高密度聚乙烯管道热熔焊数值模拟及工艺优化研究

发布时间：2016-11-26 07:27

第1章 绪论 

1.1 选题背景 
近年来随着城市化进程步伐的加快，为努力改善城镇居民的生活水平，对城市基础设施的投入也在逐年増多，在我们的日常生活中，所用到的管道主要有两种：燃气管道和给排水管道。它们与我们的日常生活息息相关，为生活起居、工业生产提供便利[1,2]。目前生活中常用的金属管道有钢管、铜管、不锈钢管和镀锌管[3]，其中按制造方法又可把钢管分为两类：焊接钢管和无缝钢管，主要用来作为热水管道，镀锌管虽然价格比较便宜但防腐性能较差。而塑料管道相对于金属管道而言具有施工运输方便、不易腐蚀、清洁卫生、安全可靠等优点，在节水节能的前提下还能满足对生活用水水质的要求，由于金属管道的使用受到限制，塑料管道得以迅速发展。特别是到了 2000 年以后，在建设城镇住宅小区时，镀锌钢管被国家禁用[4]，随着热镀锌管的停用，，塑料管道代替金属管道迅速发展起来。 随着聚乙烯管道的广泛应用，管道安全问题也就接踵而至。对于高密度聚乙烯管道的连接，而焊接技术是直接影响高密度聚乙烯压力管道安全应用的重要环节。和金属管道的特点一样，塑料管道在焊接过程中，也会由于加热及冷却不均、材质变化、现场环境以及手工操作等原因，在接头内部产生热应力、残余应力和变形。它们的存在，往往会导致焊接裂纹的形成，进而引起聚合物内部组织结构的变化，从而在一定条件下会影响构件的强度、刚度及使用寿命。疲劳失效、应力腐蚀开裂和脆性断裂等事故也是由于它们的存在导致的，这将会给生活及生产带来巨大损失。所以在焊接过程中，焊接工作者应注意管道的结构设计、生产制造过程，采用合理的焊接工艺及防护措施，得到高质量接头，保证管道应用的安全运行。因此对于焊接残余应力及变形方面的研究工作的开展是十分有必要的。因此，对于 HDPE(High  Density  Polyethylene (HDPE))管道热熔焊接过程的有限元模拟具有重要的学术上的价值和现实意义。本文将在焊接结束后对焊缝进行快冷、退火处理，以期得到更高质量的焊缝。  
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1.2 国内外研究现状 
近几年，国内外对于聚乙烯管道焊接接头力学性能方面的研究有较大进展。浙江大学益小苏教授等[5]曾对聚乙烯管道的热熔对接焊进行了一定的研究，重点验证了管材的可焊接性。 师春生，李家俊等[6]通过电容焊对 PE 管道进行焊接，分析其热量传输模型，对瞬态温度场进行了有限元模拟，同时利用温度巡检仪自动检测焊接时的温度场变化。通过对比发现计算结果与实际测试结果相差不大，这无疑对优化焊接工艺参数及焊接过程实现自动化具有重要意义。 天津大学霍立兴教授[7-11]带领的研究小组于 2000 年左右着重研究了对聚乙烯管道热熔焊接接头的裂纹的形成和防止方面，包括焊接接头的冲击性能、拉伸性能和抗开裂性能等，取得了显著的成果。 王立君等[12]通过对热熔焊接接头的蠕变柔量的测量，研究了蠕变对焊缝中心处产生裂纹时应力场的影响。经过研究发现：管材接头的屈服强度接近于管道基体的屈服强度，但其塑性变形能力明显变差，此外，蠕变的发展会增大焊接接头处裂纹扩展的趋势，从而造成裂纹的扩展。 阳代军，齐芳娟等[13]在不同的焊接温度下对聚乙烯管道进行热熔对接焊接，测量焊接接头的抗开裂性能，并与母材的进行对比分析。结果表明，随着温度的降低，聚乙烯材料的抗开裂能力将会变差。但母材的抗开裂性能要优于聚乙烯管道焊接接头，这是由于母材的结晶度要低于焊接接头。 HDPE 管道的热熔焊焊接接头的质量及力学性能不仅取决于材料本身的性能，还与管道的焊接工艺参数有关。阳代军，霍立兴等[10]研究发现，在对焊接接头性能有影响的焊接参数中，加热温度、压力及加热时间的影响比较显著。想要得到良好的焊接接头性能就要选择最佳的焊接工艺参数。 
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第2章 聚乙烯管道热熔焊方法及有限元分析

2.1 焊接材料及设备

高密度聚乙烯是一种由乙烯共聚生成的聚烯烃，结晶度高，能达到80  %～90  %，是一种热塑性树脂，无毒无嗅，密度约为 0.940～0.976  g/cm3，熔点约为 130  ℃，在达到 125  ℃时开始发生软化，所以使用温度能够达到100  ℃；化学稳定性好，耐寒耐热耐腐蚀，在室温条件下，不溶于任何有机溶剂；机械强度好，具有较高的刚性，韧性好，硬度、拉伸强度高；耐磨耐寒且绝缘，耐环境开裂性较好，但耐老化性能差，热氧化作用使其性能下降，通常通过加入抗氧剂等来改善避免这方面的缺陷[19]。本试验采用的设备为 CNC  ASIA  250  FA 型全自动热熔对接焊机(意大利Ritmo 公司生产)，如图 2-2 所示，分为电动数控齿轮液压控制箱、加热板、夹持导向装置（机身）和铣削装置 4 部分。其总的技术特性见表 2-2。 

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2.2 聚乙烯管道热熔焊连接技术简介
聚乙烯管道的生产应用中，焊接接头质量对于整个管道的安全应用具有至关重要的作用。焊接高密度聚乙烯管道的方法常用的有两种：电熔焊(Electric－Fusion  Welding)和热熔焊(Butt－Fusion  Welding)，在管道施工中这两种方式被广泛采用。由于本文只是着重研究聚乙烯管道的热熔焊连接，所以下面只对热熔焊作简单介绍。聚乙烯是由乙烯共聚生成的一种热塑性树脂，属于线性非晶态高聚物，试样的形变与温度的关系如图1-1所示，当温度较低时，试样呈刚性固体状，在外力作用下只发生非常小的形变；温度升到某一定范围后，试样的形变明显的增加，并在随后的温度区间达到一相对稳定的形变，在这一个区域中，试样变成柔软的弹性体，温度继续升高时，形变基本上保持不变；温度再进一步升高，则形变量又逐渐加大，试样最后完全变成黏性的流体。根据这一特性，将聚合物按照温度区域不同划分为三种力学状态：玻璃态、高弹态和黏流态。玻璃态与高弹态之间的转变，称为玻璃化转变，对应的转变温度即玻璃化转变温度，简称为玻璃化温度，通常用Tg表示。而高弹态与黏流态之间的转变温度称为黏流温度，用Tf表示[13]。 聚乙烯的玻璃化转变温度Tg一般在-68  ℃左右，所以聚乙烯在室温下处于高弹态，聚乙烯管道的热熔焊接实现了聚乙烯在高弹态与黏流态的相互转化，聚乙烯分子间并没有产生化学反应，属于物理变化。  在聚乙烯管道热熔焊的过程中，随着加热温度的升高，管道端面被加热到熔融状态，此时通过施加压力将两端面紧密的结合在一起，熔融部分内的分子链在压力的作用下会发生缠结，聚乙烯分子间会相互渗透到彼此的分子间隙中，撤去压力冷却，得到性能稳定的焊接接头[20,21]。 
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第 3 章  塑料管道热熔焊温度场的数值模拟与实验 .......... 12 
3.1  前言 ..... 12 
3.2  焊接过程温度场的数值模拟 .......... 12
3.2.1  温度场分析模型 ..... 12 
3.2.2  材料的物理性能及边界条件 ............ 14 
3.3 HDPE 管热熔焊温度场数值模拟计算结果与分析 ........... 14 
3.3.1  有限元模型 .... 15 
3.3.2  温度场的模型解析 .......... 17 
3.4 HDPE 管热熔焊的实验数据及分析 ........ 19 
3.5 HDPE 管热熔焊应力场数值模拟结果及分析 .......... 22
3.6  本章小结 ...... 25 
第 4 章  高密度聚乙烯热熔焊焊接接头性能优化 ..... 26 
4.1  前言 ..... 26 
4.2 HDPE 管热熔焊焊接接头优化实验 ........ 26
4.3  弯曲实验测试 ....... 28
4.4 XRD 实验测试 ...... 31
4.5  扫描电镜实验 ....... 34
4.6  本章小结 ...... 40 

第4章 高密度聚乙烯热熔焊焊接接头性能优化 

4.1 前言 
经实验结果分析测得，在实验中的几组参数中，聚乙烯管道在焊接参数为210  ℃、0.2  MPa 的情况下性能最好。本章将对 210  ℃、0.2  MPa 情况下焊接的焊接接头进行处理：(1)  将焊接接头放入水中进行水冷，改变焊接接头的冷却速度；(2)  将焊接接头放入循环炉内在 100  ℃下进行热处理。 对进行过处理的焊接接头和未处理的焊接接头的接头性能进行对比，通过弯曲实验和 XRD 实验比较其性能差异，分析得到最佳的焊接方法。高密度聚乙烯热熔焊焊接过程分为预热、加热、切换和加压四个过程，在焊接结束后，管件在空气中冷却。而冷却速度影响高密度聚乙烯的结晶速度、结晶度、结晶形态和大小等，所以本文对焊接结束后高密度聚乙烯焊缝的冷却速度进行研究。为了控制冷却速度，本实验用水冷的方式进行快速冷却，即在HDPE 管热熔焊焊接结束后，将焊接接头迅速放入 10  ℃水中进行快速冷却。并通过温度巡检仪记录焊接接头温度变化，当焊接接头度降至室温时从水中取出新管材，测量卷边的高度、宽度以及两管材焊后长度。并将温度巡检仪测得的数据保存到电脑上并进行数据处理。快速冷却情况下和未受处理的高密度聚乙烯管道热熔焊焊缝中心处温度变化曲线如图 4-1 所示，从图中可以看出，在加热升温阶段至焊接结束，两种情况下的温度变化曲线变化基本一致，当焊接结束后，未受处理的焊缝在空气中降至室温需要时间较长，趋势也较平稳，在水浴中进行快速冷却的焊缝温度下降较快，降至室温所需时间较短。但从图中可以看出，进行水冷的焊缝的温度下降速度只是稍快于未受处理的焊缝，一是因为此种情况下的温差也只是略大于空气中，二是由于高密度聚乙烯传热较慢，所以温度下降速度只是略高于未处理焊缝。 
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结论

本文在不同工艺参数下对高密度聚乙烯管道进行焊接，并用温度巡检仪记录下其温度场变化，同时利用 MARC 软件进行模拟，将模拟结果与实验结果进行对比，得到高密度聚乙烯管道在焊接过程中的温度场和应力场。为了进一步优化高密度聚乙烯管道热熔焊焊接接头性能，将焊接接头进行快速冷却及退火处理，并通过弯曲实验比较其性能，利用 XRD 实验及扫描电镜实验分析研究其机理：
(1)  将高密度聚乙烯管道在不同焊接工艺参数下进行焊接，采用温度巡检仪记录下温度场变化，并与 MARC 软件模拟结果进行对比，两者基本吻合：在加热过程中，管件端面的温度分布沿轴向均匀推进，呈降低的趋势。在加热结束时端面温度仅略高于熔点，但由于在压焊过程中发生相变潜热，撤去加热板后，随着管件的挤压，热量从内层传出，温度会继续升高，在 300  s 时达到最大值，融化层厚度也逐渐增加。
(2)  管件焊缝中心处受压应力，沿轴向逐渐过渡到拉应力，在距焊缝 3 mm处的应力为最大值。由于压焊过程中一部分熔体被挤出，而其余的熔体在压力作用下冷却结晶，分子链趋于紧密排列，所以聚乙烯热板焊的轴向应力水平较低。 
(3)  将最佳焊接工艺参数(210  ℃、0.2  MPa)下的高密度聚乙烯管道热熔焊焊接接头进行快速冷却及退火处理，并将接头与未处理焊缝进行弯曲实验，发现快速处理焊缝抗弯强度最好，未受处理焊缝性能最差。
(4)  对三种情况的焊缝进行XRD实验比较其结晶度：发现退火后焊缝结晶度最高，与正常情况下焊缝结晶度均高于母材，而快速处理情况下焊缝结晶度最小。通过扫描电镜观察未受处理及退火的焊缝表面存在明显的滑移和褶皱，断裂为韧性断裂；而快速冷却焊缝断面平整，空洞较少，纵向纤维拉伸较小，经过焊缝快速冷却处理，结晶度下降，但晶体生长好，结晶较完整，所以结构稳定，抗弯强度好。所以在210  ℃、0.2  MPa参数下对聚乙烯管道进行焊接，并在焊接结束后对接头进行快速冷却处理，能够获得性能较好的焊接接头质量。
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参考文献(略)  

本文编号：193929