3PE防腐焊縫防腐層缺陷分析及防止控制

    直縫焊鋼管和螺旋焊鋼管在三層PE 外防腐包敷（纏繞法）成型過程中，由于焊道的幾何突變特點、自身缺陷（如焊縫凸出的余高、毛刺、尖銳的凸起焊瘤、魚鱗狀焊波、收弧坑、咬邊等）的存在和成型工藝參數(shù)變化的影響，極易導致焊道區(qū)防腐層各類缺陷生成，嚴重時可直接導致制成品焊道區(qū)開裂形成廢品，更具危險性的是帶有缺陷的外防腐鋼管在投入工程運行后，有可能因缺陷的發(fā)展形成早期開裂失效，導致工程管線的提前腐蝕失效。造成長輸管線的管理、運營及維護的困難。本文熱收縮帶，防腐膠帶廠家精心整理。

    1，焊道區(qū)三層PE 外防腐層成型缺陷種類

    工程實踐證明：三層PE 外防腐包敷（纏繞）成型生產(chǎn)過程中，焊道區(qū)外防腐層主要成型缺陷為：焊縫區(qū)防腐層應力開裂；焊縫側(cè)防腐層減?。缓缚p側(cè)防腐層分層；焊縫防腐層的坡口缺陷。

    2，成型缺陷成因分析

    2.1 焊縫區(qū)防腐層應力開裂成因分析

    螺旋焊鋼管或直縫焊鋼管，在實施三層PE防腐成型后，其焊縫區(qū)時常發(fā)生某一段或全焊縫區(qū)防腐層破裂，導致制成品完全成為廢品。

    2.1.1 焊道幾何突變對防腐層應力開裂的影響

    根據(jù)標準規(guī)定，允許用于制備長輸管線的鋼管焊縫留有一定的焊縫余高（≤ 2.5mm），這就使焊縫區(qū)焊肉厚度大于鋼管厚度，形成焊道幾何突變。焊道幾何突變對防腐層應力開裂的影響主要有二。一是由于焊縫留有余高，同寬度、同高度膜口擠出的熔態(tài)塑料在鋼管上包敷時，焊縫區(qū)形成的防腐層必然較鋼管區(qū)偏薄，如果焊縫余高超過標準規(guī)定，則此厚薄比更為嚴重。眾所周知，當塑料壁厚薄不均時，不僅導致塑料層形成環(huán)向本體強度差，產(chǎn)生引發(fā)應力開裂的薄弱環(huán)節(jié)，更為嚴重的是在其成型冷卻過程中，將導致冷卻收縮殘余應力在薄區(qū)積累，換句話說，就是殘余應力在焊縫區(qū)防腐層本體中集中。二是由于焊道的幾何突變形成了焊縫余高，在同等加熱條件下，厚度不同的鋼基體蓄熱能力不同，致使鋼管區(qū)與焊縫區(qū)形成熱容差，此類熱容差如果不在冷卻條件下有效消除，對焊道區(qū)防腐層應力開裂也具有嚴重影響。

    2.1.2 成型工藝熱環(huán)境對防腐層應力開裂的影響

    成型工藝熱環(huán)境對防腐層應力開裂的影響可按加熱過程、水冷卻過程、室溫冷卻過程分析。加熱過程的影響主要表現(xiàn)在使鋼管的焊縫區(qū)與鋼管區(qū)形成熱容差。前已述及，在同等的中頻加熱條件下，因焊縫余高的存在，焊縫區(qū)的蓄熱能力大于鋼管，如果焊縫余高超過標準規(guī)定，則此熱容差更為嚴重。水冷卻過程的影響主要表現(xiàn)在使鋼管的焊縫區(qū)與鋼管區(qū)形成不同的殘余熱能。由于焊縫區(qū)蓄熱能力大，在同等的冷卻條件下，如果成型生產(chǎn)線水冷卻參數(shù)設置不足，成型冷卻后焊縫區(qū)所蓄積的殘余熱能大于鋼管區(qū)，該殘余熱能具有經(jīng)熱傳導使焊縫區(qū)塑料層被二次加熱的能力，致使該區(qū)塑料層溫度高于

    鋼管區(qū)塑料層，換句話說，導致該區(qū)塑料層強度低于鋼管區(qū)塑料層。室溫冷卻過程的影響主要表現(xiàn)在使鋼管的焊縫區(qū)與鋼管區(qū)形成不同的冷卻收縮速度。當成型鋼管下線后，隨著防腐層在室溫下進一步冷卻收縮，由于焊縫區(qū)殘余熱能的影響，使該區(qū)域塑料被再次加熱，故其冷卻收縮速度總是慢于鋼管區(qū)，加之鋼管區(qū)偏厚防腐層冷卻收縮面積總量遠大于焊縫區(qū)偏薄防腐層冷卻收縮面積總量，其影響不言而喻。

    2.1.3 焊縫缺陷防腐層應力開裂的影響

    為保證擠壓聚乙烯防腐層的質(zhì)量，標準規(guī)定鋼管焊縫的余高≤2.5mm，且焊縫應平滑過渡。對于某些進廠鋼管，如果焊縫余高超標或焊縫表面存在有毛刺、尖銳的凸起焊瘤、魚鱗狀焊波、收弧坑、飛濺、咬邊等缺陷時，由于此類缺陷能夠在成型塑料層內(nèi)表面留下明顯傷殘，則冷卻收縮殘余應力將進一步在傷殘?zhí)幖校е滤芰蠈赢a(chǎn)生初始裂紋。此時，在已形成裂紋兩尖端處只需很小的劈壓應力（由殘余應力轉(zhuǎn)化而成），就可使該裂紋迅速發(fā)展。不管因何種因素產(chǎn)生的裂紋，一旦形成都將持續(xù)發(fā)展，直至塑料本體內(nèi)聚集的殘余應力松弛到小于裂紋發(fā)展所需應力止。

    2.1.4 碾壓對防腐層應力開裂的影響

    中間粘結(jié)劑與聚乙烯以及聚乙烯與聚乙烯之間的粘結(jié)，通常是依靠熱熔態(tài)塑性自身熔融能力復合，并在壓輥碾壓作用下密實。在纏繞法成型過程中，層與層之間會包入空氣，影響熱熔態(tài)塑料自身熔結(jié)能力的發(fā)揮。所以三層PE 生產(chǎn)線必須設置碾壓工序以排除空氣，且通過壓輥施壓作用，增加層與層之間的熔融結(jié)合。碾壓壓輥一般要求具有耐高溫、高彈性特點。但由于鋼管焊縫留有一定的余高，進行壓輥碾壓作業(yè)時，如壓輥的彈性小硬度大時，在滾過焊縫處時，壓滾自身產(chǎn)生的形變小，而對此處的防腐層卻可產(chǎn)生嚴重的碾壓變形，使焊縫區(qū)防腐層厚度進一步變小。在隨后的水冷卻過程中，防腐層冷卻收縮生成的殘余應力集中，形成F1和F2 作用力，將可能在缺陷處C 點引起焊縫防腐層撕裂。同樣，如果在冷卻過程中冷卻水量和冷卻時間不足，橡膠傳送滾也會在的冷卻前端造成焊縫防腐層應力集中，引起開裂。綜上所述，焊縫區(qū)外包敷防腐層應力開裂的生成實際上是上述諸因素復合疊加、聯(lián)合作用的結(jié)果。其中焊縫的幾何突變的存在是基本條件，由此導致了焊縫區(qū)與鋼管區(qū)基體熱容差和外防腐層厚度差及強度差的形成。成型工藝熱環(huán)境的變化是必要條件，由此導致了焊縫區(qū)與鋼管區(qū)外防腐層冷卻收縮殘余應力分布不均勻，且在焊縫區(qū)形成收縮殘余應力集中。而焊縫缺陷和碾壓

    作用的存在是促進條件，由此導致了焊縫區(qū)外防腐層原始缺陷的形成，加速了應力開裂的形成過程。就外包敷防腐層應力開裂的形成過程而言，應經(jīng)歷原始微裂紋生成、表面裂紋生成、防腐層整體開裂三個階段。就其力學破壞性質(zhì)而言，防腐層應力開裂實際上是焊縫區(qū)防腐層的本體強度低于在該區(qū)集中的冷卻收縮殘余應力的必然結(jié)果。

    2.2 焊縫側(cè)防腐層減薄

    在焊接鋼管纏繞式三層PE 防腐層成型過程中，由于實際存在著焊道的幾何突變，由膜口擠出的同寬度、同高度熔融塑料帶在焊道區(qū)的減薄是正常的，也是可以通過技術(shù)參數(shù)設定加以補償使之滿足技術(shù)標準要求的。本文所討論的焊縫側(cè)防腐層減薄是指在碾壓輥或傳送膠滾的作用下以及高分子塑性材料的冷卻收縮引起的非正常不可預見性質(zhì)量缺陷。

    2.2.1 碾壓造成焊道防腐層減薄

    焊縫A側(cè)的過渡較B側(cè)大，在三層PE的成型過程中，碾壓輥在經(jīng)過焊縫區(qū)時在B處因受到焊縫余高的阻礙發(fā)生形變，在達到焊縫余高的最高點時，阻礙消除，在A處松弛形變，換句話說就是B處防腐層承受的碾壓力大于A處，由于受到碾壓力作用，B 處PE 向A 處流動，而當A 處受到碾壓力作用時，由于壓輥處于形變松弛狀態(tài)，后點承受的碾壓力總是大于

前點，又由于壓輥旋轉(zhuǎn)的導向牽引作用，使A處PE無法向B處流動，冷卻定型后B處防腐層就會減薄，導致厚度不達標質(zhì)量缺陷形成，嚴重時將導致2.1.4節(jié)描述的防腐層應力開裂。而當焊縫兩側(cè)過渡不均勻時，減薄也會不均勻。

    2.2.2 冷卻過程造成減薄缺陷

    進入水冷區(qū)，防腐層的表面首先被冷卻，在焊縫區(qū)，焊縫蓄熱并高于鋼管基體，此區(qū)聚乙烯層外硬內(nèi)軟，經(jīng)輪胎的碾壓時焊道頂部的PE 變形減薄量大。變形減薄的過程，輪胎對PE 施加壓力的方向。焊道PE 內(nèi)部較軟的部分在F 力的作用下向壓強較小的焊道A、B 兩側(cè)方向流動。由于進入初冷狀態(tài)，這一流動變形是塑性的，無反彈或反彈性較小。凹陷大都出現(xiàn)在焊道先接觸輪胎的一側(cè)，也有出現(xiàn)在另一側(cè)的個別現(xiàn)象[1]。2.2.3 材料引起焊道減薄聚乙烯在擠壓過程中熔體粘度必須合適，否則，雖然熔體粘度很低，熔體流動性很好，但保持形狀的能力卻很差，在外力作用下極易變形，相反，熔體粘度很高，會造成流動和成型困難。分子量小的聚乙烯在同等溫度下的熔體粘度要低于分子量高的聚乙烯（即MFR 值越大，熔體粘度越?。Ｌ岣呔垡蚁┘庸囟瓤山档推淙垠w粘度。盡管有利于熔體延伸，但保持形狀的能力變差，在3PE加工過程中壓輥的壓力下易于變形，致使焊道處的聚乙烯熔體厚度更易變小[2]。

    2.3 焊縫側(cè)防腐層分層

    鋼管本體與焊縫兩側(cè)是一個平滑過渡，環(huán)氧粉末采用靜電噴涂熱熔技術(shù)，因此在焊縫兩側(cè)不會形成涂覆缺陷，除非有大的過渡坑，環(huán)氧粉末的涂覆非常均勻。中間粘結(jié)劑層與外層聚乙烯多采用纏繞法，擠出膜包覆到鋼管上必須有一定的張緊力，這樣形成的膜才會薄厚均勻，外表光滑，此時在焊縫過渡處會形成一個空腔層，如果過渡處平緩，則空腔會自動消除，即便對于可能形成的空腔，在形成之前通過高彈性的碾壓輥在形變作用下也可以消除。因此焊縫側(cè)防腐層分層只會有三種情況：一是碾壓輥的缺陷影響；二是內(nèi)應力的影響；三是溫度的影響。

    2.3.1 碾壓輥的缺陷影響

    碾壓輥硬度較大，雖然壓輥整體支撐裝置回彈力足以消除壓輥形變對焊縫防腐層的碾壓影響，減少了應力開裂，但由于壓輥形變小，焊縫兩側(cè)的防腐層未受到足夠的形變產(chǎn)生的碾壓力，造成聚乙烯與聚乙烯層以及聚乙烯與中間粘結(jié)劑層粘結(jié)壓力不足，造成分層情況的出現(xiàn)。

    2.3.2 應力的影響

    焊縫夾角不同引起應力集中。生產(chǎn)管體防腐層的內(nèi)應力隨著外界溫度的變化而變化，但各點的應力都是一致的，其合力是指向管體的，而在PE 坡口的焊道處就不同了，焊道側(cè)與管體的夾角不同，夾角大的一側(cè)PE層厚，形成的收縮內(nèi)應力大，在太陽照射下，內(nèi)應力就會大于粉末與鋼材表面粘接力，形成分層。受到硬度大的傳動滾輪的碾壓產(chǎn)生應力。直縫管傳動時，大管徑采用纏繞法，鋼管螺旋傳動，A側(cè)焊道在冷卻水段首先接觸傳動滾輪，一般的傳動滾輪硬度較高，對接觸焊道側(cè)防腐層施壓形變，經(jīng)冷卻定型，相應的分子運動被凍結(jié)，但由于是急冷，大分子來不及通過分子的熱運動達到穩(wěn)定的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，在受到日光曝曬，隨著環(huán)境溫度的升高，大分子解凍，分子的熱運動將重新開始聚集態(tài)結(jié)構(gòu)重排。此時將產(chǎn)生一個收縮的內(nèi)應力，這個內(nèi)應力作用于焊縫的側(cè)面就會產(chǎn)生一個剝離開焊道的力F，當力F 大于環(huán)氧粉末與焊縫側(cè)鋼本體的離子鍵結(jié)合力或與中間粘結(jié)劑的化學結(jié)合力，就會在B側(cè)焊縫形成空腔D。所以生產(chǎn)后受陽光照射溫度升高在PE 記憶效應應力的作用下，防腐層焊道翹邊容易發(fā)生。

在焊道前側(cè)

    2.3.3 加熱溫度影響

    三層PE 防腐的加熱多采用中頻感應加熱，熱由鋼管外壁向內(nèi)傳導，最后達到均勻。焊縫處的鋼本體厚度大于鋼管基體，由于傳熱引起焊縫處溫度較低，亦會對粉末膠化產(chǎn)生影響，容易引起翹邊，這種情況比較少見。

    2.4 焊縫防腐層的坡口缺陷

    為保證長輸管道現(xiàn)場焊接安裝、補口的要求，一般采用車刀形式或鋼絲刷輪，在成品三PE 管的兩端防腐層形成30度左右的坡口。但由于車刀無回彈性，容易破壞焊縫，而鋼絲刷輪由于設計原因，例如回彈力差、波動、轉(zhuǎn)動不均，造成焊縫處受力大，容易形成焊縫處防腐層破損、無過渡，從而造成補口困難。

    3 缺陷的防止和控制

   （1）禁止不合格鋼管進廠，對于焊縫存在缺陷的鋼管，必須經(jīng)過處理達到標準要求，才可以進行防腐處理，消除焊縫外形或缺陷造成的防腐層缺陷。

   （2）合理的傳動及碾壓輥輪設計。

   （3）充分的冷卻水量，防止焊縫區(qū)二次透熱。

   （4）嚴格的操作工藝，匹配的傳動、防腐層成型速度。

    焊縫的存在，對鋼管的三層PE 防腐造成非常大的影響，現(xiàn)階段原材料對于焊縫防腐層的影響基本已經(jīng)消除，但因為三層PE 防腐成型工藝的復雜性，總會造成缺陷。所以嚴格按照操作工藝進行，并在實際中摸索經(jīng)驗，才能最終完全消除焊縫防腐層缺陷的影響。