聚乙烯管道熱熔對接焊接工藝研究

楊緒逢，徐善軍

(北京國電富通科技發(fā)展有限責任公司，北京 100071)

1 引 言

連接管道系統(tǒng)各個部件的方法是任何一個管道系統(tǒng)都不可缺少的。優(yōu)質(zhì)工程設計需要考慮連接管道部件和配件所使用的技術方式和效果，以及連接處的耐用性。PE管道連接技術的完善和廣泛運用，使得設計人員可在多個領域應用性能優(yōu)異的聚乙烯管道[1]。PE管材和管件可采用熱熔對接、電熔連接、法蘭連接或者機械件進行連接。用戶在面對各種連接情況時，可根據(jù)每種管件獨特的性能，選擇合理的連接方式。

熱熔對接焊在20世紀60年代早期就開始用于塑料管的連接，并大幅度地降低了施工費用[2]。熱熔對接的原理為加熱兩個管道端面到指定的溫度，然后用足夠的外力將其貼合在一起。這個力使熔化材料流動并混合，從而熔合。當按照標準的程序進行熔接，接口位置區(qū)域與管道本身相比，在抗拉力和抗壓力強度方面相等或更強，正常熔合接口是完全密封的[3]。一旦焊口冷卻到接近環(huán)境溫度，就可以開始使用。

2 聚乙烯管道熱熔對接

熱熔對接連接具有優(yōu)異的經(jīng)濟性和可靠性，許多國家對該熔接工藝進行了長期的研究。德國焊接技術協(xié)會根據(jù)研究結果，發(fā)布了DVS 2207.1(1995年8月首次出版，不定期更新)，只要采取適當?shù)拇胧?，熔體質(zhì)量流動速率MFR(190℃/5kg)在(0.3～1.7)g/10min范圍內(nèi)都是可焊的[4]。美國塑料管道協(xié)會(PPI)對不同PE牌號的互焊接頭進行了大量的試驗和分析，并據(jù)此發(fā)布了技術手冊TN13 《不同聚乙烯之間的相互焊接》(1981年1月首次出版，每年更新)，專門解決流動性顯著差異的熱熔焊接問題，用于指導PE管道系統(tǒng)的熱熔對接、熱熔鞍形連接和熱熔承插連接[5]。國際標準化組織針對PE管材管件的焊接相容性發(fā)布了技術報告ISO/TR 11647：1996。該報告認為，MFR在(0.3～1.3)g/10min(190℃/5kg)范圍內(nèi)時，PE都可以令人滿意地熔接。目前，世界上應用比較廣的聚乙烯熱熔對接標準如表1所示。

表1 熱熔對接相關標準

DVS 2207.1為單一低壓熱熔對接程序，主要應用范圍為中國和歐洲；ASTM F 2620為單一高壓熱熔對接程序，主要應用范圍為美洲。各國根據(jù)各自的地域特點和本國國情，在研究單一低壓熱熔程序和單一高壓熱熔程序的基礎上，制定了不同的國家或地區(qū)各自的焊接工藝規(guī)范。

兩種熔接程序的操作步驟完全相同，通過控制時間、溫度、壓力來達到高標準焊口要求。其焊接過程可以簡單描述為：將待焊表面緊貼在加熱工具上加熱，直到熔融；移走加熱工具，將兩個熔融的端面壓靠在一起，在壓力作用下保持一段時間，然后讓接頭冷卻(如圖1所示)。

圖1 熱熔對接焊接周期示意圖

2.1 熱熔對接焊接前準備

為了獲得合格的熱熔對接焊口，需要在管道焊接前做好人機料法環(huán)各項準備工作。焊接接頭的質(zhì)量不僅取決于焊工的技能、使用設備性能，也取決于操作時是否遵守焊接規(guī)范。

焊接設備必須符合ISO 12176-2的要求，要能夠記錄整個熔接過程的溫度、壓力和時間，并應定期對熔接設備的各項技術參數(shù)進行校驗。

焊工都應經(jīng)過培訓，并取得有效資格證書。各國的國家標準規(guī)定了焊工資格，如，DVGW的技術規(guī)范GW 330對燃氣和給水領域焊工資格提出了要求；我國的技術規(guī)范TSG D2002對聚乙烯燃氣焊工資格提出了要求[6]。這種培訓也基本上被聚乙烯工業(yè)管道鋪設連接采用接納。

為了獲得質(zhì)量合格的焊口，還需要在管道對接前進行大量的檢查和準備工作。

在惡劣天氣(例如，刮風、潮濕)下焊接時，應采取保護措施。若采取適宜的保護措施(例如，預熱、帳篷、升溫)并確保工作條件適宜焊接，則可在任意不影響焊工操作的外溫下進行焊接。如有必要，在上述條件下必須對焊接試樣進行檢驗，以作附加證明。

若半成品受日光影響，受熱不均，則焊接區(qū)域應有溫度補償。在焊接過程中，應避免因通風而使焊接區(qū)域溫度降低。此外，在管材焊接過程中，管材端面應封口。

聚乙烯盤管在剛展開時，呈橢圓彎曲，因此在焊接前必須對盤管進行矯直，例如可使用熱風裝置謹慎加熱和/或使用適宜的圓整夾具。組件的焊接區(qū)域應無損傷、無污染(例如，灰塵、油脂、削屑)。焊接區(qū)域、加熱工具及焊接時使用的工具必須潔凈無油污。

每次焊接前，必須清潔加熱工具。清潔完成后，加熱工具上應無殘留的清潔劑和清潔紙。對焊接區(qū)域進行處理前，應確保使用的工具及焊接區(qū)域外部潔凈無油污。如有必要，應使用清潔劑進行清潔。在焊接開始前，必須對焊接區(qū)域進行清潔，去除焊接部件上的所有削屑，且不能與焊接區(qū)域發(fā)生接觸。若加工后焊接區(qū)域發(fā)生污染，例如，用手接觸，此時，若不能夠再重新加工，則必須使用合適的清潔劑重新清潔。

在開始焊接前，應檢查加熱板溫度?？墒褂媒佑|面為10mm的快速測量裝置在與半成品相對應的加熱板面上測量加熱板表面溫度。如首次使用，則需在加熱板溫度達到設定溫度后再等待10min，以使加熱板表面溫度均衡。為確保最佳焊接，每次焊機操作前，必須對加熱板進行清潔。加熱板工作區(qū)域的不粘涂層應無損傷。以焊接組件的生產(chǎn)信息為基礎，計算和測量焊接設備的焊接壓力。此外，焊接管材時，在管材緩慢移動過程中，讀取焊接設備壓力表上的拖動力，總的焊接壓力為預先計算的焊接壓力加拖動力。如電控設備可記錄焊接參數(shù)，則應作為首選。焊接部件連接區(qū)域的公稱壁厚必須互相匹配。

放置夾具前，管材和管件在焊接設備上必須軸向?qū)R?？墒褂檬滞栖嚮蚋討覓煅b置確保焊接部件易于軸向移動。焊接操作前，使用銑削工具切割端面，使兩端面在夾具上能夠共面。應控制端面間隙與錯邊量。管材或板材端面間的錯邊量不應超過壁厚的10%。若錯邊量增大，則會使焊接質(zhì)量下降，接頭強度降低。切削后焊接端面應無污染，也不能用手接觸。若有污染，則有必要再次切削，此時不需要再對管端進行額外清潔。落在管材上的削屑必須清除[7]。

無論使用哪種熱熔對接焊接工藝，以上的準備工作都是必須的，是一致的，這些準備工作，對取得合格的熱熔對接焊口至關重要。

2.2 單一低壓與單一高壓熱熔對接程序?qū)Ρ确治?/h3>

單一低壓熱熔對接程序適用于聚乙烯薄板材的熱熔對接連接及燃氣、流體輸送用聚乙烯管材、管件的熱熔對接連接。焊接組件適宜的熔體質(zhì)量流動速率MFR應在(0.3～1.7)g/10min范圍內(nèi)(測量條件190℃/5kg)。若焊接組件的MFR值不在規(guī)定范圍內(nèi)，則需按照DVS 2203-4或其附1進行拉伸蠕變試驗。

單一高壓熱熔對接的技術支持文件為PPI的出版物TR-33《Generic Butt Fusion Joining Procedure for Polyethylene Gas Pipe》。一般來說，如果要焊接的PE材料的熔體流動速率在(0.07～0.20)g/10min(測量條件190℃/2.16kg)之間[8]，即可根據(jù)TR-33的指導進行焊接。

兩種對接熔接工藝對比見表2。

表3 單一低壓熱熔對接程序時間推薦值(中間值使用內(nèi)插法計算)

表4 單一高壓熱熔對接程序近似的熔珠尺寸

表5 單一高壓熱熔對接程序調(diào)整壓力到熱熔對接規(guī)定壓力的時間

對于熱熔對接焊接工藝，最重要的是要掌握時間、溫度和壓力3個重要參數(shù)。單一低壓對接工藝和單一高壓對接工藝均對焊接壓力和吸熱壓力進行了規(guī)定，對焊接人員給出了明確的數(shù)據(jù)支持。單一低壓熔接工藝對卷邊達到規(guī)定高度的時間和焊接所需要的吸熱時間給出了時間量化標準，單一高壓熔接工藝對兩個時間給出了卷邊高度的量化標準。對于施工現(xiàn)場來說，時間量化標準相對目視卷邊高度標準比較容易掌握(施工現(xiàn)場，測試待焊端面熔珠高度基本不現(xiàn)實，基本靠焊工的經(jīng)驗實現(xiàn))，所以，相對來說，使用單一高壓熔接工藝，需要焊工經(jīng)驗豐富，總結熔珠高度與焊接溫度、管材規(guī)格等參數(shù)與時間關系，綜合判斷實際情況是否符合標準要求，對焊工技術水平要求較高。

3 熱熔對接接頭質(zhì)量檢驗

熱熔對接焊口的質(zhì)量基本靠焊接過程保證，對于熱熔對接焊口質(zhì)量檢驗分破壞性檢測和非破壞性檢測兩種。

3.1 非破壞性檢測

由于材料的特性，熱熔對接焊接會在管道連接的外部和內(nèi)部形成卷邊，如圖2所示。卷邊對稱性檢驗時，沿管道元件整個圓周內(nèi)的接頭卷邊應平滑、均勻、對稱，卷邊融合線的最低處不應低于管道元件的外表面。

圖2 卷邊對稱性示意圖

接口兩側緊鄰卷邊的外圓周上任何一處的錯邊量(V)不應超過管道元件壁厚的10%，如圖3所示。

圖3 接頭對正性示意圖

卷邊切除檢驗。在不損傷對接管道的情況下，使用專用工具切除接口外部的熔接卷邊。卷邊應是實心圓滑的，根部較寬(見圖4)。卷邊切割面中不應有夾雜物、小孔、扭曲和損壞。每隔50mm進行一次180°的背彎檢驗(見圖5)，卷邊切割面中線附近不應有開裂、裂縫，不得露出熔合線。

圖4 合格實心卷邊示意圖

進行X線或超聲測試，焊縫應無氣孔。目前的超聲波檢測技術能夠有效地識別焊口內(nèi)部氣孔、雜質(zhì)等質(zhì)量缺陷。

3.2 破壞性檢測

對于單一低壓熱熔對接程序焊口的破壞性檢測有兩項：焊口拉伸試驗，破壞呈現(xiàn)韌性為合格，破壞呈現(xiàn)脆性為不合格，試樣尺寸和拉伸速度要符合GB/T 19810要求，拉伸速度為5mm/min；耐內(nèi)壓蠕變試驗要符合GB/T 6111要求。

對于單一高壓熱熔對接程序焊口的破壞性檢測主要是焊口拉伸試驗，試驗條件要符合ASTM F2634要求，拉伸速度要符合表6要求，破壞呈現(xiàn)韌性為合格，見圖6、圖7。破壞呈現(xiàn)脆性為不合格，見圖8。該試驗對試驗設備要求較高，一般實驗室難以達到要求。

圖7 典型的韌性破壞(熔接界面接口處)

圖8 典型的脆性破壞

表6 拉伸速度要求

圖6 典型的韌性破壞(熔接界面外側)

4 結束語

熱熔對接焊接工藝簡單，易于掌握，焊接設備簡單，焊接費用較低，焊口性能不低于管道本體性能，在工程中得到廣泛應用。單一低壓熔接工藝和單一高壓熔接工藝均是經(jīng)過了長期大量的試驗和工程驗證的標準熔接工藝。兩種焊接工藝的最大區(qū)別在于界面壓力大小以及吸熱時間的控制方式。熱熔對接接頭的質(zhì)量主要靠焊接過程來保障，所以要對聚乙烯焊工做好技術培訓，使其掌握聚乙烯管道連接的相關理論知識和焊接工藝要點，做好焊接前的準備工作，加強工程規(guī)范控制，建立健全的焊接質(zhì)量控制管理體系，就會得到理想的合格焊口。