大口径HDPE管道电熔焊接缺陷分析及应对措施

曹善刚

（中核霞浦核电有限公司，福建 宁德 352000）

1 概述

美国于2007年颁布了ASME Code N755，允许HDPE管道应用于核电站的安全相关系统。2009年5月HDPE管道电熔焊接首次应用于美国Callaway核电站，其长度约11500m，管道直径36英寸（900mm），主要采用热熔焊接形式，局部极少量收口位置使用电熔焊接。AP1000核电综合管廊内厂用水系统HDPE管道采用电熔+热熔焊接的混合焊接方式。

2 电熔焊接原理

电熔焊接是聚乙烯分子物理熔接的一个过程。其通过电流按照一定的规则通过预埋在电熔套筒内壁的电阻丝，使其发热以加热套筒内壁以及管道外壁，在压力等因素作用下使聚乙烯分子相互渗透熔融成整体。

电熔焊接在熔接过程中无法使用液压装置进行挤压，只能依靠管道及电熔套筒本身热胀冷缩产生的挤压力进行熔接，其焊接质量受管道椭圆度、管道和套筒之间的配合间隙以及配合面的清洁度等影响较大。

3 电熔焊接缺陷形成机理及分类

通过电熔焊接工艺流程分析，并结合AP1000核电HDPE管道电熔焊接安装经验以及电熔套厂家Plasson和上海中塑（均为示范工程电熔套供货厂家）内部的相关试验报告分析，电熔焊接主要缺陷如下。

3.1 熔合面结构畸形缺陷

熔合面结构畸形缺陷主要分为承插不到位、电阻丝错位以及管道不同轴。承插不到位是指管道未完全承插到电熔套筒中间的冷区位置，从而导致管道外壁未完全覆盖电熔套筒内部预埋的电阻丝区域。

电阻丝错位主要是受电熔焊接过程中的熔接挤压力影响，导致熔融状态的聚乙烯分子产生轴向和径向流动并带动周围的电阻丝产生位移，从而使电阻丝形成不规则分布，严重的会将电阻丝挤到电熔套筒外。

管道不同轴是指与电熔套筒连接的两段管道未处于同一轴线上，导致电熔套筒与管道之间存在径向剪切力，一旦接合面聚乙烯受热熔融后，就会导致管道与套筒在剪切力作用下形成对折错位。

3.2 融合面夹杂缺陷

融合面夹杂缺陷主要是管道与电筒套筒在装配过程中携带杂物导致，按杂物分类主要分为夹氧化皮缺陷和夹其他杂物缺陷两类。

夹氧化皮缺陷是指电熔焊接前对HDPE管道端部外表面焊接区域的氧化皮去除不够彻底，将残留氧化皮带入焊接区域所形成的缺陷。HDPE管道受空气和光照等影响，会在表面形成约1mm厚的氧化皮，该氧化皮在受热后不与聚乙烯融合，从而在焊接过程中阻挠聚乙烯分子的扩散和熔融，使焊接面形成缺陷。

夹其他杂物缺陷是指焊接过程中在焊接面引入其他杂物，主要包括水滴、泥沙、树叶等。分布在焊区的杂物，将直接导致有效焊接面积的减少，同时，在焊区内部形成一条初始的裂纹。该裂纹将在管道内压力的作用下，形成慢性裂纹效应，从而导致电熔接头的失效。

3.3 焊接能量输入缺陷

焊接能量输入缺陷主要是指焊接过程中的能量输入参数未得到有效控制，从而导致焊接缺陷的产生。其主要分为冷焊和过焊两类。

电熔焊接的焊接过程也就是电阻丝输入热量的过程，因此，可以用焊接输入热量与一个已知的标准输入热量的比值来表示焊接程度，即。

式中，H表示焊接程度；

当电熔焊接满足要求时，H下限≤H≤H上限，即焊接时间与焊机输出电压满足焊接程序要求时，焊接结果符合要求。

当H＜H下限时，即焊机输出电压不足，或者焊接时间过短，则导致焊接过程中输入的热量小于下限值，从而导致冷焊缺陷的产生。

当H＞H上限时，即焊机输出电压过大，或者焊接时间过长，则导致焊接过程中输入的热量大于标准值，从而导致过焊缺陷的产生。

4 电熔焊接缺陷应对措施

通过对电熔焊接缺陷的分类以及形成机理的分析可知，电熔焊接的质量受设备、环境及人为因素的影响较大。合理地制定电熔焊接工艺流程，量化相关工艺参数是提高电熔焊接质量的有效手段。

4.1 熔合面结构畸形缺陷的预防

熔合面结构畸形缺陷主要受管道和电熔套筒装配尺寸及焊接过程中的固定措施不到位等因素影响。主要从管道尺寸及装配过程上进行控制。

（1）外径测量工具。HDPE管道外径测量要求使用π尺。

（2）管道外径测量。管道外径测量位置应距离管道端部不小于1.5倍OD或者300mm处，外径公差不超过ASTM-F714标准规定。

（3）端部收缩确认。用π尺测量管道端部，如端部收缩超过10mm，则需要割除端部100mm再继续测量。

（4）端部垂直度。管道端部切割后，其倾斜度不得超过3°，避免由于管道端部斜口较大，焊接过程中熔融态的PE从内部斜口流出。

（5）校圆。使用校圆器对管道进行校圆。管道校圆后，其端部直径长边与短边之差不得大于10mm，确保管道与套筒的装配间隙均匀。

（6）装配。使用吊装带将电熔套筒套装在管道上，套装过程中保持套筒与管道同心，不得强力对口，避免冲击破坏套筒内预埋电阻丝。

（7）装配检查。套装完成后，检查确保套筒两侧边缘与管道上的套接边线重合。

（8）固定。使用校正器将两侧管道进行相对固定，避免使管道和套筒产生相对位移或承受剪切力。

（9）焊接过程检查。焊接程序启动后直至冷却完成，过程中不得触碰管道、套筒以及各固定专用工具。

4.2 熔合面夹杂缺陷的预防

夹杂缺陷主要是HDPE管道表面氧化皮刮削和清洁不到位，或者电熔套筒装配和焊接过程中污染导致。现场主要采取清洁度及防异物管控措施，主要如下：

（1）清洁。使用干净的纯棉布对管道两端进行清洁，确保管道内外壁无油污、杂物等污染，清洁区域不小于套筒套接区域外100mm。

（2）标记。按照电熔套筒的尺寸，用白色记号笔在管道端部分别环形标记刮削区和套接边线。

（3）清洁。使用纯棉布和酒精对套筒内部、管道刮削区域进行清洁，确保无油污、灰尘等杂物。

（4）装配。在酒精清理后立即进行管道和套筒装配，同时，控制装配过程中带入杂物。

（5）最终清理。如果在酒精清理后不能立即进行管道和套筒装配，则在最终装配前再次执行酒精清理流程。

4.3 焊接能量输入缺陷预防措施

焊接能量输入缺陷主要是焊接过程未严格按照相关标准执行而导致的缺陷，主要原因有电源异常、焊接时间异常等。针对该情况采取措施如下：

（1）电源。设置独立的焊接以及备用电源。

（2）电压检查。正式启动焊接程序前，检查控制箱电源，确保焊接电压满足焊接要求。

（3）人员控制。焊接程序启动后不得中途暂停，焊接负责人应持续保持对控制箱的观察，直至焊接程序完成。

（4）焊接记录。焊接程序开始和结束时，分别在电熔套筒上记录时间，保证每个电熔焊接焊口的可追溯性。

（5）冷却。管道电熔后冷却时间不得小于管道壁厚（英寸）×11min。

（6）焊接后检查。电熔焊接完成后，检查控制箱焊接程序，确保焊接时间、温度等各参数满足要求。

5 结语

HDPE管道电熔焊接由于其焊接原理以及焊接过程中的设备、环境及人为因素的影响，易形成焊接缺陷。本文结合AP1000厂用水系统大口径HDPE管道电熔焊接的安装实践，制定了一套电熔焊接施工工艺流程，对预防和控制电熔焊接缺陷以及推动HDPE管道电熔焊接施工工艺的标准化提供了参考。