疲勞試驗評價缺陷對PE管熱熔焊接接頭長期性能的影響

徐書豐* 周 波 黃 磊 廉曉龍 孫 楠 王 昆

(合肥通用機械研究院有限公司)

0 引言

高密度聚乙烯（HDPE）管廣泛應用于輸送燃氣、飲用水等，并且已經用于核電站水管系統（與安全不相關）[1]。相比于傳統金屬管道，HDPE 管道具有耐磨損、耐腐蝕、連接可靠、韌性強、抗刮能力強、止裂性能好、水力性能優異和使用壽命長等優點[2]。HDPE 管的使用壽命一般為50 a 甚至更長，但是對于HDPE 管道系統而言，焊接接頭則是其中的薄弱環節。因此，深入研究HDPE 管熱熔焊接接頭，對確保HDPE 管道系統的安全經濟運行有重要的意義。

HDPE 管熱熔焊接的方法是用熱熔電焊機的加熱板加熱被焊管件端面并使其融化，充分吸熱后在一定壓力下迅速對接貼合，保壓冷卻后完成焊接[3]。影響熱熔焊接接頭質量的主要因素為溫度、壓力和冷卻時間[4]。評價焊接接頭力學性能的方法有很多，拉伸試驗和爆裂試驗可用于評價PE 管焊接接頭的短期力學性能[5]，蠕變試驗比靜液壓試驗能更有效地評價焊接缺陷對PE 管長期性能的影響[6]。然而蠕變試驗的時間比較長，通常需要幾個月，因而急需研發一種更快速的試驗方法，以便快速有效地評價焊接缺陷對HDPE 管熱熔焊接接頭長期力學性能的影響。雖然可以采用疲勞裂紋試驗評價PE 管長期性能中的耐慢速裂紋擴展性能，但該方法不能用于評價焊接接頭中的缺陷對PE 管靜液壓強度的影響[7]。

本文主要通過在焊接接頭中引入不同直徑的空心銅球，制備含不同大小缺陷的試樣進行疲勞試驗，測試焊接缺陷對疲勞壽命的影響，進而探索用疲勞試驗的方法快速有效地評價焊接缺陷對HDPE 管熱熔焊接接頭長期性能中靜液壓強度的影響。

1 試驗材料、試樣及試驗方法

試驗所用材料為福建晟揚管道科技有限公司生產的外徑為200 mm，外徑與壁厚的比值（SDR）為11 的PE100 管。焊接機器為HDC160 - 315 型塑料管道熱熔對接機。根據焊接標準ISO 13953 : 2001 確定焊接參數如下：加熱溫度為210℃、吸熱時間為150 s、冷卻時間為（ts）為17 min、翻邊壓力（pf）和熔接壓力（pp）均為0.15 MPa。如圖1 所示，在HDPE 管端面加入不同直徑的空心銅球后按照焊接標準焊接成焊接接頭。

圖1 缺陷在接頭中的位置

根據DIN EN 12814 — 2014 標準將焊接接頭制成疲勞試驗試樣，如圖2 所示，其中焊接缺陷（空心小銅球）位于試樣的中心對稱位置，焊接缺陷直徑（R）與試樣壁厚（t）的比值分別為16%、33%和44%，如表1 所示。

圖2 HDPE管疲勞試驗試樣

表1 缺陷尺寸、壁厚及比值

疲勞試樣軸向焊接接頭處及母材處的掃描電鏡如圖3 所示。除刀片切割留下的劃痕外，焊接接頭中心及母材中心部分，均未發現氣泡、孔洞、夾雜物等缺陷，這表明試驗所用焊接接頭質量良好。疲勞試驗在室溫空氣條件下進行，加載波形為正弦波，試驗過程為應力控制，應力比固定為0.1，缺陷會使試驗結果產生較大的分散性[8]，因此，不同缺陷的試樣在不同應力下均重復測試3 次，試驗結果取平均值進行分析，以減小試驗誤差。

圖3 試樣掃描電鏡圖

為了確定疲勞試驗加載應力的大小，根據ASTM D—638 標準將未焊接的HDPE 管制成單軸拉伸試樣，如圖4 所示，以測出HDPE 管的屈服強度，拉伸試驗同樣在實驗室空氣環境下進行。

圖4 HDPE管拉伸試樣（單位：mm）

2 試驗結果及討論

2.1 疲勞試驗加載應力的確定

為了確定疲勞試驗的加載應力，疲勞試驗之前先通過拉伸試驗測出HDPE 管的屈服強度。共測試了三根試樣，典型的HDPE 管拉伸試驗的應力-應變曲線如圖5 所示，隨著加載力增大，會出現一個很小范圍的彈性過程，隨后出現塑性變形，當應變程度達到6.52%時，應力達到最大值，即22.2 MPa，根據ASTM D638 標準規定，該值即為屈服強度。隨著應變繼續增大，應力開始下降，下降到一定值時，應力保持不變，但應變一直增大，當應變過大超出設備的測量范圍時，試驗停止。另外2 根試樣測出的屈服強度為19.85 MPa 和20.35 MPa。取3 個試樣實測屈服強度的平均值后，得出HDPE 管的屈服強度為20.8 MPa。因此，疲勞試驗的最大應力分別取6.24 MPa、7.28 MPa 和8.32 MPa，即分別為屈服強度的30%、35%和40%。

圖5 應力-應變曲線

2.2 疲勞試驗結果

所有試樣的失效形式可分成兩種，即母材處的縮頸流變失效，如圖6 a）所示，和焊接接頭處的斷裂失效，如圖6 b）所示。母材處的縮頸流變失效和焊接接頭處的斷裂失效發生之前，試樣均不會發生明顯的變形，但縮頸流變失效發生時，試樣會出現縮頸現象，如圖7 所示，然后在之后的每次循環下，試樣都會發生非常明顯的大變形。當試樣變形過大或者斷裂時都會觸發疲勞試驗機自動停止的判據，使疲勞試驗機自動停止。疲勞試驗結果見表2，表中“-”表示試樣經過150 萬次疲勞循環后未發生失效。需要說明的是，試驗用的疲勞試驗機能記錄的最高疲勞循環次數為150 萬次，因此試驗機在試樣達到150 萬次循環后自動停止試驗。

表2 疲勞試驗結果

圖6 失效試樣

圖7 試樣縮頸

表3 為未發生失效的試樣經過150 萬次疲勞循環加載后測得的應變值，該值為試樣標距段，如圖3 所示，試驗后伸長值與初始長度的比值，由從表3 可知，未發生失效試樣的應變值都小于2.5%，遠小于試樣的屈服應變6.52%，如圖5 所示。

表3 最大應力6.24 MPa下未失效試樣應變（R=0.1）

另外，由于焊接接頭的硬度比較高、塑性比較差，因此，試驗中未發現焊接接頭處發生縮頸流變失效的情況。

當試驗最大應力為6.24 MPa 時，所有無缺陷試樣和含16%缺陷的試樣進行150 萬次疲勞循環后均未出現失效，所有含33%缺陷試樣的失效均發生在母材上，如圖6 a）所示；由于PE 管材的塑性良好，所以在試驗停止時未發生斷裂，所有含44%缺陷的試樣都在焊接接頭處發生斷裂，如圖6 b）所示，斷口處出現大面積白色區域，該白色區域為高分子材料獨有的銀紋。研究表明，焊接接頭存在大面積銀紋是焊接質量良好的表現[9]。當試驗的最大應力為7.28 MPa和8.32 MPa 時，所有無缺陷試樣、含16%和含33%缺陷的試樣均在母材處產生縮頸流變失效，但當缺陷增大到44%時，2種應力條件下的所有試樣均在焊接接頭處發生斷裂失效，斷口處可見大面積銀紋。

2.3 試驗結果討論

圖8 為缺陷占比-平均疲勞壽命圖，表4 為各試驗條件下，含不同尺寸缺陷試樣疲勞壽命平均值與不含缺陷試樣疲勞壽命平均值相差的百分比，其中負值表明含缺陷試樣的疲勞壽命比不含缺陷試樣的疲勞壽命小，正值則表示含缺陷試樣的疲勞壽命比不含缺陷試樣的疲勞壽命大。

圖8 疲勞試驗結果

表4 含缺陷試樣疲勞壽命平均值與不含缺陷試樣相差的百分比

由于缺陷不可能提高疲勞壽命，因此從表4 可知，本試驗的誤差為1.47%左右。產生誤差的原因可能是焊接接頭的質量不穩定，以及缺陷不完全處于試樣橫截面的正中心。

由圖8 可知，對同一尺寸缺陷的試樣而言，在保持應力比為0.1 時，若最大應力為7.28 MPa，試樣的疲勞壽命隨著缺陷的增大而不斷減少。然而當最大應力增加到8.32 MPa 時，試樣的疲勞壽命在缺陷小于33%時，幾乎沒有變化，只有進一步增大缺陷比例，疲勞壽命才會明顯下降。造成這一現象的原因是，當應力太大時，疲勞試驗與拉伸試驗接近。這與之前的拉伸試驗結果相似，之前的拉伸試驗表明，缺陷小于15%時，缺陷對PE 管的屈服強度沒有影響。因此，當應力比一定時，隨著應力增大，缺陷對疲勞壽命的影響逐漸變小，甚至當加載應力太大時，疲勞試驗的結果會與拉伸試驗的結果相似，即缺陷對疲勞壽命的影響不明顯。

研究表明，PE 管材在低于材料屈服強度的載荷下，可以用疲勞裂紋擴展試驗加速研究管材的長期耐慢速裂紋擴展性能[10-11]，并已經用疲勞裂紋擴展試驗加速評價PE 管的耐慢速裂紋擴展性能。從疲勞試驗的結果可知，在最大加載應力較小時，缺陷對疲勞壽命的影響非常明顯，并且呈現出與蠕變試驗類似的結果，如圖9 所示，即隨著缺陷增大，疲勞壽命或者蠕變斷裂時間不斷減小。由于蠕變試驗比靜液壓試驗能更有效地評價焊接缺陷對PE 管長期性能中長期靜液壓強度的影響，因此，可以用疲勞試驗的方法快速有效地評價焊接缺陷對HDPE 管長期性能中靜液壓強度的影響。

圖9 缺陷大小與蠕變失效時間的關系

另外，還需要進一步進行大量的試驗，研究疲勞試驗的應力比、頻率和加載應力等對試驗結果的影響，在一定的疲勞試驗條件下，建立蠕變斷裂時間或者靜液壓強度與疲勞壽命的對應關系，從而形成用疲勞試驗方法快速評價PE 管焊接接頭長期性能的方法或標準。

3 結語

本文通過人工引入缺陷，研究利用疲勞試驗的方法快速對HDPE 管熱熔焊接接頭長期性能中靜液壓強度進行評價，主要得出以下結論：

（1）HDPE 管熱熔焊接接頭有2 種失效形式，即母材處的縮頸流變失效和焊接接頭處的斷裂失效；

（2）焊接缺陷對HDPE 管熱熔焊接接頭疲勞壽命的影響，只有在疲勞載荷的最大加載應力較小時，才能有效地表現；

（3）選用合適的加載應力、應力比和加載頻率，疲勞試驗方法可以快速有效地評價焊接缺陷對HDPE管熱熔焊接接頭長期性能中靜液壓強度的影響。