聚乙烯相近系列管道熱熔對接可行性分析與驗證

上海亞大塑料制品有限公司 劉旭東

上海亞大汽車塑料制品有限公司 王彥飛

聚乙烯相近系列管道熱熔對接可行性分析與驗證

上海亞大塑料制品有限公司 劉旭東

上海亞大汽車塑料制品有限公司 王彥飛

SDR17與SDR17.6相近系列聚乙烯管道目前存在并存的情況，文章為兩系列之間的熱熔對接焊接可行性進行了分析和實驗驗證，解決了實際使用中的問題。

聚乙烯 熱熔對接 結(jié)晶 焊接參數(shù)

1 問題提出

新的《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng)第1部分：管材》(GB 15558.1—2015)于2017年1月1日正式實施了，新標準參考最新ISO 4437—2，考慮實際應(yīng)用、經(jīng)濟性及標準化，列出常用系列SDR17，替代了原來的常用規(guī)格SDR17.6系列，以避免由于系列接近，影響生產(chǎn)備貨及市場選用，但采用SDR17系列管材的同時，原有的SDR17.6系列仍然可以使用。因此，在聚乙烯管道施工中，存在次兩種臨近系列管道進行熱熔對接焊接的可能，焊接的安全性和如何選擇參數(shù)成為施工單位關(guān)心的一個問題。

2 相關(guān)規(guī)定

首先，按照TSG特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范《燃氣用聚乙烯管道焊接技術(shù)規(guī)則》(TSG D2002－2006)第八條管道元件制造單位和管道安裝單位進行熱熔對接焊接，有以下情況時應(yīng)當(dāng)進行焊接工藝評定：(一)首次采用本規(guī)程推薦的焊接工藝參數(shù)(見附件A)或者其他焊接工藝參數(shù)；(二)不同原材料級別(例如PE80與PE100)的管道元件互焊；(三)同一原材料級別的管道元件，熔體質(zhì)量流動速率(MFR)差值大于0.5 g/10min(190℃，5 kg)；(四)管道元件對焊接有特殊要求；(五)施工環(huán)境與焊機工作條件有較大差距。而對于聚乙烯采購方來說，為了管網(wǎng)安全和產(chǎn)品一致性，采購的管道往往為統(tǒng)一原材料和同一生產(chǎn)廠家，焊接施工工藝和設(shè)備都喂發(fā)生變化，是可以直接進行熱熔對接的。但在建設(shè)部頒布的《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ 63—2008)中5.1.3第2條規(guī)定，“焊接端不標準尺寸比(SDR)不同的聚乙烯燃氣管道連接時，必須采用電熔連接”。

而在以上技術(shù)規(guī)則和技術(shù)規(guī)程中，在對于焊接壁厚出現(xiàn)偏差都有相關(guān)規(guī)定，焊接的兩管道連接件壁厚焊接中，其錯邊不應(yīng)大于壁厚的10%。而兩個系列管材壁厚偏差與壁厚較薄的 SDR17.6管材比較，其偏差值可按照如下公式計算：

式中：en——管道公稱壁厚，mm；

dn——管道公稱外徑，mm；

SDR——標準尺寸比；

k——焊接時錯邊系數(shù)；

en17——SDR17系列管材壁厚，mm；

en17.6——SDR17.6系列管材壁厚，mm。

將公式(1)代入公式(2)，計算出兩管道壁厚偏差系數(shù)k約為3.5%，小于允許偏差10%。由此可以看出，SDR17與SDR17.6管道理論上是允許焊接的。

對此，全國塑料制品標準化技術(shù)委員會——塑料管材、管件及閥門分技術(shù)委員會在2016年第67號文件《關(guān)于標準GB 15558.1—2015中標準尺寸比SDR17和SDR17.6的說明》中也進行了一下說明：“根據(jù)壁厚計算，一般將SDR17和SDR17.6系列視為相近系列，SDR17和SDR17.6之間可采用電熔套筒連接或熱熔對接連接。如有必要，熱熔對接接頭需要做焊接工藝評定(滿足靜液壓強度(80℃、165 h)和拉伸試驗要求)，通過后，視為相近SDR系列可進行對接熔接”。

3 焊接參數(shù)確定方法

聚乙烯為半結(jié)晶結(jié)構(gòu)熱塑性材料，即既有晶態(tài)結(jié)構(gòu)也有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，溫度升高，晶態(tài)結(jié)構(gòu)受到破壞，在載荷作用下，形狀彎彎曲曲的高分子鏈段開始運動，被拉直、拉開，呈現(xiàn)出一定程度上的平行排列(低取向)，但整個分子的質(zhì)量中心未發(fā)生移動，仍處于被凍結(jié)的狀態(tài)，宏觀上則表現(xiàn)為受外力作用形變量大而外力去除后又能部分回復(fù)的高彈形變。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到黏流溫度時，在載荷作用下，高分子鏈作為一個整體在載荷作用方向上產(chǎn)生有向運動，呈平行排列的趨勢更加明顯(由低取向轉(zhuǎn)為高度取向)，此時高分子材料處于黏流態(tài)，如圖1。

圖1 聚乙烯受熱后晶態(tài)結(jié)構(gòu)趨向過程

此時，處于兩黏流態(tài)的焊接面緊密貼合，熔融的物料在載荷作用下，相互移動熔合，當(dāng)溫度降低時，熔合在一起的高分子鏈重新轉(zhuǎn)為低取向，并相互纏繞，重新結(jié)晶，從而使兩焊接件焊接在一起，這是聚乙烯管道熱熔焊接的基本原理。

其中影響焊接質(zhì)量的因素包括溫度、時間、壓力。管道壁厚的變化對這三個因素的影響主要是在于時間和壓力，具體到操作步驟為吸熱時間、焊接時間、焊接壓力。其主要計算方法：

吸熱時間的計算：

焊接壓力的計算：

焊接時間：

式中：A1——管材的截面積，mm2；

A2——焊機液壓缸中活塞的有效面積(由焊機生產(chǎn)廠家提供)，mm2；

p0=0.15 N/mm2(作用于管材上單位面積的力)。

為保證焊接質(zhì)量，焊接必須保證焊接面能夠充分吸熱達到熔融狀態(tài)，否則將無法充分熔合，所以在選擇吸熱溫度時，首先應(yīng)當(dāng)考慮壁厚較厚的SDR17系列管材，以其吸熱時間作為吸熱時間。而焊接壓力的作用是保持焊接面的緊密結(jié)合相互熔融，同時在聚乙烯在結(jié)晶過程中，應(yīng)力可以加速結(jié)晶過程，并且在成核階段晶核的出現(xiàn)是離散分布的，且僅對時間有依賴性，一旦當(dāng)晶體形成并發(fā)生碰撞后，晶體將停止生長，所以適當(dāng)?shù)奶岣邏毫ο嘟盗泄懿暮附淤|(zhì)量影響對焊接強度影響不明顯。而結(jié)晶完成后，時間的延長并不能繼續(xù)對結(jié)晶情況發(fā)生作用。由此分析，在相近系列的 SDR17與SDR17.6管材進行熱熔對接焊接時，建議采用壁厚較大的SDR17管道焊接參數(shù)。

4 試驗驗證

為了驗證SDR17與SDR17.6管道熱熔焊接的效果，我們選取了PE100管材DN200及DN250管材按照SDR17管道4組8個試樣進行工藝評定實驗，并分別進行拉伸性能和靜液壓強度性能試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 拉伸性能和靜液壓強度性能試驗結(jié)果

所有試樣均通過了試驗測試，證明 SDR17與SDR17.6兩個系列聚乙烯管道熱熔對接焊接是可行的。

5 結(jié)語

通過理論分析和試驗驗證，SDR17與SDR17.6兩個系列管道熱熔對接焊接性能滿足要求，可以采用壁厚較大管材的參數(shù)進行熱熔對接焊接。

由于存在壁厚的偏差、焊接參數(shù)差異，在現(xiàn)場實際焊接中，應(yīng)加強對焊接操作過程的嚴格控制，并盡量減少此類焊口的出現(xiàn)，將焊接風(fēng)險降至最低。

Feasibility Analysis and Verification of Hot Melt Butt Joint of Similar Series of Polyethylene Pipes

Shanghai Chinaust Plastic Co., Ltd. Liu Xudong
Shanghai Chinaust Automotive Plastics Co., Ltd. Wang Yanfei

Polyethylene pipe, SDR17 and SDR17.6, is the similar series and coexists at present. In order to solve problems in practical use，the welding feasibility of hot melt is analyzed and experimental verified for the two series in this paper.

polyethylene pipe, hot melt butt joint, crystal, welding parameter