PE聚乙烯燃气管管材焊接性能研究

冯纪君

山东建安实业有限公司山东省临沂市276034

摘要：聚乙烯管材取代钢管、铸铁管，作为城市燃气输配管线已得到社会的广泛认可，通过对几种PE聚乙烯材料的表征与分析，以及相应的管材在热熔焊接过程中进行试验，建立了影响热熔焊接接头拉伸强度与加热板温度、焊接压力、加热时间等工艺参数的关系曲线。

关键词：PE聚乙烯；热熔焊接；焊接性能

在聚乙烯管材产量和质量不断提升的同时，也让我们感到与PE管材施工质量相关的规范和必要的施工技术配套则落后于PE管发展应用的速度，从而一定程度上制约了PE管道的推广应用。

一、PE管材的应用现状

PE管材的应用发展大体分为3个阶段：第一阶段，从20世纪30年代初至60年代初，是PE管材的初级应用阶段，主要用于农业及民用领域。第二阶段，从60年代初至80年代末，PE管材的应用涉及到燃气输送、城市供排水、油田、矿山等比较大的工业领域。同时对PE管材性能研究更加深入，尤其对PE管材长期使用性能的研究已相当深入。第三阶段，从80年代至今，是PE管材高性能化的研究开发阶段。大口径、耐压、耐热PE管，具有特殊功能的PE管以及PE与其他材料复合的多层复合管，钢塑复合管的研究开发应用相当活跃。

二、聚乙烯燃气管材的特点

聚乙烯燃气管道具有许多卓越的特点，如耐低温，韧性好、刚柔相济，因

而在一些特殊用途中更是体现出优异的性能。如聚乙烯管材较好地解决了传统钢铁管件存在的易腐蚀和接头泄露两大难题，并且成本低廉；聚乙烯管的主要优点体现在：

1.耐腐蚀性。聚乙烯为惰性材料。除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀。无电化学腐蚀，不需要防腐层。

2.无泄露。聚乙烯管道主要采用熔接连接，包括热熔连接或电熔连接，本质上保证接口材质，结构与管材本身的同一性，实现了接头与管材的一体化。试验证实其接口的抗拉强度及爆破强度均高于管材本身，可有效地抵抗内压力产生的环向应力及轴向的拉伸力，因此与橡胶圈类接头或基地机械接头相比，不存在因接头扭曲造成泄漏的危险。

3.高韧性。聚乙烯管是一种高韧性的管材，其断裂伸长率一般超过500％。对管基础不均匀沉降的适应能力非常强，也是一种抗震性能优良的管材。

4.聚乙烯管道具有良好的抵抗刮痕能采用不开槽施工技术，无论是铺设新管道或旧管道修复或更新。刮痕是无法完全避免的。刮痕造成应力集中，引发管道破坏，有关资料证明PE80等级的聚乙烯管具有较好的耐刮痕能力，而PE1oo聚乙烯则具有更加出色的抵抗刮痕的能力。

5.聚乙烯管具有优良的挠性。聚乙烯的挠性是一个重要的性质。它极大地增加了该材料对管线的工程价值。聚乙烯的挠性使聚乙烯可进行盘卷。以较长的长度供应。不需要各钟连接管件。

6.使用寿命长。聚乙烯管道使用寿命可达50年，这是根据聚乙烯管材环向抗拉强度的长期静水压，设计基础(HDB)确定的。

三、试验材料分析与表征

1.试验材料。（1）材料牌号。道达尔XS10，80级。（2）北欧化工HE3490LS，80级。（3）道达尔3802YCF，80级。（4）北欧化工ME3440，80级。

2.试验设备。表1为本研究所需要的各种试验设备列表。

表1试验设备列表

3.试验材料的氧化诱导测试。本研究使用德国DSC204型示差扫描量热仪测定样品的热转变行为和转变温度，升温速率20℃/min，氮气作为保护气氛，氮气流量40mL/min，扫描温度30~300℃。分别对PE燃气管原材料和经生产加工后的管材取样进行氧化诱导测试，测试标准符合GB/T19466.6-2009标准中有关要求。试验材料的氧化诱导时间在52min以上，加工后的DSC数值略有下降，并且不同品牌的材料其试验数值略有不同。

4.试验材料的伸长率分析。分别对PE燃气管原材料和经生产加工后的管材取样进行材料的伸长率分析测试，测试标准符合GB/T8804.3-2003标准中有关要求。试验材料的伸长率都在600%以上不发生断裂，说明试验材料都具有良好的塑性，满足规范GB15558.1-2015中对聚乙烯燃气管塑性的要求。

5.试验材料的熔体质量流动速率(MFR)测试。分别对PE燃气管原材料和经生产加工后的管材，取样进行材料的MFR分析测试，测试标准符合GB/T3682－2000标准中有关要求。不同牌号的材料在加工前后试验数值变化不大(小于20%)，满足规范GB15558.1-2015中对聚乙烯燃气管塑性的要求。

三、PE燃气管焊接工艺参数与接头性能的关系研究

研究加热板温度、焊接压力、加热时间等焊接工艺参数与焊接接头拉伸强度之间的关系，并建立关系曲线。

1.加热板温度与焊接强度的关系。选用不同加热板温度(160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃)，在其它工艺参数不变的情况下，进行焊接。图1为焊接接头拉伸强度与加热板温度的关系曲线，由图可知，在160~240℃范围内，拉伸强度随加热板温度的升高先上升而后下降，在220℃时达到最高值。温度太高，PE管材将发生热氧化破坏，分子链会发生断裂，随之析出小分子挥发物，即使在焊接压力非常大的情况下，也无法将气孔全部压至外面，进而降低焊接强度。加热温度太低又使管端得不到充分的加热，分子链交联程度不够，PE管材的分子量较低，进而影响焊接强度。

图1焊接接头拉伸强度与加热板温度的关系

2.焊接压力与焊接强度的关系。选用不同的作用于管材上单位面积的力P0(0.05N/mm2、0.10N/mm2、0.15N/mm2、0.20N/mm2、0.25N/mm2)，在其它工艺参数不变的情况下进行焊接。拉伸强度随焊接压力的升高先上升而后下降，在0.15N/mm2时达到最高值。在一定的温度下焊接，随着焊接压力的增加，加热时的压力应能足以使管道端面上的不平度很快地平整，而压紧时的压力应保证能使两平面牢固地结合，使焊接端面的分子链快速的交联，增加了PE管材的强度；但是随着焊接压力的不断加大，增大材料的热氧化破坏，破坏PE管材的分子链交联程度，使PE管材的分子量下降，从而降低了PE管材的拉伸强度。因此PE管材焊接时，要选择合适的焊接压力。

3.加热时间与焊接强度的关系。选用不同的加热时间(6s×壁厚、8s×壁厚、10s×壁厚、12s×壁厚、15s×壁厚)，在其它工艺参数不变的情况下进行焊接。根据GB/T8804.3-2003制样进行拉伸试验，得到了不同焊接时间的样品拉伸强度试验结果下：管道的加热时间主要由管道壁厚、加热板温度及环境条件决定。增加加热时间，有助提高分子链数量，增加PE管材强度。但加热时间太长，却会增大材料的热氧化破坏，并降低管材的强度。当加热时间不够时，分子链没有充分交联，管材的强度低，会出现未焊透等缺陷。因此增加加热时间可使焊缝的强度开始增加，达到最大值后再下降。从以上的分析可看出：焊接接头的性能是在各个工艺参数控制下焊接的一个综合结果，加热板温度、焊接压力和加热时间对焊接接头的性能有较大的影响，只有选择合适的焊接工艺参数，焊接接头才能获得最大的拉伸强度，即加热板温度、焊接压力和加热时间都有一个最优值。对于

PE80管材(仅对试验用管道)，最优参数：焊接温度为210~220℃，作用于管材上单位面积的力P0为0.15MPa，加热时间为10s×壁厚。

PE管材的焊接质量及接头性能一方面取决于材料本身的性能，另一方面，更重要是取决于焊机的工艺参数，如加热板温度、加热时间、压焊压力等；加热板温度、焊接压力和加热时间对焊接接头的性能有较大的影响。只有选择合适的焊接工艺参数，焊接接头才能获得最大的拉伸强度。对于PE80管材，焊接温度在210~220℃、作用于管材上单位面积的力P0为0.15MPa、加热时间为10s×壁厚时可获得最大的拉伸强度。

参考文献

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[2]秦敏等.聚乙烯燃气管道失效模式研究进展[J].中国塑料，2017，29(3):16–20.