大口徑HDPE管道電熔焊接缺陷分析及應對措施

曹善剛

（中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 352000）

1 概述

美國于2007年頒布了ASME Code N755，允許HDPE管道應用于核電站的安全相關系統。2009年5月HDPE管道電熔焊接首次應用于美國Callaway核電站，其長度約11500m，管道直徑36英寸（900mm），主要采用熱熔焊接形式，局部極少量收口位置使用電熔焊接。AP1000核電綜合管廊內廠用水系統HDPE管道采用電熔+熱熔焊接的混合焊接方式。

2 電熔焊接原理

電熔焊接是聚乙烯分子物理熔接的一個過程。其通過電流按照一定的規則通過預埋在電熔套筒內壁的電阻絲，使其發熱以加熱套筒內壁以及管道外壁，在壓力等因素作用下使聚乙烯分子相互滲透熔融成整體。

電熔焊接在熔接過程中無法使用液壓裝置進行擠壓，只能依靠管道及電熔套筒本身熱脹冷縮產生的擠壓力進行熔接，其焊接質量受管道橢圓度、管道和套筒之間的配合間隙以及配合面的清潔度等影響較大。

3 電熔焊接缺陷形成機理及分類

通過電熔焊接工藝流程分析，并結合AP1000核電HDPE管道電熔焊接安裝經驗以及電熔套廠家Plasson和上海中塑（均為示范工程電熔套供貨廠家）內部的相關試驗報告分析，電熔焊接主要缺陷如下。

3.1 熔合面結構畸形缺陷

熔合面結構畸形缺陷主要分為承插不到位、電阻絲錯位以及管道不同軸。承插不到位是指管道未完全承插到電熔套筒中間的冷區位置，從而導致管道外壁未完全覆蓋電熔套筒內部預埋的電阻絲區域。

電阻絲錯位主要是受電熔焊接過程中的熔接擠壓力影響，導致熔融狀態的聚乙烯分子產生軸向和徑向流動并帶動周圍的電阻絲產生位移，從而使電阻絲形成不規則分布，嚴重的會將電阻絲擠到電熔套筒外。

管道不同軸是指與電熔套筒連接的兩段管道未處于同一軸線上，導致電熔套筒與管道之間存在徑向剪切力，一旦接合面聚乙烯受熱熔融后，就會導致管道與套筒在剪切力作用下形成對折錯位。

3.2 融合面夾雜缺陷

融合面夾雜缺陷主要是管道與電筒套筒在裝配過程中攜帶雜物導致，按雜物分類主要分為夾氧化皮缺陷和夾其他雜物缺陷兩類。

夾氧化皮缺陷是指電熔焊接前對HDPE管道端部外表面焊接區域的氧化皮去除不夠徹底，將殘留氧化皮帶入焊接區域所形成的缺陷。HDPE管道受空氣和光照等影響，會在表面形成約1mm厚的氧化皮，該氧化皮在受熱后不與聚乙烯融合，從而在焊接過程中阻撓聚乙烯分子的擴散和熔融，使焊接面形成缺陷。

夾其他雜物缺陷是指焊接過程中在焊接面引入其他雜物，主要包括水滴、泥沙、樹葉等。分布在焊區的雜物，將直接導致有效焊接面積的減少，同時，在焊區內部形成一條初始的裂紋。該裂紋將在管道內壓力的作用下，形成慢性裂紋效應，從而導致電熔接頭的失效。

3.3 焊接能量輸入缺陷

焊接能量輸入缺陷主要是指焊接過程中的能量輸入參數未得到有效控制，從而導致焊接缺陷的產生。其主要分為冷焊和過焊兩類。

電熔焊接的焊接過程也就是電阻絲輸入熱量的過程，因此，可以用焊接輸入熱量與一個已知的標準輸入熱量的比值來表示焊接程度，即。

式中，H表示焊接程度；

當電熔焊接滿足要求時，H下限≤H≤H上限，即焊接時間與焊機輸出電壓滿足焊接程序要求時，焊接結果符合要求。

當H＜H下限時，即焊機輸出電壓不足，或者焊接時間過短，則導致焊接過程中輸入的熱量小于下限值，從而導致冷焊缺陷的產生。

當H＞H上限時，即焊機輸出電壓過大，或者焊接時間過長，則導致焊接過程中輸入的熱量大于標準值，從而導致過焊缺陷的產生。

4 電熔焊接缺陷應對措施

通過對電熔焊接缺陷的分類以及形成機理的分析可知，電熔焊接的質量受設備、環境及人為因素的影響較大。合理地制定電熔焊接工藝流程，量化相關工藝參數是提高電熔焊接質量的有效手段。

4.1 熔合面結構畸形缺陷的預防

熔合面結構畸形缺陷主要受管道和電熔套筒裝配尺寸及焊接過程中的固定措施不到位等因素影響。主要從管道尺寸及裝配過程上進行控制。

（1）外徑測量工具。HDPE管道外徑測量要求使用π尺。

（2）管道外徑測量。管道外徑測量位置應距離管道端部不小于1.5倍OD或者300mm處，外徑公差不超過ASTM-F714標準規定。

（3）端部收縮確認。用π尺測量管道端部，如端部收縮超過10mm，則需要割除端部100mm再繼續測量。

（4）端部垂直度。管道端部切割后，其傾斜度不得超過3°，避免由于管道端部斜口較大，焊接過程中熔融態的PE從內部斜口流出。

（5）校圓。使用校圓器對管道進行校圓。管道校圓后，其端部直徑長邊與短邊之差不得大于10mm，確保管道與套筒的裝配間隙均勻。

（6）裝配。使用吊裝帶將電熔套筒套裝在管道上，套裝過程中保持套筒與管道同心，不得強力對口，避免沖擊破壞套筒內預埋電阻絲。

（7）裝配檢查。套裝完成后，檢查確保套筒兩側邊緣與管道上的套接邊線重合。

（8）固定。使用校正器將兩側管道進行相對固定，避免使管道和套筒產生相對位移或承受剪切力。

（9）焊接過程檢查。焊接程序啟動后直至冷卻完成，過程中不得觸碰管道、套筒以及各固定專用工具。

4.2 熔合面夾雜缺陷的預防

夾雜缺陷主要是HDPE管道表面氧化皮刮削和清潔不到位，或者電熔套筒裝配和焊接過程中污染導致。現場主要采取清潔度及防異物管控措施，主要如下：

（1）清潔。使用干凈的純棉布對管道兩端進行清潔，確保管道內外壁無油污、雜物等污染，清潔區域不小于套筒套接區域外100mm。

（2）標記。按照電熔套筒的尺寸，用白色記號筆在管道端部分別環形標記刮削區和套接邊線。

（3）清潔。使用純棉布和酒精對套筒內部、管道刮削區域進行清潔，確保無油污、灰塵等雜物。

（4）裝配。在酒精清理后立即進行管道和套筒裝配，同時，控制裝配過程中帶入雜物。

（5）最終清理。如果在酒精清理后不能立即進行管道和套筒裝配，則在最終裝配前再次執行酒精清理流程。

4.3 焊接能量輸入缺陷預防措施

焊接能量輸入缺陷主要是焊接過程未嚴格按照相關標準執行而導致的缺陷，主要原因有電源異常、焊接時間異常等。針對該情況采取措施如下：

（1）電源。設置獨立的焊接以及備用電源。

（2）電壓檢查。正式啟動焊接程序前，檢查控制箱電源，確保焊接電壓滿足焊接要求。

（3）人員控制。焊接程序啟動后不得中途暫停，焊接負責人應持續保持對控制箱的觀察，直至焊接程序完成。

（4）焊接記錄。焊接程序開始和結束時，分別在電熔套筒上記錄時間，保證每個電熔焊接焊口的可追溯性。

（5）冷卻。管道電熔后冷卻時間不得小于管道壁厚（英寸）×11min。

（6）焊接后檢查。電熔焊接完成后，檢查控制箱焊接程序，確保焊接時間、溫度等各參數滿足要求。

5 結語

HDPE管道電熔焊接由于其焊接原理以及焊接過程中的設備、環境及人為因素的影響，易形成焊接缺陷。本文結合AP1000廠用水系統大口徑HDPE管道電熔焊接的安裝實踐，制定了一套電熔焊接施工工藝流程，對預防和控制電熔焊接缺陷以及推動HDPE管道電熔焊接施工工藝的標準化提供了參考。