PE管道熱熔焊接施工工藝

魏用杰，吳俠輝，李怡辰

（中建二局第一建筑工程有限公司，廣東深圳 518003）

1 PE管道熱熔焊接施工工藝原理概述

PE 管具有強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕、耐磨等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑給水、排水、采暖，以及輸氣管、工業(yè)用管、農(nóng)業(yè)用管等方面。

PE 管就是聚乙烯管，這種材質(zhì)是通過乙烯共聚形成的一種熱塑性樹脂，是典型的非晶態(tài)高聚物。在環(huán)境溫度較低的情況下，PE 管道的剛性較強(qiáng)，即使受到外部作用力，其自身的變形程度也較低。PE 管道在熱熔焊的過程中，隨著焊接溫度的不斷提高，管道斷面逐漸變形，呈現(xiàn)出熔融狀態(tài)，在這種情況下，通過施加外力可以將管道兩端緊密貼合在一起，聚乙烯中的分子鏈在外部作用力的影響下會(huì)相互纏結(jié)，當(dāng)卸除外部壓力且冷卻后，可以得到穩(wěn)定的焊接接頭[1]。

2 焊接材料及設(shè)備

PE 管是通過乙烯共聚產(chǎn)生的聚烯烴，這種物質(zhì)的結(jié)晶度非常高，高達(dá)80%～90%，是一種熱塑性樹脂。該物質(zhì)無毒、無嗅，密度在0.940～0.976 g/cm3，熔點(diǎn)為130 ℃，聚烯烴受熱溫度達(dá)到125 ℃時(shí)會(huì)逐漸呈現(xiàn)出軟化狀態(tài)。聚烯烴自身的化學(xué)穩(wěn)定性極強(qiáng)，具備顯著的耐寒、耐熱、耐腐蝕特點(diǎn)。

此次研究使用的焊接設(shè)備為上海倫博熱熔對(duì)接焊設(shè)備，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成簡單，主要由加熱板、控制箱、機(jī)身及銑削裝置4 個(gè)部分構(gòu)成。焊接設(shè)備的技術(shù)說明可以參照表1。

表1 熱熔焊機(jī)的技術(shù)說明

3 熱熔焊機(jī)工藝

3.1 熱熔焊接前準(zhǔn)備

1）清潔油路接頭，正確連接焊機(jī)各部位。

2）測量電源電壓，確認(rèn)電壓符合焊機(jī)要求。

3）檢查清潔加熱板，當(dāng)涂層損壞時(shí)，應(yīng)當(dāng)更換加熱板，加熱板表面聚乙烯殘留物只能用木質(zhì)工具去除，油污油脂等必須用潔凈的棉布和酒精處理。

4）按照焊接工藝正確設(shè)置吸熱、冷卻時(shí)間和加熱板溫度等參數(shù)，焊接前加熱板在焊接溫度下適當(dāng)預(yù)熱，以確保加熱板溫度均勻。

5）結(jié)合管材、直徑來確定夾具，保證夾具的性能滿足實(shí)際作業(yè)的需求。

3.2 裝夾套緊固PE管道

夾套與管道的直徑保持協(xié)調(diào)，將需要焊接處理的管道固定在操作臺(tái)上，設(shè)備要保持水平狀態(tài)，確保兩根連接的管道在同一條直線上，并保證管道的端口預(yù)留有足夠的焊接寬度。

3.3 檢查管道錯(cuò)位

將銑刀取出，然后對(duì)接兩根PE 管道，對(duì)接后檢查兩根管道的端口是否對(duì)齊，并對(duì)管道端口的錯(cuò)位量進(jìn)行檢查，確保其符合設(shè)計(jì)要求。通常情況下，管道的錯(cuò)位量控制在管壁厚度的10%以內(nèi)且不得超過3 mm，利用夾套對(duì)管道的端口進(jìn)行調(diào)整，確保兩個(gè)端口相互對(duì)齊。若無法滿足以上條件，則再次進(jìn)行銑削，直至滿足設(shè)計(jì)要求即可停止銑削。

3.4 加熱板加熱PE管道

1）首先將管道放置在平整部位，然后再放置在焊接設(shè)備表面，并預(yù)留10～20 mm 的額外長度。

2）兩根管道的焊接斷面需要保持相互對(duì)齊，錯(cuò)邊盡可能減小，錯(cuò)邊偏差必須控制在壁厚的10%以內(nèi)，同時(shí)不得超過3 mm，否則會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量造成巨大的影響。

3）焊接溫度控制在210～230 ℃比較合適，加熱板的預(yù)熱時(shí)間可以結(jié)合設(shè)備說明書確定，冬季與夏季應(yīng)進(jìn)行區(qū)分，端面的熔融長度控制在1～2 mm。

4）將加熱板移開，然后迅速將兩根管道的端口進(jìn)行黏結(jié)，并施加壓力，保證兩節(jié)管道的連接質(zhì)量。

5）熔融是管道焊接的重中之重，管道對(duì)接時(shí)必須保證基于熔融壓力完成，卷邊的寬度保持在2～4 mm 為宜。

6）穩(wěn)定對(duì)接壓力。促使接口逐漸冷卻，接口部位的溫度冷卻時(shí)間可以通過用手觸摸的方式確定。

7）當(dāng)連接端口部位完全冷卻后即可松開卡瓦，并將對(duì)接機(jī)移除，開始連接下一個(gè)端口。

8）熱熔焊接過程中，接口部位的冷卻時(shí)間、吸熱時(shí)間、施加壓力應(yīng)結(jié)合廠家的說明書確定，具體的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 管道焊接技術(shù)參數(shù)

3.5 松開夾套，取出管道

當(dāng)PE 管道焊接端口部位的溫度降低至常溫以后即可松開夾套，并取出PE 管道，施工人員觀察焊接外觀質(zhì)量。

4 熱熔焊接工藝實(shí)例分析

4.1 工程概況

某項(xiàng)目主要是對(duì)高州市境內(nèi)的鎮(zhèn)級(jí)自來水廠供水管網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)網(wǎng)延伸，本工程供水管道采用PE 管、球墨鑄鐵管和鋼管，管徑范圍為DN63 mm～DN500 mm，管道附屬構(gòu)筑物包括排氣閥井、閘閥井、排污閥井、排泥井等，各類構(gòu)筑物以磚砌為主。其中，PE 管作為主要的供水管材，管徑DN63～DN500 mm 不等。管溝開挖深度在1～1.5 m。結(jié)合實(shí)際情況，供水管道的埋設(shè)深度較小，且大部分采用放坡形式進(jìn)行開挖，放坡的坡度一般為1∶0.3。

4.2 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)檢驗(yàn)

熱熔焊接過程中，焊接溫度和焊接壓力兩個(gè)參數(shù)最容易出現(xiàn)問題。因此，本節(jié)針對(duì)這兩個(gè)對(duì)熱熔焊接質(zhì)量有關(guān)鍵影響的參數(shù)進(jìn)行研究，采用電子萬能試驗(yàn)、靜液壓試驗(yàn)機(jī)、差示掃描量熱儀、掃描電子顯微鏡等，研究不同焊接溫度、不同焊接壓力對(duì)聚乙烯焊接接頭的拉伸性能、熱穩(wěn)定性能、耐內(nèi)壓性能、微觀結(jié)構(gòu)等的影響。

4.2.1 試驗(yàn)原材料

廣州星亞高新塑料科技股份有限公司生產(chǎn)的埋地用聚乙烯燃?xì)夤懿模?guī)格為：DN110、SDR13.6、PE100。

4.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括Z020 電子試驗(yàn)機(jī)、負(fù)載引伸計(jì)、1653-0004裂紋增長制樣機(jī)、V1721 靜液壓試驗(yàn)機(jī)、XJC-25D 沖擊試驗(yàn)機(jī)、DSC200F3 差示掃描量熱儀、Quanta650 掃描電子顯微鏡。

4.2.3 測試過程

1）拉伸性能測試。將試樣放置在電子試驗(yàn)機(jī)中，確保對(duì)試樣施加的作用力與焊縫始終保持垂直狀態(tài)。夾具的拉伸速度保持在（5±1）mm/min，相關(guān)人員詳細(xì)記錄設(shè)備內(nèi)置傳感器獲取的數(shù)據(jù)，當(dāng)試樣被完全破壞以后記錄最大拉力值。

2）耐慢速裂紋增長性能測試。施工人員將測試溫度控制在80 ℃，試驗(yàn)整個(gè)過程必須保持連續(xù)性，且足夠平穩(wěn)。嚴(yán)格控制壓力，避免超過預(yù)先設(shè)計(jì)的壓力值，若PE 管因膨脹而促使壓力降低，則使用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓處理。壓力持續(xù)時(shí)間必須符合設(shè)計(jì)要求，即視為試驗(yàn)合格。若試驗(yàn)過程中尚未達(dá)到試驗(yàn)時(shí)間試樣出現(xiàn)破損，則應(yīng)記錄破壞時(shí)間及具體部位。

3）氧化誘導(dǎo)時(shí)間測試。將試樣、坩鍋放置在常溫環(huán)境內(nèi)，加入氮?dú)獬掷m(xù)5 min，開始進(jìn)行加熱處理。在氮?dú)猸h(huán)境下持續(xù)加熱至試驗(yàn)溫度，溫度提升速度控制在20 ℃/min。當(dāng)試樣的溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度以后則可以停止升溫。保持溫度不變的情況下持續(xù)3 min，然后將氮?dú)馊刻鎿Q為氧氣。觀察試樣的變化，并使用切線分析方法計(jì)算試樣的氧化時(shí)間。

4）懸臂梁沖擊性能測試。實(shí)際試驗(yàn)選擇使用擺錘，擺錘的能量確定為5.5 J，將擺錘提升至設(shè)計(jì)高度并進(jìn)行加固處理，將試樣與支座進(jìn)行固定，試樣的缺口部位面向于擺錘沖擊刃擊打的方向。松開擺錘，利用系統(tǒng)自動(dòng)記錄試樣的沖擊能量，然后按照GB/T 21189—2007《塑料簡支梁、懸臂梁和拉伸沖擊試驗(yàn)用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)》要求調(diào)整擺錘的摩擦損失。

4.2.4 結(jié)果分析

1）焊接溫度偏差越大，熱熔對(duì)接焊縫的拉伸強(qiáng)度越低。原因是當(dāng)焊接溫度過低時(shí)，聚乙烯管材焊接面加熱不充分，材料軟化不夠，高分子間黏結(jié)性能不足，導(dǎo)致接頭拉伸強(qiáng)度降低；當(dāng)焊接面的焊接溫度過高時(shí)，聚乙烯管材熔接面所吸收的熱量過高，影響了高分子間的黏結(jié)性能，導(dǎo)致接頭拉伸強(qiáng)度降低。

2）焊接溫度過高或者過低均會(huì)影響聚乙烯熱熔接頭的黏結(jié)性能，導(dǎo)致接頭使用性能受到巨大的影響。這個(gè)耐慢速裂紋擴(kuò)展的測試結(jié)果與拉伸性能測試結(jié)果得出的結(jié)論一致。PE熱熔焊接工藝參數(shù)伴隨焊接溫度過低或過高、規(guī)定壓力過低或過高，都會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度逐步下降。當(dāng)焊接溫度偏離200～260 ℃溫度區(qū)間或者焊接壓力偏離7～1 300 kPa 區(qū)間時(shí)，聚乙烯管材熱熔焊接的黏結(jié)性能會(huì)被極大地削弱，焊接過程出現(xiàn)過焊或者冷焊的概率增大，最終導(dǎo)致焊接接頭不能通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測試。也就是說，這個(gè)接頭不能滿足工程中長期使用的要求，不能應(yīng)用于工程實(shí)踐中，如果城鎮(zhèn)埋地聚乙烯管道系統(tǒng)中有這樣的焊接接頭，將是一個(gè)巨大的安全隱患。

3）假若焊接溫度、壓力全部不滿足規(guī)范要求，隨機(jī)抽取兩個(gè)批次對(duì)管材的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，其與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差均超過10%，同時(shí)試樣的靜液壓破壞時(shí)間全部低于165 h，所面臨的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)比較嚴(yán)重，實(shí)際使用過程中可能會(huì)存在一定的安全隱患。

結(jié)合前文所言，隨機(jī)抽取的試樣管道的數(shù)量為20 個(gè)，其中，16 個(gè)試樣的質(zhì)量為輕微風(fēng)險(xiǎn)，比例為80%，1 個(gè)試樣的質(zhì)量為中等風(fēng)險(xiǎn)，占比為5%，3 個(gè)試樣的質(zhì)量為重度風(fēng)險(xiǎn)，占比為15%，由此可以發(fā)現(xiàn)管道安裝存在一定的安全隱患。

5 結(jié)語

在現(xiàn)代化社會(huì)中，PE 管道的應(yīng)用范圍不斷拓寬，管道焊接質(zhì)量會(huì)對(duì)管網(wǎng)的運(yùn)行狀況造成巨大的影響。判斷PE 管道的焊接質(zhì)量主要是通過對(duì)接口部位的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估完成，所以，在實(shí)際施工過程中，必須嚴(yán)格按照規(guī)范要求，合理設(shè)置技術(shù)參數(shù)，以此保證PE 管道的焊接質(zhì)量。熱熔對(duì)接焊是一種操作簡便、易于掌握、高質(zhì)量、高效率的連接PE 管道的焊接方法，應(yīng)用上述焊接工藝進(jìn)行PE 管道連接能保證焊接質(zhì)量，有效降低工程成本，隨著焊接工藝的成熟完善，其在PE 管道工程中必然得到越來越廣泛的應(yīng)用。