PE塑鋼纏繞排水管接頭連接工藝研究

呂 江 波

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

PE塑鋼纏繞排水管是近幾年出現(xiàn)的綜合性能優(yōu)異的新型管材，它是由塑鋼復(fù)合的異型帶材經(jīng)螺旋纏繞焊接，然后在邊緣搭接而形成的。成型管材為螺旋直肋結(jié)構(gòu)，將有等間距螺旋環(huán)繞的肋片加強(qiáng)存在于管壁外表面,塑鋼管從實(shí)質(zhì)上來講屬于柔性管材范疇，環(huán)剛度比較大且軸向的柔性較好，其具有鋼帶的剛性和聚乙烯的耐腐蝕性、摩擦阻力低、重量輕、連接方便等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用到市政工程、污水處理廠及其它重點(diǎn)工程建設(shè)中。

筆者依托樂山市青江新區(qū)市政項(xiàng)目，對PE塑鋼纏繞排水管接頭鏈接進(jìn)行了研究，提出了一種新的組合連接方式——“熱熔擠出焊復(fù)合熱收縮套連接工藝”，該方法的實(shí)施，提高了PE塑鋼纏繞排水管接頭的連接質(zhì)量，且其施工簡單快捷，節(jié)約成本，為項(xiàng)目創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 研究內(nèi)容

2.1 現(xiàn)狀工藝對比

隨著聚乙烯材料的研究、生產(chǎn)和使用日趨成熟，聚乙烯管道依據(jù)其具有的耐腐蝕、摩擦阻力低、重量輕、環(huán)剛度高等優(yōu)點(diǎn)，已越來越多地運(yùn)用于國內(nèi)排水工程。管道接頭的可靠性對管道的使用具有至關(guān)重要的影響。總體而言，管道連接應(yīng)遵循連接可靠、結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷、環(huán)保經(jīng)濟(jì)的原則。聚乙烯管根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、用途、直徑等不同因素可以采取不同的連接方式，種類較多，常見的連接形式有機(jī)械連接和熔接兩大類。機(jī)械連接包括彈性密封件連接、法蘭連接、卡箍連接等；常見的熔接形式包括電熱熔連接、熱熔對接、熱熔擠出焊焊接、熱縮套連接等。筆者對其介紹于后。

(1)法蘭連接。法蘭連接是一種重要的機(jī)械連接方式。法蘭連接在鑄鐵、鋼、PVC管道中的應(yīng)用十分廣泛，其剛度較大。法蘭連接可以將聚乙烯管和鋼管兩種不同材質(zhì)的管道連接在一起。使用冷壓或注塑等工藝制造鋼塑過渡管件，其一端為聚乙烯管，一端為金屬管或金屬法蘭，在金屬、聚乙烯的密封面上設(shè)密封膠圈，聚乙烯管外壓鋼套，以防止聚乙烯蠕變產(chǎn)生的松弛。

(2)卡箍連接?？ü窟B接屬于機(jī)械壓緊連接，它是通過螺栓和兩個(gè)半圓形外套筒將相鄰管端緊固，采用套筒和管壁間的橡膠塞而達(dá)到密封要求的連接方法。在管道外表面無突起、剛度小、直徑小的條件下卡箍連接適用性好，但管外壁呈螺旋波紋狀時(shí)必須在待連接管材端的波谷內(nèi)加填遇水膨脹橡膠塞。所選用的哈夫套必須具有防腐能力和限位裝置，以保證哈夫套的長期性能且不能在管材外壁有位移或滑動，其連接金屬件需采用不銹鋼或進(jìn)行了防銹處理的黑色金屬。

(3)電熱熔帶連接。它是通過對鑲嵌在電熱帶內(nèi)表面的電熱絲加熱，使電熱帶與管材聚乙烯層熔融成為整體的連接方法，其中電熱線有半埋入、全埋入和預(yù)先涂覆聚乙烯層等不同的設(shè)計(jì)。電熱熔焊連接需采用專門的電熱焊機(jī)，只需輸入相應(yīng)的參數(shù)即可施焊，人為的干擾因素少，其焊接質(zhì)量可靠，施焊自動化程度高。

(4)熱熔對接。熱熔對接是利用加熱板將需要連接的管道連接端面加熱到規(guī)定的溫度，沿軸向施加一定的壓力，使兩管道端面融合成一體、達(dá)到聚乙烯管接頭連接的一種熔接工藝。熱熔對接焊共分為4個(gè)階段：預(yù)熱階段、加熱階段、切換階段和冷卻階段。

(5)熱熔擠出焊接。熱熔擠出焊接采用專用的熱風(fēng)擠出焊接工具(簡稱焊槍)，先將管材兩端對接、留出一定的縫隙，將被連接兩端加熱，焊槍擠出熔融的聚乙烯料將連接縫兩端的聚乙烯材料熔融接成一體的連接方法，其屬剛性連接。這種連接的機(jī)理類似于熱熔對接焊，它是利用分子熱運(yùn)動的基本原理，通過擠出焊槍將PE焊條加熱(使焊條從固態(tài)變成粘流體)并擠出。同時(shí)在焊槍上配置的熱風(fēng)槍加熱被焊PE管的待焊面，經(jīng)外力作用，接縫兩端的PE材料相互粘合，使彼此間得到很好的擴(kuò)散和相互纏繞，將管材連接為一體，進(jìn)而達(dá)到焊接的效果。

(6)熱收縮帶連接。熱收縮帶連接是采用纖維增強(qiáng)聚乙烯熱收縮帶、經(jīng)加熱后與管端貼合緊箍連成一體的連接方法。熱收縮帶的連接使用外部明火加熱，加熱時(shí)應(yīng)注意火焰溫度。其可以從熱收縮套中部往兩邊逐漸加熱，也可以從一端向另一端逐漸加熱，但需要把熱收縮管與管材間的氣體全部排除，使其與管材全部貼合，同時(shí)應(yīng)使熱熔膠從熱收縮端口析出。熱收縮帶的連接易受到操作者水平的影響，溫度控制太低時(shí)熱熔膠熔化不充分、管材的粘結(jié)力低，容易出現(xiàn)貼合不密切、造成漏水等病害；而溫度太高則會使熱縮帶燒焦，由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，造成其使用安全性和耐久性降低，溫度控制不好甚至?xí)峥s帶而導(dǎo)致連接失敗、熱縮帶報(bào)廢。

熱縮套有聚乙烯、聚烯氫等材料，這些材料通常為線形結(jié)構(gòu)，經(jīng)過輻射或化學(xué)作用后變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，被稱為交聯(lián)，交聯(lián)后具有“記憶效應(yīng)”，生產(chǎn)時(shí)將熱縮套加熱到高彈態(tài)、施加載荷使其擴(kuò)張，在保持?jǐn)U張的情況下快速冷卻，使其進(jìn)入玻璃態(tài)進(jìn)而進(jìn)入固定狀態(tài)。使用時(shí)加熱其即會變回高彈態(tài)，載荷沒有了，其即會回縮。

2.2 研究時(shí)進(jìn)行的試驗(yàn)

盡管目前聚乙烯管道連接有多種方式，每種方式也具有各自鮮明的特點(diǎn)，但聚乙烯塑鋼纏繞排水管的接頭連接問題仍然一直是施工質(zhì)量控制的薄弱環(huán)節(jié)。按照目前已有的相關(guān)規(guī)范，對于直徑<1 200 mm的管道采用卡箍連接，而對于直徑≥1 200 mm的管道采用電熱熔帶連接?？ü窟B接和電熱熔帶連接工藝均比較復(fù)雜，接頭存在一定的質(zhì)量隱患且接頭成本較高。

因此，為進(jìn)一步研究聚乙烯管道連接問題，筆者提出了采用熱熔擠出焊接復(fù)合熱收縮套雙重連接工藝，設(shè)想先用熱熔擠出焊接將管材接頭焊接起來，再包覆熱收縮套以達(dá)到雙保險(xiǎn)的目的。該工藝簡單，現(xiàn)場容易操作，成本亦較低。

研究分別進(jìn)行了(1)接頭連接拉伸試驗(yàn)，(2)接頭不透水性試驗(yàn)，(3)現(xiàn)場實(shí)際的管道閉水試驗(yàn)，試驗(yàn)所得的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

(1)接頭連接拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1。

(2)接頭不透水性試驗(yàn)結(jié)果。

①單獨(dú)熱熔擠出焊連接試件(A型)不透水性試驗(yàn)結(jié)果。將單獨(dú)熱熔擠出焊連接試件裝入不透水儀，通過7孔圓盤施加規(guī)定水壓，經(jīng)保持30 min后觀察沒有出現(xiàn)透水。最終水壓力與開始水壓力相比沒有下降；非迎水面未見水。接頭不透水性能合格。

②熱熔擠出焊熱縮套復(fù)合連接試件(B型)不透水性試驗(yàn)結(jié)果。將熱熔擠出焊熱縮套復(fù)合連接試件裝入不透水儀，通過7孔圓盤施加規(guī)定水壓，經(jīng)保持30 min后觀察沒有出現(xiàn)透水；最終水壓力與開始水壓力相比沒有下降；非迎水面未見水。接頭不透水性能合格。

通過不透水性試驗(yàn)，檢測了管道連接的局部接縫阻水、斷水性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：無論是A型試件還是B型試件，試驗(yàn)過程中均沒有出現(xiàn)滲水與漏水現(xiàn)象，其不透水性滿足要求。

(3)管道閉水試驗(yàn)結(jié)果：閉水試驗(yàn)符合要求，未見滲漏現(xiàn)象。

2.3 主要優(yōu)點(diǎn)

(1)熱收縮套連接具有的主要特點(diǎn)：外包闊面粘結(jié)，塑變密封閉水。熱收縮套連接為管外接縫覆蓋連接，以現(xiàn)有的熱收縮帶寬幅可通過施工操作方法控制粘結(jié)寬度，并在準(zhǔn)確控制準(zhǔn)確加熱溫度情況下獲得最大的有效粘結(jié)面積，這是保障接縫密封(不透水)的基礎(chǔ)。由于其為外環(huán)境開放性施工，熱收縮套連接操作工藝比較簡單、靈活，施工控制相對容易，可獲得最佳的粘結(jié)性能，因此，其連接質(zhì)量(密封性)很容易保證，這是管道接縫密封性保證的關(guān)鍵。

表1 組合連接拉伸試驗(yàn)結(jié)果表

(2)熱熔擠出焊連接具有的主要特點(diǎn)：高強(qiáng)剛性熔結(jié)，變形穩(wěn)定一致。熱熔擠出焊法是將管材端頭對接，焊槍擠出熔融材料使管材連接成一體，這樣的剛性連接不僅使兩邊管道粘為整體、產(chǎn)生封閉效果，更為重要的是在粘結(jié)面飽滿和粘結(jié)強(qiáng)度高時(shí)管道的強(qiáng)度高，環(huán)剛度大，接頭整體變形一致性得以提高，降低了端頭錯(cuò)動對接縫性能的影響。

(3)組合連接具有的主要特點(diǎn)：剛?cè)嵯酀?jì)互補(bǔ)，質(zhì)量雙重保障。①組合連接對單一連接的各自特點(diǎn)沒有負(fù)面作用，兩種連接方式操作工藝獨(dú)立性強(qiáng)，操作環(huán)境內(nèi)外區(qū)分清楚，操作空間互不影響；熱熔擠出焊的連接部位是管材端頭及部分內(nèi)表面，而熱收縮套連接部位完全在管材外表面，兩種連接方式的作業(yè)面和連接部位完全分開，兩種連接方式的施工質(zhì)量均可以得到保證；②兩種連接方式組合不但沒有負(fù)面作用，而且根據(jù)兩種連接方式的特點(diǎn)，其組合方式對雙方的特點(diǎn)還有一定的提高、保護(hù)和促進(jìn)作用：a.一般情況下，熱熔擠出焊連接從管內(nèi)施工，管內(nèi)接縫處表面可以處理的比較規(guī)整，但從管外接縫處觀察則常有深淺厚薄之分和局部細(xì)微脫粘狀況；單一連接時(shí)，管外積水、泥沙可能對連接處形成碰撞、硬壓和磨損，長期的背水面作用可能使連接薄弱處出現(xiàn)損傷擴(kuò)展，以至于發(fā)生滲漏現(xiàn)象。當(dāng)外部存在熱收縮套連接后，焊縫外部與土沙水石完全隔離，熱熔擠出焊的連接效果能夠得到更多的保證；b.高質(zhì)量的熱熔擠出焊將焊接材料和管材熔融連接成一體，管道呈剛性整體狀態(tài)，接頭整體變形的一致性降低了端頭錯(cuò)動情況發(fā)生的可能性，也大大減小了外包熱收縮套連接的變形，起到了保護(hù)和穩(wěn)定收縮套連接的作用，使外包熱收縮套連接的密封效果得到了保證。

熱熔擠出焊接與熱收縮套連接優(yōu)勢相互組合，其工藝簡單且成本遠(yuǎn)低于電熱熔帶及卡箍連接，并且熱熔擠出焊接與熱收縮套連接復(fù)合工藝完美結(jié)合，優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，接頭質(zhì)量達(dá)到雙重保障。經(jīng)過分析，熱熔擠出焊接結(jié)合熱收縮套連接具有的主要優(yōu)點(diǎn)有以下四個(gè)方面：(A)接頭連接設(shè)備簡單、易操作。(B)安裝工時(shí)短、節(jié)省工期。(C)接頭原材料成本低、節(jié)約。(D) 接頭質(zhì)量雙重保障。

3 結(jié) 語

PE塑鋼纏繞排水管作為一種新型地下管材已被廣泛應(yīng)用。由于受各種條件限制，如前所述，單一方法連接后的管道系統(tǒng)并不能完全保證其密封性及可靠性，而采用熱熔擠出焊接結(jié)合熱收縮套連接則可以得到比較完美的性能保障，能夠保證工程質(zhì)量且施工簡單快捷，節(jié)約成本。