分享：基于正交試驗(yàn)研究燃?xì)庥镁垡蚁┕艿罒崛劢宇^的冷焊缺陷

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿冷佋O(shè)在人口密集、公共設(shè)施集中區(qū)域,極易發(fā)生燃?xì)庑孤⒒馂?zāi)、爆炸等事故。燃?xì)夤艿酪坏┏霈F(xiàn)事故,將直接危害人民群眾的生命及財(cái)產(chǎn)安全,給城市公共安全造成嚴(yán)重影響。中低壓燃?xì)夤艿牟牧贤ǔ榫垡蚁?/span>[1]。聚乙烯管焊接的主要方式有熱熔焊接和電熔焊接,其中熱熔焊接具有成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。熱熔接頭的黏接質(zhì)量是影響聚乙烯燃?xì)夤艿老到y(tǒng)可靠性的重要因素。 

冷焊缺陷被認(rèn)為是燃?xì)庥镁垡蚁┕艿赖闹匾踩[患之一。帶冷焊缺陷的燃?xì)庥镁垡蚁┕艿罒崛劢宇^在外觀上與正常的接頭沒(méi)有明顯區(qū)別,在管道系統(tǒng)試壓過(guò)程中通常不會(huì)發(fā)生事故,但長(zhǎng)期使用該接頭將影響系統(tǒng)的安全性[2]。目前,射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、超聲相控陣檢測(cè)、紅外熱像檢測(cè)和微波檢測(cè)等方法可以檢測(cè)出聚乙烯燃?xì)夤艿罒崛劢宇^的冷焊缺陷,但對(duì)于冷焊缺陷嚴(yán)重程度的研究較少。筆者研究了燃?xì)庥镁垡蚁┕艿罒崛酆附咏宇^冷焊缺陷的嚴(yán)重程度與焊接工藝參數(shù),接頭力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)等因素之間的關(guān)系。 

1.   試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試樣制備

1.1   正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素的設(shè)計(jì)、實(shí)施與分析較簡(jiǎn)單,但考察多個(gè)試驗(yàn)因素時(shí),實(shí)施全部試驗(yàn)的工作量較大,并且可能因試驗(yàn)條件的限制而難以進(jìn)行試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法可以利用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)正交表安排與分析多因素試驗(yàn),使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析試驗(yàn)結(jié)果。正交設(shè)計(jì)表格是一種運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論構(gòu)造的表格,把各試驗(yàn)點(diǎn)在范圍內(nèi)均勻分散,使試驗(yàn)點(diǎn)具有代表性,且各試驗(yàn)點(diǎn)在范圍內(nèi)分布規(guī)律整齊,有利于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[3]。 

1.2   試樣制備

使用規(guī)格(外徑×厚度)為160 mm×9.5 mm的聚乙烯管材,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法制備帶冷焊缺陷的熱熔焊接接頭。研究表明,影響聚乙烯管道熱熔焊接接頭性能的主要因素是加熱板表面溫度θ和吸熱時(shí)間t2[4]。按照TSG D2002—2006 《燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則》,設(shè)定正常焊接工藝的水平1試樣,取θ＝225 ℃,t2＝95 s,兩個(gè)因素各取5個(gè)試驗(yàn)水平,其他焊接工藝參數(shù)按正常工藝保持不變,具體為：卷邊高度為1.5 mm；焊接壓力為646 MPa；卷邊到達(dá)規(guī)定高度的時(shí)間為17 s；切換時(shí)間不大于6 s；增壓時(shí)間小于7 s；冷卻時(shí)間為13 s。共制備25個(gè)試樣,試樣制備的具體參數(shù)如表1所示[5]。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1   冷焊程度的影響因素

2.1.1   多頻微波檢測(cè)

微波檢測(cè)技術(shù)基于微波在介電材料中的傳播特性[6],被檢介電材料中的不連續(xù)界面會(huì)引起該位置的介電常數(shù)發(fā)生變化,導(dǎo)致微波在傳播時(shí)發(fā)生反射、穿透和散射等現(xiàn)象[7],其反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)發(fā)生干涉,經(jīng)微波探頭接收,根據(jù)微波幅值衰減、相位及頻率等參數(shù)的改變,信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)得到能夠反映接頭缺陷信息的掃描圖像[8]。利用微波的反射回波幅值來(lái)衡量微波的反射損耗,反射回波幅值的單位為dB,微波回波波幅越小,表示微波反射損耗越大。微波檢測(cè)參數(shù)為：頻率為6～14 GHz；天線與試樣表面的距離為7 mm；x掃查軸寬度設(shè)定為100 mm,分辨率設(shè)定為10 mm；y步進(jìn)軸長(zhǎng)度設(shè)定為540 mm,分辨率設(shè)定為15 mm。 

2.1.2   數(shù)據(jù)分析

以正常焊接工藝下的水平1試樣微波檢測(cè)曲線為評(píng)判線,其微波回波波幅為－12～－10 dB,超出該波幅的部分視為冷焊。對(duì)制備的25個(gè)水平試樣進(jìn)行微波檢測(cè),對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：以θ為定值,t2為變量,隨著t2的減少,熱熔焊接接頭的焊縫區(qū)微波回波最大幅值呈增大趨勢(shì),表明熱熔焊接接頭的冷焊程度隨著t2的減少呈增大趨勢(shì)；以t2為定值,θ為變量,隨著θ的降低,熱熔焊接接頭的焊縫區(qū)微波回波最大幅值呈增大趨勢(shì),表明熱熔焊接接頭的冷焊程度隨著θ的降低呈增大趨勢(shì)。 

圖  1  焊縫區(qū)微波回波最大幅值的變化情況

對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)中冷焊長(zhǎng)度和冷焊占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：隨著t2的減少,水平1～5試樣(θ＝225 ℃)的冷焊長(zhǎng)度和冷焊占比呈增大趨勢(shì),水平6～10試樣(θ＝210 ℃)的冷焊長(zhǎng)度和冷焊占比呈增大趨勢(shì),水平11～25試樣均為100%冷焊。 

圖  2  冷焊長(zhǎng)度和冷焊占比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2   拉伸強(qiáng)度與破壞方式測(cè)定

2.2.1   拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 19810—2005 《聚乙烯(PE)管材和管件 熱熔對(duì)接接頭 拉伸強(qiáng)度和破壞形式的測(cè)定》,分別在制備的25個(gè)熱熔焊接接頭上取4個(gè)A型試樣,采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸試驗(yàn)后試樣的宏觀形貌如圖3所示,試樣均斷裂在焊縫區(qū),破壞類(lèi)型為韌性破壞。試樣拉力與位移的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知：開(kāi)始拉伸階段,拉力增大很快,但試樣變形不明顯,屬于彈性變形階段；當(dāng)單側(cè)管材發(fā)生屈服變形時(shí),拉力達(dá)到最大值,然后出現(xiàn)急速下降趨勢(shì),試樣出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象；拉力在屈服階段降低至最小值后出現(xiàn)小幅度的升高現(xiàn)象,單側(cè)管材與試樣交界處的變形速率加快,出現(xiàn)薄弱點(diǎn),并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著拉力緩慢增大,單側(cè)管材與試樣交界處的變形加劇,試樣很快在該位置斷裂。 

圖  3  拉伸試驗(yàn)后試樣的宏觀形貌

圖  4  試樣拉力與位移的關(guān)系曲線

2.2.2   數(shù)據(jù)分析

對(duì)拉伸斷裂時(shí)試樣的最大拉力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),剔除了其中誤差較大的數(shù)據(jù),結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：試樣斷裂時(shí)最大拉力為3 550～3 850 N,強(qiáng)度變化較??；拉伸試驗(yàn)時(shí)載荷銷(xiāo)間距離為165 mm,斷裂時(shí)位移為80～120 mm,塑性變化較大；當(dāng)以θ為定值,t2為變量時(shí),隨著t2的減少,試樣斷裂時(shí)最大拉力和位移均呈下降趨勢(shì)；當(dāng)以t2為定值,θ為變量時(shí),隨著θ的降低,試樣斷裂時(shí)最大拉力和位移均呈下降趨勢(shì)。 

圖  5  拉伸試樣斷裂時(shí)最大拉力和位移的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3   斷口分析

2.3.1   聚乙烯微觀結(jié)構(gòu)與銀紋

聚乙烯是一種部分結(jié)晶性聚合物,其組成可分為結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū),結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)的性質(zhì)及分布對(duì)聚乙烯的性能有很大影響。在結(jié)晶區(qū)內(nèi),聚乙烯分子鏈在垂直于晶面的方向上反復(fù)折疊,形成片晶。在無(wú)定形區(qū)內(nèi),存在無(wú)定形分子鏈,除了無(wú)序排列的分子鏈,還存在位錯(cuò)、孔洞等缺陷。聚合物的損傷斷裂是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,分子鏈間的重排、滑移、解纏及斷鏈等過(guò)程會(huì)引發(fā)銀紋和微裂紋,最終導(dǎo)致材料的整體破壞。 

2.3.2   掃描電鏡(SEM)分析

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)水平1試樣斷口形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：試樣斷口可見(jiàn)明顯的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)；無(wú)定形區(qū)的系帶分子鏈被拉長(zhǎng),開(kāi)始解纏結(jié),在缺陷位置處形成了微孔洞,被拉長(zhǎng)的系帶分子鏈逐漸形成了包圍微孔洞的微纖維,由系帶分子鏈形成的連接銀紋邊界的微纖維被拉長(zhǎng)到一定程度后發(fā)生瞬時(shí)斷裂。 

圖  6  水平1試樣斷口SEM形貌

水平15,25試樣斷口SEM形貌如圖7所示。由圖7可知：水平1,15,25試樣斷口結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)的分子纏結(jié)程度是有差別的,隨著加熱板表面溫度的降低和吸熱時(shí)間的減少,分子纏結(jié)程度呈下降趨勢(shì)。因?yàn)榻宇^焊接熱量不足,熔合不充分,界面層的聚乙烯分子并未充分地?cái)U(kuò)散與纏結(jié)[9]。分子纏結(jié)程度與冷焊嚴(yán)重程度存在正向關(guān)系。 

圖  7  水平15,25試樣斷口SEM形貌

3.   結(jié)論

(1) 隨著加熱板表面溫度的降低和吸熱時(shí)間的減少,熱熔焊接接頭的冷焊程度呈增大趨勢(shì),冷焊長(zhǎng)度及冷焊占比呈增大趨勢(shì)。 

(2) 隨著加熱板表面溫度的降低和吸熱時(shí)間的減少,試樣拉伸斷裂時(shí)的最大拉力和位移呈下降趨勢(shì),斷裂時(shí)試樣強(qiáng)度變化較小,塑性變化較大。 

(3) 熱熔焊接接頭微觀分子纏結(jié)程度與冷焊嚴(yán)重程度存在正向關(guān)系。 

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