概述聚乙烯管道的熱熔連接技術(shù)

丁燕芳

聚乙烯管又稱PE管道，是一種利用PE樹脂經(jīng)擠出成型的新型化學(xué)管材。聚乙烯管在輸送燃?xì)狻⒔o水中應(yīng)用很廣。輸送燃?xì)饣蚴鸵夯瘹獾墓懿臑楹谏螯S色，黑色管上有醒目的黃色色條。直管長度多為6 m，9 m，12 m。外徑110 mm以下的有直管和盤管兩種。市政飲用水管材為藍(lán)色或黑色，黑色管上有醒目的藍(lán)色色條。其他用途水管為藍(lán)色或黑色。直管長度多為6 m，9 m，12 m。直徑較小的管也有盤管。

1 概述

1.1 聚乙烯管道的特點(diǎn)

使用壽命長:在規(guī)定的范圍內(nèi)，聚乙烯管可安全使用50年以上。

耐腐蝕:除少數(shù)的強(qiáng)氧化劑以外，可耐多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕，無電化學(xué)腐蝕。

抗磨損:通過與鋼管的耐磨性對比，聚乙烯管的耐磨性是鋼管的4倍以上。合格的熱熔或電熔接口的強(qiáng)度高于管材本體，接縫不會(huì)由于移動(dòng)或活荷載的作用而斷開。

耐沖擊性:聚乙烯管韌性好，耐沖擊強(qiáng)度高，重物直接壓過管道，不會(huì)導(dǎo)致管道破裂。

施工性能好:管道質(zhì)松，焊接工藝簡單，施工方便，工程綜合造價(jià)低。

低溫抗沖性強(qiáng):聚乙烯管低溫脆化溫度低，使用范圍－60℃ ～60℃?？箾_擊性好，冬季施工管材不會(huì)發(fā)生脆裂。

可繞性好:聚乙烯管道柔性好，容易彎曲，可彎曲繞過障礙物，減少管件用量。

水流阻力小:聚乙烯管內(nèi)壁光滑，曼寧系數(shù)為0.009。保證聚乙烯管道強(qiáng)于其他管材更高的輸送能力，同時(shí)降低管路的壓力損失和輸水能耗。

好的產(chǎn)品必須有好的施工工藝作保證才能發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)，因此PE管道系統(tǒng)連接技術(shù)的優(yōu)劣直接關(guān)系到管網(wǎng)的運(yùn)行效果和使用壽命。

1.2 聚乙烯管道連接方式

PE管不能采用溶解性粘合劑與管件連接，早期聚乙烯焊接方式有熱熔對接連接、熱熔承插連接和鞍形焊接。由于熱熔承插連接存在一定的缺點(diǎn)，通過對連接技術(shù)的不斷研究，現(xiàn)在使用的連接方式主要有:熱熔連接，電熔連接和機(jī)械連接。熱熔連接，電熔連接主要用于PE管道自身的連接，聚乙烯管道和其他管道連接時(shí)，需要采用機(jī)械連接。本篇主要介紹最常見的熱熔連接方式。

1.3 聚乙烯管道熔接原理

聚乙烯管道熱熔焊焊接是利用加熱工具將管道或與管件端面加熱到210℃左右(具體以廠家提供參數(shù)為準(zhǔn)，一般190℃～240℃)，在可控壓力下持續(xù)一定時(shí)間，使兩端面熔合為一體，形成符合質(zhì)量要求的管道焊接接頭。不同聚乙烯材料加熱溫度不同，具體根據(jù)材料生產(chǎn)商提供的焊接參數(shù)確定。

1.4 熱熔的主要設(shè)備

熱熔設(shè)備:機(jī)架，加熱系統(tǒng)(主要包括一塊加熱板和一套恒溫控制系統(tǒng))，加壓系統(tǒng)(有機(jī)械式和液壓式加壓兩種)，銑削系統(tǒng)(按照銑刀驅(qū)動(dòng)可分為人工驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)三種方式)。

2 連接注意事項(xiàng)

PE管道連接時(shí)應(yīng)注意如下事項(xiàng):

1)管材的端口必須保持清潔。在切削端口以后嚴(yán)禁用手或一切物體觸摸。

2)管材對接時(shí)，必須掌握好壓力，根據(jù)不同長度的管材選擇好壓力，不宜過大或過小。

3)在使用加熱板時(shí)，要拿干凈布擦拭表面。加熱板溫度最低不能小于200℃，最高不能大于230℃。

4)嚴(yán)禁在焊接時(shí)和冷卻過程中移動(dòng)管材。

5)兩根管材對接時(shí)，端口的錯(cuò)邊不能大于管材壁厚的10%。

3 PE管道熱熔連接技術(shù)

3.1 熱熔連接的特點(diǎn)

1)需要有專用的熱熔焊機(jī)。

2)管道熔接為分子之間的結(jié)合，因而接口非?？煽?。

3)適用于同牌號、材質(zhì)的管材與管材、管材與管件連接。性能相似，不同牌號、材質(zhì)的管材與管材、管材與管件連接，需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4)易受環(huán)境、人為因素影響。

5)設(shè)備投資高。

6)連接費(fèi)用低，只需使用專業(yè)設(shè)備，無須任何輔助材料，成本低廉。

7)操作人員需進(jìn)行專門培訓(xùn)，具有一定的經(jīng)驗(yàn)。

3.2 焊接技術(shù)

聚乙烯管道系統(tǒng)的熱熔連接方式有熱熔對接(包括鞍形連接)和熱熔承插連接。熱熔承插連接適用于直徑比較小的管材、管件(一般直徑在63 mm以下)，由于直徑小的管材、管件管壁較薄，截面較小，采用對接不易保證質(zhì)量。熱熔對接適合于直徑比較大的管材管件，比承插連接用料省、易制造，并且在熔接前切往氧化表面層，熔接壓力可以控制，質(zhì)量較易保證。

3.2.1 焊接流程

PE管道焊接的主要過程是:將一定溫度的加熱板放在對好的兩管或管件之間加熱一定的時(shí)間，抽掉熱板，將要焊的管道兩端在一定壓力下迅速對接在一起并保壓一定時(shí)間冷卻，即可形成一個(gè)強(qiáng)度高于管材本體強(qiáng)度的接口。選擇的壓力要使接觸面處產(chǎn)生所要求的力，不管摩擦壓力損失。當(dāng)對接焊機(jī)帶有液壓源時(shí)，力通常被表示為施加的油缸壓力。

1)將需安裝連接的兩根PE管材同時(shí)放在熱熔器夾具上(夾具可根據(jù)所要安裝的管徑大小更換夾瓦)，每根管材另一端用管支架托起至同一水平面;2)用電動(dòng)銑刀分別將管材斷面銑平整，確保兩管材接觸面能充分吻合;3)將電加熱板升溫到210℃，放置兩管材端面中間，操縱電動(dòng)液壓裝置使兩管材端面同時(shí)完全與電熱板接觸加熱;4)抽掉加熱板，再次操縱液壓裝置，使已熔融的兩管材端面充分對接并鎖定液壓裝置(防止反彈);5)保持一定冷卻時(shí)間松開，操縱完畢;6)施工完畢，須經(jīng)試壓驗(yàn)收合格后，方可回土投進(jìn)使用;7)管材在加熱過程中作好防風(fēng)措施，冷卻過程中，應(yīng)逐步進(jìn)行，不宜急速降溫。

3.2.2 加熱和加壓原理過程

對于HDPE，MDPE管道，其熔接時(shí)加熱板溫度(210±10)℃，薄壁管材溫度適當(dāng)升高，靠上限;厚壁管材溫度適當(dāng)降低，靠下限;大風(fēng)或寒冷天氣施工時(shí)溫度適當(dāng)升高。

加熱壓力和加熱時(shí)間按照熔接過程曲線詳細(xì)如下:

以加熱時(shí)間t作x軸，以加熱過程中對應(yīng)的壓力p作y軸，可得到熔接過程曲線，見圖1。

圖1 熔接過程曲線

按照加熱時(shí)間將熱熔對接連接過程分為四個(gè)階段:

1)初始加熱階段(t1，p1)。

將加熱板放入兩管之間，加熱到p1，加熱時(shí)間為t1。其目的是使初始熔融的物料在壓力的作用下全部擠出，直到管材兩端面每一點(diǎn)均和加熱板緊密連接為止，保證下一步加熱時(shí)，兩管端能均勻吸熱。

t1:加熱時(shí)間t1按卷邊高度確定，即當(dāng)卷邊高度達(dá)到最小卷邊高度時(shí):

emin=0.1s+0.5 mm 時(shí)，所需時(shí)間為 t1。其中，s為管材壁厚，mm。

p1∶p2=0.15 MPa，但p1是由液壓油的壓力來控制的，液壓油壓力即 p表，p表計(jì)算如下:

p表=p拖+管材截面積(cm2)/油缸活塞總面積(cm2)×0.15 MPa。其中，p拖為焊機(jī)活動(dòng)架移動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)阻力，現(xiàn)場操作時(shí)可從設(shè)備上直接讀出，MPa。

2)吸熱階段(t2，p2)。

當(dāng)卷邊高度達(dá)到emin時(shí)，將壓力由p1降至p2，繼續(xù)加熱t(yī)2時(shí)間，目的是保持微小壓力，以保證管端與加熱板表面接觸，繼續(xù)加熱，使其產(chǎn)生足量的熔融物料。

其中，s為管材壁厚，mm(天氣過冷、過熱或大風(fēng)天氣應(yīng)對其適當(dāng)調(diào)整)。

3)切換階段(t3)。

當(dāng)加熱時(shí)間t2達(dá)到后，迅速拉開兩管端，取出加熱板，并重新使兩端合龍。這段時(shí)間應(yīng)越短越好，最大不能超過t3。

其中，d為管材外徑，mm。

4)保持冷卻時(shí)間(p3，t4)。

兩端接合后，壓力迅速升到p3，自然冷卻到t4時(shí)間。目的是在規(guī)定的壓力下，使分子間充分融合，時(shí)間不得少于t4。

其中，s為管材壁厚，s≤10 mm，0.03s+0.2s＞ 10 mm;ks為壁厚系數(shù)，ks=0.5;過大的壓力將會(huì)使熔融物料全部擠出而形成夾焊。

3.3 質(zhì)量控制

施工中常會(huì)出現(xiàn)焊道兩邊高低不一、接口嚴(yán)重錯(cuò)位、卷邊不夠、假焊等質(zhì)量問題，而這些問題會(huì)直接影響到焊縫的連接，從而直接關(guān)系到燃?xì)夤艿赖倪\(yùn)行效果和使用壽命。

在施工實(shí)踐中對這些問題進(jìn)行不斷的探索，我們可以發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)問題發(fā)生的原因是對連接過程中壓力、溫度、時(shí)間上的控制不夠，壓力的過大過小、溫度的過高過低、時(shí)間的過長過短都會(huì)影響最終熱熔連接的效果;另外對管材的選用也會(huì)影響其質(zhì)量，因?yàn)椴煌铺柌煌蔚牟牧掀淙埸c(diǎn)會(huì)有所不同，在連接過程中對溫度的把握也會(huì)不同;再有就是環(huán)境因素對熱熔連接效果的影響，環(huán)境溫度可能會(huì)影響熱熔機(jī)加熱板的表面溫度，所以加熱前要對加熱板表面溫度進(jìn)行測量，還有就是冷卻時(shí)間的長短，夏天環(huán)境溫度高，所需的冷卻時(shí)間就長，冬天環(huán)境溫度低，冷卻時(shí)間就短;最后還有操作因素的影響，管材夾緊時(shí)是否同軸，直接影響接口錯(cuò)邊的大小，而從加熱結(jié)束到熔融對接的切換時(shí)間的長短也影響熱熔連接效果。為確保熱熔連接效果，應(yīng)盡量縮短切換時(shí)間，切換時(shí)間過長，熔化的端面在相互接觸之前將因冷卻而形成一層“冷皮”，不利于分子鏈的擴(kuò)散。

4 結(jié)語

聚乙烯管材不僅韌性、撓性好，而且焊接性能極佳，熱熔連接方式不需要使用管件，節(jié)省了工程材料成本，降低了工程造價(jià)?？煽肯冗M(jìn)的連接技術(shù)為聚乙烯管道的廣泛應(yīng)用提供了保障。所以很有必要了解和掌握PE管道連接的各種技術(shù)，以保證PE管道系統(tǒng)的安全性，充分發(fā)揮PE管道系統(tǒng)的優(yōu)越性。

[1]劉靜云.埋地PE管施工技術(shù)的探討[J].山西建筑，2009，35(3):172-173.