聚乙烯管道電熔接頭冷焊形成機理及其檢測和評定方法.pdf

1、當今世界的交通運輸方式正朝著高速化、大型化、專業(yè)化的方向發(fā)展。管道作為五大運輸方式之一，是輸送石油、天然氣等關鍵能源介質的主要手段，對國民經(jīng)濟的發(fā)展和穩(wěn)定起著至關重要的作用，是國民經(jīng)濟的“生命線”。
　　 聚乙烯管具有使用壽命長、運行能耗和維護成本低等優(yōu)勢，符合國家倡導的“低碳”、“綠色”的發(fā)展方向，是國家中長期發(fā)展規(guī)劃中主推的化學建材之一。開展聚乙烯管道接頭焊接性能研究，突破聚乙烯管道系統(tǒng)安全應用的瓶頸，規(guī)范聚乙烯管道行業(yè)的設

2、計、制造、安裝、運行、維護以及安全狀態(tài)監(jiān)測體系，對推動整個聚乙烯管道行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
　　 管道接頭是管道系統(tǒng)安全的薄弱環(huán)節(jié)。電熔焊接是目前最廣泛使用的塑料管道和塑料復合管道的連接方式之一。據(jù)美國Plastic Pipe Data Collection(PPDC)統(tǒng)計，除第三方破壞以外，大部分聚乙烯管道失效事故發(fā)生在電熔接頭。由于聚乙烯管道與金屬管道性能存在較大差異，因此金屬管道中已較成熟的檢測和質量評價方法并不適用聚乙

3、烯管道。目前國內(nèi)外電熔接頭的質量控制主要通過設計合理的焊接工藝，制定嚴格的施工程序來實現(xiàn)，而對焊接后的電熔接頭進行無損檢測與安全評定方法研究基本為空白。
　　 本文在國家“十一五”科技支撐計劃課題“生命線工程安全保障關鍵技術研究及工程示范”(項目編號：2006BAK02B01)、國家“十二五”支撐計劃項目“基于風險的特種設備事故預防關鍵技術研究”(項目編號：2011BAK06B01)和國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)重點項目

4、“極端條件下重大承壓設備風險評價與壽命預測關鍵技術研究”(項目編號：2009AA044801)的支持下，主要以聚乙烯管道電熔接頭為研究對象，系統(tǒng)地研究了聚乙烯管道電熔接頭的缺陷分類及其相應的失效模式，針對工程中最常見的冷焊缺陷，本文從形成原因、檢測方法與安全評定三方面開展系統(tǒng)研究，主要完成的工作為：
　　 (1)采用理論分析與試驗研究相結合的方法，將聚乙烯管道電熔接頭內(nèi)部缺陷分為熔合面缺陷、孔洞、結構畸變以及過焊四種基本類型；利

5、用超聲相控陣超聲成像方法對這四種缺陷進行無損檢測，證明該方法可用于聚乙烯管道電熔接頭的無損檢測并具有足夠的精度；對含缺陷聚乙烯管道電熔接頭進行拉伸、剝離、爆破和高溫靜液壓試驗，檢驗了各種力學試驗方法對研究電熔接頭焊接界面性能的有效性；通過高溫靜液壓試驗發(fā)現(xiàn)含上述缺陷的電熔接頭具有沿熔合面的貫穿裂紋失效、沿電熔套筒壁的貫穿裂紋失效和沿金屬絲所在圓柱面的貫穿裂紋失效這三種失效模式；
　　 (2)得到聚乙烯材料的導熱系數(shù)、比熱容和密度

6、等傳熱參數(shù)隨溫度的非線性變化規(guī)律；在全面考慮聚乙烯材料參數(shù)、電熔焊接過程中輸入功率以及電阻絲與聚乙烯之間的接觸熱阻等因素隨溫度變化規(guī)律基礎上，建立聚乙烯管電熔焊接過程一維非穩(wěn)態(tài)軸對稱傳熱模型；通過溫度場測量和焊接功率及焊接輸入熱量測量試驗，驗證所提出的模型的合理性和求解結果的準確性，并進一步分析了電熔焊接冷焊缺陷產(chǎn)生的原因和主要影響因素；
　　 (3)發(fā)明基于特征線的冷焊超聲檢測方法；通過電熔焊接過程進行實時超聲錄像，證明在焊接

7、過程中超聲檢測特征線是固態(tài)聚乙烯和液態(tài)聚乙烯之間界面的超聲反射信號；系統(tǒng)地分析電熔焊接后電熔接頭中仍然殘留有特征線的可能成因，包括金屬絲周圍的氣泡，熔融區(qū)與未熔融區(qū)聲阻抗差異以及熔融區(qū)邊界的微晶；通過超聲多次焊接、差式掃描熱分析和顯微觀測試驗多角度支持熔融區(qū)邊界的微晶是形成特征線超聲反射信號最主要原因的觀點；結合溫度場模型，預測了特征線隨焊接時間和焊接功率的變化規(guī)律。
　　 (4)分別基于材料力學的變形能分析和唯象理論方法提出兩

8、種通過拉伸剝離試驗獲得焊接界面剝離能的分析計算方法，解決了以往采用拉伸剝離試驗無法直接得到焊接界面粘結性能指標的問題；在此基礎上，系統(tǒng)、定量地研究了不同焊接時間對焊接界面粘結性能的影響。通過對試驗結果進行理論分析，提出并分析電熔接頭焊接過程依次經(jīng)過強度孕育區(qū)、強度形成區(qū)、平臺區(qū)和裂解區(qū)的本質原因；應用統(tǒng)計學分析方法，計算得到在給定置信水平下獲得合格電熔接頭所需的最小焊接時間；結合超聲特征線檢測方法，提出物理概念清晰、實施方便的電熔接頭冷