差異聚乙烯(PE)管道元件之間焊接兼容性

上海亞大塑料制品有限公司 劉旭東 劉偉

0 前言

焊口質量問題一直是聚乙烯管網質量安全的短板，是工程管理的重點。在施工時還會遇到原材料、生產廠家不同的管材和管件，這些存在差異的管道元件之間是否可以進行安全的焊接呢？這個問題一直是聚乙烯行業工程管理人員一直關心的問題。

1 存在差異的三種情況

聚乙烯管網焊接中，差異性管道元件焊接的情況，主要有三種：

(1)原材料生產廠家不同：所焊接管道元件是分別由不同化工廠生產的同級別或不同級別原材料生產的產品。

(2)原材料壓力等級不同：待焊管道元件所用原材料壓力等級不同，即PE80級與PE100級元件之間進行焊接。

(3)管道元件生產廠家不同：進行熱熔對接焊接或電熔焊接的管材或管件為不同生產廠家生產。

上述三種情況的聚乙烯元件焊接，焊接質量無法用常規檢測辦法控制，并可能在焊口處存在焊接殘余應力，成為聚乙烯管網中的不可靠焊口。

2 差異性元件焊接相關規定

針對存在差異性的PE管道元件焊接問題，為保證焊接質量，有些國家(如法國和英國)制定了技術法規，允許電熔焊接，而絕對禁止了 PE80與PE100管材使用熱熔對接焊接。

我國也在《聚乙烯燃氣管道工程技術規程》(CJJ 63—2008)中做了相關規定：聚乙烯管道系統連接時，“不同級別和熔體質量流動速率差值不小于0.5 g/10min(190℃，5kg)的聚乙烯原料制造的管材、管件和管道附屬設備，以及焊接端部標準尺寸比(SDR)不同的聚乙烯燃氣管道連接時，必須采用電熔連接。”

同時，在《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規則》(TSG 2002—2006)中也要求：“管道元件制造單位和管道安裝單位進行熱熔對接焊接，有以下情況時應當進行焊接工藝評定：……(二)不同原材料級別(例如PE80與PE100)的管道元件互焊；(三)同一原材料級別的管道元件，熔體質量流動速率(MFR)差值大于0.5g/10min(190℃，5kg)；……”。

《埋地用燃氣聚乙烯管材(PE)—公制—系列規范》(ISO 4437:2007)中第4.6款“對接熔接接頭的熔接兼容性”中明確提出：“為進行系統應用適用性評價，符合本國際標準的管材應通過對接熔接方式互相驗證兼容性。”

由我國國內一些大型燃氣企業組成的燃氣企業聚乙烯(PE)輸配系統質量控制合作小組制定的《產品質量技術要求 第1部分：燃氣用埋地聚乙烯管材》(G5+PE001.1—2008)中，對管材的熔接兼容性也規定了“采用不同牌號混配料制造的聚乙烯管材應通過熱熔對接方式相互驗證兼容性。”

從幾項標準規定來看，焊接管道元件存在的差異對焊接質量影響很大，其中，電熔焊接由于焊接區域及焊口結構原因，焊口相對比較安全，而在熱熔對接焊接中，這種差異性的影響更大，應非常謹慎的選用。

3 焊接兼容性情況分析

聚乙烯是一種非線性熱塑性塑料，當溫度升高至黏流溫度后，材料變成黏流狀態，結晶度下降，分子運動能力增加。此時，將兩焊接元件緊密貼合，在一定壓力作用下，使其分子間進行熱運動并纏繞。經過一定冷卻時間，溫度逐漸下降，結晶度回復，形成一個嚴密可靠的焊口。這就是聚乙烯管道的焊接原理。

由此焊接原理可以看出：原材料在同一熔融溫度下達到黏流態時的流動性——熔體質量流動速率(MFR)，對焊接起著主要的影響作用，是我們制定焊接工藝的主要依據，決定了差異性聚乙烯管道元件焊接是否安全可靠。

目前，我國燃氣及給水行業經常采用的聚乙烯混配料主要有PE80和PE100兩種。我們選取國內使用較多的兩個原料廠家的 4種原材料(表 1)進行簡單的比較，其中同廠家不同級別的MFR值分別相差0.60 g/10min和0.62 g/10min，占其材料MFR值的67.4%~240%，不同廠家同級別MFR值之差值分別為0.07 g/min~0.05 g/10min，占其材料MFR值的8%至20%，而不同廠家不同級別的原材料 MFR值最大達到0.55 g/10min~0.67 g/10mim，差值最大分別占其材料MFR值的268%和72.8%。這些數據，雖然不能覆蓋所有原材料之間的差異，但充分表明了不同聚乙烯原料之間MFR值的差異是存在的而且很大。

表1 熔體質量流動速率比較(190℃，5kg)

而同種原材料由于不同管道元件生產商生產技術水平、工藝和設備的差別，造成在同種原材料最終產品MFR值存在差異的情況，我國《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統》(GB 15558—2008)系列標準的管道、管件部分明確規定管材管件在加工前后熔體質量流動速率變化要求小于混配料標稱值的20%，以此保證材料的MFR值生產前后的變化不影響產品的性能和使用壽命，同時縮小不同元件生產商產品之間焊接差異性，提高焊接可靠性。

筆者對使用德國巴頓菲爾德(BATTENFELD)擠出生產線生產的33批32 mm至315 mm口徑PE80和PE100管道原材料在生產前后的MFR值進行統計，其變化一般保持在-3%~7%。由同廠家、設備、工藝生產的管材MFR值的差異值，我們可以推斷，不同廠家生產的管材MFR變化將更大，極限情況下，這種差異將達到 40%，這無疑對焊接質量是有影響的。

綜上所述，在聚乙烯原材料及產品MFR值之間的差異性情況分析中，不同廠家不同級別原材料生產的管道元件MFR值差異最大，對焊接安全影響也最突出。如果此類管道元件可以實現焊接兼容，可判定差異管道元件焊接是可行的。

4 實驗測試

針對差異性PE管道元件熱熔和電熔混合焊接的實驗將為我們提供證據。

為了嚴格檢測焊口質量，保證實驗數據的說服力，實驗分別采用了德國焊接協會制定的DVS 2207-1焊接標準和DVS 2204-3實驗標準，該標準提供了詳盡的操作步驟以及焊接和實驗參數，被世界標準化組織及很多國家借鑒和采用。

4.1 熱熔對接混合焊接實驗

熱熔對接焊接實驗選用4種不同牌號的PE100級聚乙烯和4種不同的PE80級聚乙烯原材料生產的DN110×10 mm管材。

焊接完成后的熱熔焊口試樣，浸泡在95℃的表面活性劑溶液中，在3.2 MPa拉力下進行拉伸蠕變實驗(如圖1所示)。

實驗結果顯示：所有焊接式樣均符合要求，試條斷裂位置出現在強度較薄弱的PE80管材靠近焊縫一側，而在焊縫區域均未出現斷裂情況。

圖1 拉伸蠕變實驗示意

4.2 電熔承插混合焊接實驗

為了保證實驗的代表性，所用管件采用了4個廠家生產的PE100級聚乙烯和中密度PE80聚乙烯原材料生產的管件，而管材采用的DN160×14.6mm的管材也使用 4種不同廠家的原材料生產，包括PE100、高密度PE80、中密度聚乙烯。管材與管件按照管材/管件/管材的形式進行組合焊接，焊接制作了67種不同組合共134個焊接試樣，并分別進行了拉伸實驗和靜液壓實驗。此次實驗有世界9家企業和組織參加，其中包括世界主要的原材料供應商和聚乙烯管道元件生產企業。為使實驗效果更直觀，實驗至試樣發生破壞或者10 000小時為破壞以上為止(靜液壓實驗及破壞結果見表2）。

表2 實驗情況

實驗結果顯示，所有試樣未在焊接區域出現破裂，破裂位置都出現在管材或管件本身上。并且靜液壓實驗的時間，均滿足并超過了歐洲標準及我國《流體輸送用熱塑性塑料管材 耐內壓試驗方法》(GB/T 6111—2003)標準規定的80 ℃165小時PE80 4.6 MPa以及PE100 5.5 MPa的實驗要求。

由以上實驗表明不同級別、不同原材料、不同元件廠家生產的聚乙烯原材料生產的管材在熱熔對接和電熔焊接中可相互兼容，進行混合焊接。

5 實際使用中的建議

通過實驗證明，差異性聚乙烯管道元件在對接焊接和電熔焊接中可以相互兼容，進行混合焊接，并且焊口質量通過了實驗檢測。但是值得注意的是，在聚乙烯管道現場施工中，由于管道熱熔及電熔焊接受到焊接設備、操作環境以及操作人員熟練程度、焊接工藝執行情況等因素的影響，不同焊口之間會有較大差異，尤其對于差異性聚乙烯管道元件這種情況將會成倍放大，無法保證焊口質量的連續性和可控性。并且，由于目前世界上沒有有效的無損檢測設備可以實現現場的焊接質量檢測，僅能通過焊口外觀的檢測進行現場質量控制。而差異性聚乙烯管道元件焊接后，往往焊口翻邊不對稱，無法依照現有檢測手段判斷焊口質量。同時應當注意的是，本文所涉及到的原材料均為聚乙烯管道混配料，均經過聚乙烯壓力等級評定的 PE80(中密度或高密度)、PE100原材料，對于非混配料生產(如“白加黑”管道元件)及未進行等級評定的原材料是不能涵蓋的。

所以筆者建議，對差異性聚乙烯管道元件的焊接施工，應首選比較安全的電熔焊接方式；必須使用熱熔對接焊接時，應當對現場的焊接工藝、焊接操作人員、設備等各項因素進行工藝評定，以充分保證焊接質量。