周杰
中国船级社质量认证公司广西分公司
引言
随着国家管网集团在“十三五”收官前开始初步部署，各省市下游管网地方化市场化的推进，城镇燃气管网建设也是其中最重要的环节之一。而城镇燃气管道中最常使用的则是PE管道和PE材料的电熔和热熔管件，PE材质耐腐蚀，质量轻便，对环境无污染，使用周期长，并且施工工艺较为成熟和简单，国内各大燃气管网公司城镇化进程中使用最多的也是PE管材。但近些年频频发生PE管在城镇道路侧甚至小区内发生泄漏的事件，收集大多是事故资料，发现绝大部分存在PE管焊接质量问题，因此本文针对PE管焊接质量管理问题进行相关阐述，尽可能从已经发生的质量事故中去总结经验，进一步提高PE管焊接的质量，从而保证各相关方的人身和财产安全。
1.背景简述
2020年所查事故现场为广西某小区庭院的低压燃气管道项目，庭院内埋地聚乙烯管道铺设已完成，由于双其余施工单位在进行绿化施工作业过程中，挖沟机挖断PE燃气管道，造成现场燃气泄漏。但在清理检验的过程中时发现，PE管和电熔三通管件连接处存在脱焊的现象，对现场可能存在电熔焊接头质量问题进行分析和调查。
分别对以下内容进行了调查：
施工方按照施工内容和管理内容的不同，分为: 开挖回填、焊接、工艺安装、施工项目管理、物资管理、安全管理、人员资质、过程记录管理等；
监理方：技术管理文件、人员资质、监理履职、物资设备、过程记录管理等；
2.问题分析
询问现场管理人员，事发前挖机作业时，在事故发生点无燃气标识，距离最近的燃气标识，被小区建筑单位的蓝色彩钢瓦围栏遮挡，造成第三方施工作业人员错误开挖，随后发现焊接接头脱落。
对现场挖断损坏的PE管进行了实测实量，对脱焊接头的外观进行了仔细检查，对于PE管材、管件及接头处发现以下几点：
① De160管材插入三通处深度约为98mm，符合电熔承插口插入深度L的要求，该项合格；
② De160三通管件不圆度约为5mm，大于电熔管件承口最大不圆度0.015d=160*0.015=2.4mm，不符合PE管件相关规范，该项不合格；
③ 可以看到管材插入到承口管件内的管端未进行处理，管端凹凸不平，会对焊接时管材管件同轴度产生影响，影响电熔焊熔接质量，该项不合格；
④ 管材脱焊部位进行检查，存在氧化皮的刮削痕迹，但未见插入深度的位置标识，该项不合格；
⑤ 脱焊部分的熔接区存在多处气孔留下的凹坑，尺寸大小为2mm-5.5mm不等，该项经判定不合格；
3.材料检查
现场对脱焊管件接头进行切除，经检查发现该三通管件熔接区电阻丝排列均匀，熔接区长度约为48mm,未见明显异常。
但现场发现三通管件生产日期存在划痕，无法辨识相关信息。检查施工单位库房管件发现库房中仍存有同周期内生产的PE管件类型包含异径直通、三通、管帽等各个规格的管件，均已过期。
其主要生产日期为2012年至2014年期间，根据《聚乙烯燃气管道工程技术标准》CJJ63-2018和《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统 第2部分：管件》 GB 15558.2-2005的相关规范，考虑聚乙烯材质的特性，当严格按照PE管贮存和运输的管理规定时，密封包装管件的有效存放时间为6年，超过该年限或累计吸收太阳辐射能量超过3.5GJ/m2时，需要对其抽样检查才能继续使用。
查样分析：由于聚乙烯管件材质存放时间较长，贮存期间受温度和光照因素影响，均会导致PE管件不同程度的老化硬化，电熔焊时，采用该管件则会造成熔接性能降低，熔接区抗拉强度下降，气密性差等现象。
4.焊机设备检查
检查全自动电熔焊机发现，该焊机具备不同管件扫码自动输入不同的焊接参数功能，能打印相关的焊接数据。但原施工单位未打印保留焊机上的原始焊接数据。电焊机身外壳上贴了多个条形码，且条形码无任何标注，容易产生施工作业时，误扫误操作。
查阅现场原施工单位的交工资料，发现脱焊处PE管的焊接时间为240s，插入深度为150mm。现场管件实际要求的焊接时间为400s，实际插入深度为98mm，资料与实际情况严重不符，材料报验资料中未见管件的各项报验表，缺失质保书等重要文件。
5.资料分析
如现场实际按《PE管连接、检验记录》中240s焊接时间进行电阻丝加热，由于加热时间过短，输入的热量不足，管件管材熔接不充分，则该焊接接头的熔接质量同样达不到管件出厂设计时的强度要求。
但原施工单位交工资料过于简单，缺乏基本的施工过程记录，无相关检验的具体说明，无法完全依据该文件对实际的施工情况进行溯源。
对于现场电熔管件出现相关孔洞的情况，也考虑是否会影响最终的焊接质量问题，导致接头脱落。
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现场PE管熔接区出现明显的孔洞，对现场脱焊的孔洞进行测量发现大小从2mm-5.5mm不等（如上图），在熔接区表面呈现圆形或者椭圆形，且数量较多。针对这一现象，查阅相关文献和资料发现：
电熔管件焊接后的内部孔洞一般在管件熔接区中部位置，且在管件与管材的焊接面上出现，孔洞大小随管件大小有所差异，管件公称直径越大孔洞也越大。孔洞一般出现在管件公称直径 160mm以上的产品中，管件口径越大，孔洞的数量也会有所增加，呈现多个孔洞并存的现象。将焊接后的管件沿轴线进行切割制样，孔洞的截面通常呈圆形或者椭圆形。电熔焊的电阻丝、焊接电压、焊接时间和管材管件尺寸配合均会产生孔洞。
电熔焊开始加热后，PE材料熔融，原本排列整齐的电阻丝线圈失去支撑，在熔融料受热膨胀时发生位移，造成熔融区受热不均匀。受热不均导致熔体压力不均衡，使得部分熔融料过度膨胀而在冷却时无法填补空缺，形成一定的收缩孔洞。焊接电压偏高时，电熔管件连接件表面受热过量，电阻丝会发生位移，内部形成较大的长条形大孔洞。焊接时间在超长的情况下，熔融料受热过量，熔体压力偏高，将熔融料挤压出熔接区范围，冷却后形成孔洞。
电熔管件采用承插组装方式，其承口端内径比管材的外径略大，以确保安装时使用便利。管件与管材装配时会有一定空隙，两者均有不圆度存在，因此间隙大小不一。在焊接时，管件内的电阻丝发热先熔融管件，然后融熔料继续受热膨胀填满空隙之后，将热量传递到管材上，从而将两者的接触面融合，直到完全融合。由于管件与管材间存在的空隙大小不一，造成管件熔料与管材的熔接区封闭时间不一致，部分熔接区外部完全闭合，但内部没有闭合，从而排气不畅形成孔洞。随着电熔管件内部持续受热，孔洞内空气加速膨胀使得孔洞持续加大。
根据现场实际的情况来观察认为产生孔洞的主要原因是三通管件的不圆度过大和管材进承插式电熔焊时，在熔接区的整个圆周面上受热不均。从而产生了孔洞凹坑等现象。
而国内标准并未对孔洞是否影响电熔焊焊接接头质量而做出明确的规范要求。
查阅美国材料实验协会ASTM相关规范要求。
依据 ASTM F1055-98(Reapproved 2006) 标准要求，焊接后管件内部孔洞的质量判定采用切片样条对比，判定合格的产品需符合以下几点：
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?单个孔洞长度不超过熔接区长度10%；
?有多个孔洞的，所有孔洞相加不超过熔接区长度的20%；
6.PE燃气管道质量问题结论和建议
a.施工单位材料管理忽视，对已过期的材料未及时处理。
b.现场施工管理不严格，对于各项过程资料记录不重视，交工资料过于简陋。
c.现场焊工施工操作过于随意，需加强技术交底。
d.监理方失职失责，未对现场进行实际检查，资料签字盖章流于形式。
e.现场燃气安全管理有所疏忽，巡线人员未及时发现施工作业，燃气标识未及时做到位，导致第三方开挖损坏燃气管道。
针对本次个例PE燃气管道相关事故，它体现出施工方的安全管理、物资管理、施工管理多方面失责，监理方对过期材料未进行及时制止，对PE管焊接过程未进行监督管理。需要进一步加强现场燃气安全标识管理，加强对班组和焊接人员的技术交底，加强监管力度。
参考文献
(1)《城镇燃气设计规范》GB 50028-2016
(2)《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统 第1部分：管材》GB 15558.1-2005
(3)《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统 第2部分：管件》GB 15558.2-2005
(4)《城镇燃气标志标准》CJJ/T 153-2010
(5)《城镇燃气管理条例》
(6)郑津洋，施建峰，郭伟灿，等.聚乙烯管道电熔接头焊接过程温度场分析［］］. 焊接学报，2009 , 30（3）: 5-9.
(7)《Standard Specification for Electrofusion Type Polyethylene Fittings for Outside Diamater Contorlled Polyethylene Pipe and Tubing 》ASTM F-1055-98