中山大学赖焕生副教授研究团队：焊接缺陷对高密度聚乙烯管长期性能的影响 | MDPI Polymers

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文章导读

高密度聚乙烯 (High-density Polyethylene, HDPE) 管道因其耐用、无腐蚀、易于安装且结构稳定等优点成为核电站冷源的首选管道，但焊接缺陷的存在导致管道耐久性受影响。来自中山大学的赖焕生副教授及其研究团队在 Polymers 期刊上发表的文章，采用蠕变试验研究了焊接缺陷对 HDPE 管焊缝接头长期性能的影响。作者在热熔对接熔焊的过程中人为植入铜球模拟接头中存在的孔洞或夹杂物缺陷。结果表明，接头的蠕变寿命随缺陷尺寸的增大而减小，并得到了蠕变寿命和缺陷率的预测公式；无焊接卷边的蠕变寿命约为有焊接卷边的 50%。

研究过程与结果

植入铜球模拟孔洞或夹杂物所形成的焊接缺陷的步骤如图 1 所示。首先铣削和清洁焊接表面，在焊接表面的中心钻孔 (孔的直径与铜球的直径相同) 插入铜球。铜球直径与管壁厚度的比例分别为 0%、16%、33% 和 44% (0% 表示接头处不存在焊接缺陷)。

图 1. 在 HDPE 管热熔对接接头中模拟焊接缺陷的过程。

作者通过扫描电镜观察母材和 HDPE 管焊接处的微观形貌，结果如图 2 所示。与母材相比，焊缝处几乎不存在片状物，因此可以推断出焊缝接点相较母材部分具有高的硬度和强度等物理特性。

图 2. HDPE 管的母材和焊接点的 SEM 图像。

对于带焊接卷边的试样，0%、16% 和 33% 的焊接缺陷试样均在母材中出现缩颈现象 (图 3a)。这是因为焊接卷边根部的集中应力并没有破坏接头的韧性，并且接头区域的材质相较母材强度更高。在缺陷率为 44% 的所有试样中，焊缝处都出现了脆性断裂 (图 3b)。其原因可能是 44% 的缺陷率显著降低了焊缝处的截面积，接头受到的应力显著大于母材。

图 3. 在温度为 40℃、载荷为 9 MPa 时，HDPE 管的蠕变失效试样。

作者通过维氏硬度测试研究 HDEP 管焊接点的硬度分布。对试样施加 0.005 kgf 的载荷并维持 10 秒。接头硬度值如图 4 所示，结果表明，轴向最大的硬度值出现在接头的中间部位 (图 4a)，随着与接头中部距离的增加，硬度会缓慢下降到一个恒定值，并于距离接头中部约 20 mm 处，母材出现了一个硬度恒定值。硬度最大值约为恒定值的 1.7 倍。如图 4b 所示，在管壁厚度的范围内，硬度逐步增加到最大值，从管壁的内侧向外侧逐渐减小。其原因是在焊接过程中，材料在压力作用下被挤压到管壁的两侧，致使管壁中间的材料承受了最大的压力。因此，接头中心的硬度值最高，意味着接头中心比其他区域更脆，这解释了接头中出现的脆性断裂现象 (图 3b)。

图 4. HDPE焊缝接头的硬度分布：(a) 轴向硬度；(b) 沿壁厚硬度。

去除焊接卷边后，试样在焊缝与母材之间形成的缩颈如图 5 所示。与有焊接卷边试样不同，这一现象产生的原因是缺少了焊接卷边对接头的增强作用。因此，焊接卷边会影响蠕变断裂失效。

图 5. 在温度为 28℃、载荷为 10 MPa 时，无焊接卷边和焊接缺陷的 HDEP 蠕变破坏试样。

由于 HDPE 管具有良好的塑性特征，在缺陷率小于 44% 的情况下，即使出现了非常明显的缩颈变形，试样在试验过程中也没有发生断裂 (图 3a)。缺陷率为 33% 试样的位移随时间的变化如图 6 所示，将蠕变寿命定义在拐点处，当蠕变时间超过拐点时，位移迅速增加，蠕变变形速率加快，最后导致试样断裂。

图 6. 33% 缺陷率位移随时间的变化曲线。

蠕变寿命随缺陷率的变化如图 7 所示，其中每个蠕变寿命值为三个试样的平均值。随着缺陷比 φ 的增加，蠕变寿命几乎呈线性下降。拟合出蠕变寿命与缺陷比之间的线性曲线，并推导出拟合曲线的表达式。

图 7. HDPE 试样蠕变寿命随缺陷率的变化 (40℃，载荷 9 MPa)。

对于没有焊接卷边的试样，其蠕变寿命仅为有焊接卷边的 50%。其原因主要是由于是试样首先在接头处发生破坏，并逐步扩展到母材 (图 5)。由于接头的抗蠕变能力比母材要弱，移除焊接卷边后，蠕变寿命明显降低。因此，在延性失效的情况下，焊接卷边的存在有利于接头蠕变寿命的增加。

研究总结

◉ HDPE 管焊缝接头的最高硬度是母材的 1.7 倍；焊接接头的中心部位硬度最大。

◉焊接缺陷和焊接卷边会影响 HDPE 管的蠕变寿命。随着焊接缺陷尺寸的增大，蠕变寿命显著降低。无焊接卷边的蠕变寿命约为有焊接卷边的 50%。

◉ 根据试验结果，作者建立了 HDPE 管焊缝接头缺陷率与蠕变寿命之间的关系式。可用于预测存在孔洞或夹杂物等焊接缺陷 HDPE 管的蠕变寿命。

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原文出自 Polymers 期刊

Lai, H.; Fan, D.; Liu, K. The Effect of Welding Defects on the Long-Term Performance of HDPE Pipes. Polymers2022, 14, 3936.

    Polymers 期刊介绍

主编：Alexander Böker, University of Potsdam, Germany

期刊主题涉及聚合物化学、聚合物分析与表征、高分子物理与理论、聚合物加工、聚合物应用、生物大分子、生物基和生物可降解聚合物、循环和绿色聚合物科学、聚合物胶体、聚合物膜和聚合物复合材料等研究领域。

2021 Impact Factor	4.967
2021 CiteScore	5.7
Time to First Decision	13 Days
Time to Publication	31 Days

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