3PE防腐焊缝防腐层缺陷分析及防止控制
时间：2014-06-13 阅读：760
直缝焊钢管和螺旋焊钢管在三层PE外防腐包敷（缠绕法）成型过程中，由于焊道的几何突变特点、自身缺陷（如焊缝凸出的余高、毛刺、尖锐的凸起焊瘤、鱼鳞状焊波、收弧坑、咬边等）的存在和成型工艺参数变化的影响，极易导致焊道区防腐层各类缺陷生成，严重时可直接导致制成品焊道区开裂形成废品，更具危险性的是带有缺陷的外防腐钢管在投入工程运行后，有可能因缺陷的发展形成早期开裂失效，导致工程管线的提前腐蚀失效。造成长输管线的管理、运营及维护的困难。本文热收缩带，防腐胶带厂家精心整理。
1，焊道区三层PE外防腐层成型缺陷种类
工程实践证明：三层PE外防腐包敷（缠绕）成型生产过程中，焊道区外防腐层主要成型缺陷为：焊缝区防腐层应力开裂；焊缝侧防腐层减薄；焊缝侧防腐层分层；焊缝防腐层的坡口缺陷。
2，成型缺陷成因分析
2.1焊缝区防腐层应力开裂成因分析
螺旋焊钢管或直缝焊钢管，在实施三层PE防腐成型后，其焊缝区时常发生某一段或全焊缝区防腐层破裂，导致制成品*成为废品。
2.1.1焊道几何突变对防腐层应力开裂的影响
根据标准规定，允许用于制备长输管线的钢管焊缝留有一定的焊缝余高（≤2.5mm），这就使焊缝区焊肉厚度大于钢管厚度，形成焊道几何突变。焊道几何突变对防腐层应力开裂的影响主要有二。一是由于焊缝留有余高，同宽度、同高度膜口挤出的熔态塑料在钢管上包敷时，焊缝区形成的防腐层必然较钢管区偏薄，如果焊缝余高超过标准规定，则此厚薄比更为严重。*，当塑料壁厚薄不均时，不仅导致塑料层形成环向本体强度差，产生引发应力开裂的薄弱环节，更为严重的是在其成型冷却过程中，将导致冷却收缩残余应力在薄区积累，换句话说，就是残余应力在焊缝区防腐层本体中集中。二是由于焊道的几何突变形成了焊缝余高，在同等加热条件下，厚度不同的钢基体蓄热能力不同，致使钢管区与焊缝区形成热容差，此类热容差如果不在冷却条件下有效消除，对焊道区防腐层应力开裂也具有严重影响。
2.1.2成型工艺热环境对防腐层应力开裂的影响
成型工艺热环境对防腐层应力开裂的影响可按加热过程、水冷却过程、室温冷却过程分析。加热过程的影响主要表现在使钢管的焊缝区与钢管区形成热容差。前已述及，在同等的中频加热条件下，因焊缝余高的存在，焊缝区的蓄热能力大于钢管，如果焊缝余高超过标准规定，则此热容差更为严重。水冷却过程的影响主要表现在使钢管的焊缝区与钢管区形成不同的残余热能。由于焊缝区蓄热能力大，在同等的冷却条件下，如果成型生产线水冷却参数设置不足，成型冷却后焊缝区所蓄积的残余热能大于钢管区，该残余热能具有经热传导使焊缝区塑料层被二次加热的能力，致使该区塑料层温度高于
钢管区塑料层，换句话说，导致该区塑料层强度低于钢管区塑料层。室温冷却过程的影响主要表现在使钢管的焊缝区与钢管区形成不同的冷却收缩速度。当成型钢管下线后，随着防腐层在室温下进一步冷却收缩，由于焊缝区残余热能的影响，使该区域塑料被再次加热，故其冷却收缩速度总是慢于钢管区，加之钢管区偏厚防腐层冷却收缩面积总量远大于焊缝区偏薄防腐层冷却收缩面积总量，其影响不言而喻。
2.1.3焊缝缺陷防腐层应力开裂的影响
为保证挤压聚乙烯防腐层的质量，标准规定钢管焊缝的余高≤2.5mm，且焊缝应平滑过渡。对于某些进厂钢管，如果焊缝余高超标或焊缝表面存在有毛刺、尖锐的凸起焊瘤、鱼鳞状焊波、收弧坑、飞溅、咬边等缺陷时，由于此类缺陷能够在成型塑料层内表面留下明显伤残，则冷却收缩残余应力将进一步在伤残处集中，并导致塑料层产生初始裂纹。此时，在已形成裂纹两处只需很小的劈压应力（由残余应力转化而成），就可使该裂纹迅速发展。不管因何种因素产生的裂纹，一旦形成都将持续发展，直至塑料本体内聚集的残余应力松弛到小于裂纹发展所需应力止。
2.1.4碾压对防腐层应力开裂的影响
中间粘结剂与聚乙烯以及聚乙烯与聚乙烯之间的粘结，通常是依靠热熔态塑性自身熔融能力复合，并在压辊碾压作用下密实。在缠绕法成型过程中，层与层之间会包入空气，影响热熔态塑料自身熔结能力的发挥。所以三层PE生产线必须设置碾压工序以排除空气，且通过压辊施压作用，增加层与层之间的熔融结合。碾压压辊一般要求具有耐高温、高弹性特点。但由于钢管焊缝留有一定的余高，进行压辊碾压作业时，如压辊的弹性小硬度大时，在滚过焊缝处时，压滚自身产生的形变小，而对此处的防腐层却可产生严重的碾压变形，使焊缝区防腐层厚度进一步变小。在随后的水冷却过程中，防腐层冷却收缩生成的残余应力集中，形成F1和F2作用力，将可能在缺陷处C点引起焊缝防腐层撕裂。同样，如果在冷却过程中冷却水量和冷却时间不足，橡胶传送滚也会在的冷却前端造成焊缝防腐层应力集中，引起开裂。综上所述，焊缝区外包敷防腐层应力开裂的生成实际上是上述诸因素复合叠加、联合作用的结果。其中焊缝的几何突变的存在是基本条件，由此导致了焊缝区与钢管区基体热容差和外防腐层厚度差及强度差的形成。成型工艺热环境的变化是必要条件，由此导致了焊缝区与钢管区外防腐层冷却收缩残余应力分布不均匀，且在焊缝区形成收缩残余应力集中。而焊缝缺陷和碾压
作用的存在是促进条件，由此导致了焊缝区外防腐层原始缺陷的形成，加速了应力开裂的形成过程。就外包敷防腐层应力开裂的形成过程而言，应经历原始微裂纹生成、表面裂纹生成、防腐层整体开裂三个阶段。就其力学破坏性质而言，防腐层应力开裂实际上是焊缝区防腐层的本体强度低于在该区集中的冷却收缩残余应力的必然结果。
2.2焊缝侧防腐层减薄
在焊接钢管缠绕式三层PE防腐层成型过程中，由于实际存在着焊道的几何突变，由膜口挤出的同宽度、同高度熔融塑料带在焊道区的减薄是正常的，也是可以通过技术参数设定加以补偿使之满足技术标准要求的。本文所讨论的焊缝侧防腐层减薄是指在碾压辊或传送胶滚的作用下以及高分子塑性材料的冷却收缩引起的非正常不可预见性质量缺陷。
2.2.1碾压造成焊道防腐层减薄
焊缝A侧的过渡较B侧大，在三层PE的成型过程中，碾压辊在经过焊缝区时在B处因受到焊缝余高的阻碍发生形变，在达到焊缝余高的zui高点时，阻碍消除，在A处松弛形变，换句话说就是B处防腐层承受的碾压力大于A处，由于受到碾压力作用，B处PE向A处流动，而当A处受到碾压力作用时，由于压辊处于形变松弛状态，后点承受的碾压力总是大于
前点，又由于压辊旋转的导向牵引作用，使A处PE无法向B处流动，冷却定型后B处防腐层就会减薄，导致厚度不达标质量缺陷形成，严重时将导致2.1.4节描述的防腐层应力开裂。而当焊缝两侧过渡不均匀时，减薄也会不均匀。
2.2.2冷却过程造成减薄缺陷
进入水冷区，防腐层的表面首先被冷却，在焊缝区，焊缝蓄热并高于钢管基体，此区聚乙烯层外硬内软，经轮胎的碾压时焊道顶部的PE变形减薄量大。变形减薄的过程，轮胎对PE施加压力的方向。焊道PE内部较软的部分在F力的作用下向压强较小的焊道A、B两侧方向流动。由于进入初冷状态，这*动变形是塑性的，无反弹或反弹性较小。凹陷大都出现在焊道先接触轮胎的一侧，也有出现在另一侧的个别现象[1]。2.2.3材料引起焊道减薄聚乙烯在挤压过程中熔体粘度必须合适，否则，虽然熔体粘度很低，熔体流动性很好，但保持形状的能力却很差，在外力作用下极易变形，相反，熔体粘度很高，会造成流动和成型困难。分子量小的聚乙烯在同等温度下的熔体粘度要低于分子量高的聚乙烯（即MFR值越大，熔体粘度越小）。提高聚乙烯加工温度可降低其熔体粘度。尽管有利于熔体延伸，但保持形状的能力变差，在3PE加工过程中压辊的压力下易于变形，致使焊道处的聚乙烯熔体厚度更易变小[2]。
2.3焊缝侧防腐层分层
钢管本体与焊缝两侧是一个平滑过渡，环氧粉末采用静电喷涂热熔技术，因此在焊缝两侧不会形成涂覆缺陷，除非有大的过渡坑，环氧粉末的涂覆非常均匀。中间粘结剂层与外层聚乙烯多采用缠绕法，挤出膜包覆到钢管上必须有一定的张紧力，这样形成的膜才会薄厚均匀，外表光滑，此时在焊缝过渡处会形成一个空腔层，如果过渡处平缓，则空腔会自动消除，即便对于可能形成的空腔，在形成之前通过高弹性的碾压辊在形变作用下也可以消除。因此焊缝侧防腐层分层只会有三种情况：一是碾压辊的缺陷影响；二是内应力的影响；三是温度的影响。
2.3.1碾压辊的缺陷影响
碾压辊硬度较大，虽然压辊整体支撑装置回弹力足以消除压辊形变对焊缝防腐层的碾压影响，减少了应力开裂，但由于压辊形变小，焊缝两侧的防腐层未受到足够的形变产生的碾压力，造成聚乙烯与聚乙烯层以及聚乙烯与中间粘结剂层粘结压力不足，造成分层情况的出现。
2.3.2应力的影响
焊缝夹角不同引起应力集中。生产管体防腐层的内应力随着外界温度的变化而变化，但各点的应力都是一致的，其合力是指向管体的，而在PE坡口的焊道处就不同了，焊道侧与管体的夹角不同，夹角大的一侧PE层厚，形成的收缩内应力大，在太阳照射下，内应力就会大于粉末与钢材表面粘接力，形成分层。受到硬度大的传动滚轮的碾压产生应力。直缝管传动时，大管径采用缠绕法，钢管螺旋传动，A侧焊道在冷却水段首先接触传动滚轮，一般的传动滚轮硬度较高，对接触焊道侧防腐层施压形变，经冷却定型，相应的分子运动被冻结，但由于是急冷，大分子来不及通过分子的热运动达到稳定的聚集态结构，在受到日光曝晒，随着环境温度的升高，大分子解冻，分子的热运动将重新开始聚集态结构重排。此时将产生一个收缩的内应力，这个内应力作用于焊缝的侧面就会产生一个剥离开焊道的力F，当力F大于环氧粉末与焊缝侧钢本体的离子键结合力或与中间粘结剂的化学结合力，就会在B侧焊缝形成空腔D。所以生产后受阳光照射温度升高在PE记忆效应应力的作用下，防腐层焊道翘边容易发生。
在焊道前侧
2.3.3加热温度影响
三层PE防腐的加热多采用中频感应加热，热由钢管外壁向内传导，zui后达到均匀。焊缝处的钢本体厚度大于钢管基体，由于传热引起焊缝处温度较低，亦会对粉末胶化产生影响，容易引起翘边，这种情况比较少见。
2.4焊缝防腐层的坡口缺陷
为保证长输管道现场焊接安装、补口的要求，一般采用车刀形式或钢丝刷轮，在成品三PE管的两端防腐层形成30度左右的坡口。但由于车刀无回弹性，容易破坏焊缝，而钢丝刷轮由于设计原因，例如回弹力差、波动、转动不均，造成焊缝处受力大，容易形成焊缝处防腐层破损、无过渡，从而造成补口困难。
3缺陷的防止和控制
（1）禁止不合格钢管进厂，对于焊缝存在缺陷的钢管，必须经过处理达到标准要求，才可以进行防腐处理，消除焊缝外形或缺陷造成的防腐层缺陷。
（2）合理的传动及碾压辊轮设计。
（3）充分的冷却水量，防止焊缝区二次透热。
（4）严格的操作工艺，匹配的传动、防腐层成型速度。
焊缝的存在，对钢管的三层PE防腐造成非常大的影响，现阶段原材料对于焊缝防腐层的影响基本已经消除，但因为三层PE防腐成型工艺的复杂性，总会造成缺陷。所以严格按照操作工艺进行，并在实际中摸索经验，才能zui终*消除焊缝防腐层缺陷的影响。