管材受高水分含量的影響也不大，焊口翻邊上的氣孔深度都很小，且不存在焊縫接口處，對焊口質(zhì)量影響不大；含碳黑的巾密度黑色管材受高水分含量影響較大，氣孔多而密集、深度大，分布與整個(gè)焊口翻邊和焊縫處，如果不采取一定措施而直接焊接使用可能會(huì )導致焊口失效或接頭強度達不到使用要求，產(chǎn)生安全隱患。

　　下文就如何利用熱烘法來(lái)減少ME3440 PE80，SDR11 DN110巾密度聚乙烯燃氣管材(含炭黑)對接焊焊口麻點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗分析。

　　4　熱烘法減少對接焊焊口麻點(diǎn)試驗

　　麻點(diǎn)的形成原因是在熱熔對接連接時(shí)，加熱溫度較高，管端吸收的的水分汽化、揮發(fā)、氣泡破裂形成。要減少或消除氣孔，就必須采取一定的措施降低焊接管材端面的水分含量。該措施即要實(shí)用于施工現場(chǎng)，又要簡(jiǎn)便易行，最經(jīng)濟實(shí)用的辦法就是將待焊管材的2個(gè)端面銑屑好后置于加熱板兩邊先進(jìn)行烘烤，利用熱板的溫度將管材端面所含的水分揮發(fā)后再實(shí)施焊接。這樣方法又有兩個(gè)因素需要確定：一是管材端面離熱板的距離，因為不同的距離烘烤溫度不一樣；二是烘烤的時(shí)間，因為聚乙烯管材有一個(gè)耐氧化時(shí)間的問(wèn)題，長(cháng)時(shí)間在空氣中處于高溫狀態(tài)，聚乙烯材料會(huì )被氧化，焊口也會(huì )失效。

　　烘烤溫度要求能烘出管材端面所含水分但不能過(guò)高導致管材端面熔融無(wú)法焊接。水的沸騰汽化溫度是100％，聚乙烯管材的熔融溫度是190℃，ME3440，PE80，中密度聚乙烯管材的焊接溫度(加熱板的溫度)為200％～220％，管材斷面到熱板吸熱面對距離為2cm～3cm的烘烤溫度適宜。烘烤時(shí)間不能超過(guò)聚乙烯管材的氧化時(shí)間，ME3440，PE80，巾密度聚乙烯燃氣管材的210℃氧化誘導時(shí)間為40min左右，取烘烤時(shí)間為20min、30min來(lái)進(jìn)行試驗驗證，焊接中加熱板溫度為最低焊接溫度210℃，焊接效果見(jiàn)圖4、圖5。

　　從圖4可以看出，間距2cm熱烘20min端面后，翻邊上氣孔多而密集、孔深大，相較于不經(jīng)處理直接焊接的圖1，焊口質(zhì)量無(wú)明顯改善；從圖5可以看出，間距3cm熱烘20min端面后，相較于直接焊接，翻邊上氣孔已明顯減少，孔徑和孔深都變小，有一定的改善效果，但接縫處仍然存在氣泡或麻點(diǎn)，還是存在一定的安全隱患。

　　從圖6可以看出，間距2cm熱烘30min端面后，翻邊上有一些稀疏小氣孔，焊口接縫處基本無(wú)氣泡或麻點(diǎn)，焊接質(zhì)量得到很大改善；從圖7可以看出，間距3cm熱烘30min端面，翻邊上僅見(jiàn)零星氣孔，光亮圓滑，焊口接縫處無(wú)麻點(diǎn)或氣泡，改善效果最好。

　　對圖6、圖7兩種熱烘法處理后的對接焊試件進(jìn)行熱熔對接焊口拉伸和80℃，165h靜液壓試驗均通過(guò)，焊口質(zhì)量合格。

　　5　結論

　　聚乙烯燃氣管材在存儲及使用過(guò)程中，由于環(huán)境的影響，管材吸水，在實(shí)施對接焊操作時(shí)，可能會(huì )在對接焊口處出現麻點(diǎn)或氣泡，對焊接質(zhì)量造成不利影響。經(jīng)試驗表明：水分含量對PE80級中密度聚乙烯(含炭黑)影響較大，對PE100級高密度聚乙烯影響較小。本文開(kāi)展了利用熱烘法減小對接焊麻點(diǎn)的試驗，在對接之前采用210℃熱板距管材端口2cm～3cm處熱烘30min的方式來(lái)減輕或消除麻點(diǎn)或氣泡。此方法不需要另外的助劑或設備，適用于施工現場(chǎng)，對減少焊口麻點(diǎn)，保證焊口質(zhì)量的具有很好的效果。

　　參考文獻

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