不同冷却速度下高密度聚乙烯管道热熔焊焊缝模拟与试验研究

摘要

随着社会和科技的进步，聚乙烯管道逐步取代了传统金属管道，在给水和燃气输送等领域的应用越来越广。聚乙烯管道在使用过程中，最易破坏和泄漏的部位就是管道的接口部位，聚乙烯管道的热熔焊接头性能优劣对管道系统的安全尤为重要。在聚乙烯管道热熔焊接过程中，焊接参数选择和设置是决定焊接接头性能的重要影响因素，是影响压力管道安全应用的重要环节。
　　本文针对高密度聚乙烯管道热熔对接焊，利用MARC软件建立高密度聚乙烯管道焊接接头一维非稳态整体传热模型，对HDPE管快速冷却焊接温度场和应力场进行模拟研究，模拟焊缝在不同冷却速度下温度场及应力场分布。为验证模拟结果，采用规格为直径110 mm，SDR=17，壁厚6.47 mm的PE100给水管道作为试验材料，在不同工艺条件下进行焊接。选取最优焊接温度210℃条件下，采用0.2 MPa焊接压力对HDPE管进行焊接，加压过程完成后将焊接接头快速放入冷热循环箱。分别设置冷热循环箱温度为-15℃、-10℃、0℃、10℃、15℃，使焊接接头冷却至室温25℃，获得不同冷却条件下的焊接接头。焊接和冷却过程中全程利用热电偶和温度巡检仪对焊接接头温度进行实时采集。通过实际测得焊接温度场变化与模拟结果进行对比分析，模拟结果与实验数据基本吻合，趋势一致。
　　为解决高密度聚乙烯管焊缝质量评定过中周期长、成本高、工艺制定靠经验以及分析不准确等问题。研究开发了高密度聚乙烯管热熔焊焊接工艺数据库，包括材料类型表、热熔焊焊接参数表、快速冷却下焊缝断口数据表及退火条件下焊缝断口数据表等，对数据的分析提供了便利。
　　为了优化热熔焊工艺，将焊接温度为210℃，焊接压力0.2 MPa条件下自然冷却至室温的焊接接头，放入保温炉中以70℃、80℃、90℃、100℃进行24小时保温后冷却至室温。将焊后自然冷却，焊后保温热处理，焊后快速冷却三种焊后处理工艺条件获得焊接接头，进行弯曲试验、扫描电镜试验和XRD测试，通过测试数据分析，得到不同的冷却速度，对焊缝结晶度的影响。得出，18.6℃/min的冷却速度为聚乙烯热熔焊接的最佳冷却速度。80℃为高密度聚乙烯管道焊缝的最佳热处理温度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高密度聚乙烯(HDPE)管道概述

1．2．1 高密度聚乙烯管道进化过程

1．2．2 高密度聚乙烯管道的应用

1．3 高密度聚乙烯管道热熔焊技术

1．3．1 高密度聚乙烯管道的热熔焊原理

1．3．2 高密度聚乙烯管道的焊接工艺

1．4 相关软件介绍

1．4．1 有限元模拟软件Marc概述

1．4．2 数据库Access软件概述

1．5 高密度聚乙烯管道的研究进展

1．5．1 国外研究现状

1．5．2 国内研究现状

1．6 目前存在的主要问题及研究内容

1．6．1 目前存在的主要问题

1．6．2 本文研究内容

第2章 HDPE管不同冷却速度下热熔焊有限元模拟

2．1 引言

2．2 有限元软件介绍

2．3 有限元软件用途

2．4 有限元软件模拟分析实验设计及过程

2．4．1 焊接过程数值模拟分析模型的建立

2．4．2 材料物理性能和边界条件

2．5 HDPE管热熔焊应力场数值模拟计算结果和分析

2．5．1 有限元模型

2．5．2 高密度聚乙烯管热熔焊温度场的模型分析

2．5．3 高密度聚乙烯管热熔焊应力场的模型分析

2．6 本章小结

第3章 HDPE管道热熔焊接头验证试验

3．1 引言

3．2 高密度聚乙烯管道的焊接材料及设备

3．2．1 高密度聚乙烯管道的材料介绍

3．2．2 高密度聚乙烯管道的焊接设备介绍

3．2．3 高密度聚乙烯管道的接头焊制及后处理

3．3 高密度聚乙烯管道的弯曲试验

3．3．1 高密度聚乙烯管道的弯曲试验设备

3．3．2 高密度聚乙烯管道的试样制备

3．3．3 弯曲试验结果分析

3．4 高密度聚乙烯管道的焊缝失效断口显微观察

3．4．1 高密度聚乙烯管道的断口微观形貌实验设备

3．4．2 高密度聚乙烯管道的断口显微观察

3．5 高密度聚乙烯管道的焊缝结晶度测量

3．5．1 高密度聚乙烯管道的焊缝结晶度测量实验设备

3．5．2 高密度聚乙烯管道的焊缝结晶度取样及分析

3．6 本章小结

第4章 HDPE管热熔焊数据库的建立

4．1 引言

4．2 数据库软件的介绍

4．2．1 数据库软件的概述

4．2．2 高密度聚乙烯管热熔焊焊接工艺数据库的功能介绍

4．3 数据库结构设计

4．3．1 高密度聚乙烯管热熔焊焊接工艺数据库建立思想

4．3．2 高密度聚乙烯管热熔焊焊接工艺数据库结构设计

4．4 建立HDPE热熔焊数据库

4．4．1 高密度聚乙烯管热熔焊焊接数据库建立

4．4．2 数据库数据储存

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢