淺談聚乙烯管道連接技術的衍變及現狀

未知

1總則

1.1概述：

聚乙烯管在輸送燃氣、給水時要求承受一定的壓力，且要求至少50年的壽命，并且保證絕對的安全性，PE管道系統連接技術的優劣，直接關系到管網的運行效果和使用壽命。因此對連接技術的要求就非常嚴格。

1.2、聚乙烯管道連接技術的發展情況：

聚乙烯燃氣管道在熔接技術方面的主要進展有：

1.2.1九十年代電熔連接技術的發展主要體現在：

1）管件的材質緊跟管材材質的發展，國際上已有多家電熔管件制造商開發生產PE100材料的管件。

2）電熔管件的結構經過不斷的發展，改進，走向成熟。具有寬的熔接區，較長的插入深度和冷卻區。GeorgFisher公司1997年推出了它的模塊化設計的電熔鞍形管件和過渡管件系統，實現了由一些基本元件在車間和施工現場組合成所需管件，減少庫存，方便應用。

3）電熔連接設備已進入第三代（多功能），可以現場進行熔接質量控制，并且確保設備和安裝的可追溯性。

4）電熔管件的自動識別系統可使電能按照一定方式自動輸與電熔管件，在九十年代后期，實現了標準化。有三種類型：數字識別系統，機電識別系統和自調節系統。目前大多數電熔管件采用的是數字識別系統，熔接參數以及其它信息以代碼的形式記錄在條形碼、磁卡等數據載體上，熔接控制器從上述載體中讀出參數后自動控制熔接。

5）近年電熔管件成型技術最主要的進展是成型的自動化。

1.2.2熱熔連接的發展：

熱熔對接設備的發展方向是全自動化，不僅可消除人為因素，并且可實現可追溯性。英國燃氣公司首先進行研制，主要是針對大口徑管子，因為傳統機器用于直徑大于D315mm的管子時已出現問題。英國、德國、比利時、法國、美國等均已開發半自動、全自動設備。

對聚乙烯管道熱熔對接工藝的研究一直在進行。目前一些主要國家（如英國、德國、比利時、芬蘭等）聚乙烯管道熱熔對接的工藝參數不盡相同，而且由于材料的不斷發展，對工藝變化的要求也是必然的。采用比較廣泛的熔接工藝是德國焊接協會（DVS）發布的。比利時根特大學對DVS的熔接工藝改變了兩個參數：溫度由215℃提高到225℃；加熱壓力降低了50%.并認為壓力有進一步降低的可行性。瑞典排污塑料管質量委員會（KP-Council）根據實際經驗的研究認為，冷卻時間應進一步延長，特別是對厚壁管材。1993年，英國水研究中心（WRC）提出一種“雙壓”（dualpressure）連接法用于壁厚大于20mm聚乙烯管的連接。該方法與通常的焊接程序的主要差別在熔接階段的冷卻壓力降低。美國天然氣研究所（GRI）開發了用于連接和修理聚乙烯天然氣輸配管線的新方法。該方法使用了一個稱為“SmartHeat”的自調、恒溫加熱的新技術。該技術具有能較好地控制溫度，連接件和裝配費用低的優點。

1.3聚乙烯連接方式：

PE管不能采用溶解性粘合劑與管件連接，它的最佳連接方式是熔焊連接，焊接技術的發展經歷了一定的過程，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，通過對連接技術的不斷研究，近來發展了一種新的連接方式—電熱熔連接。相應地，采用的施工機具是電熱熔焊機和熱熔對接焊機，焊接設備應符合ISO12176-1或ISO12176-2的要求。其次就是與金屬管道連接時采用鋼塑過渡接頭連接。

1.4聚乙烯管道熔接原理：

聚乙烯管道焊接原理是聚乙烯一般在190℃~240℃之間的范圍內被熔化（不同原料牌號的熔化溫度一般也不相同），此時若將管材（或管件）兩熔化的部分充分接觸，并施加適當的壓力（電熔焊接的壓力來源于焊接過程中聚乙烯自身的熱膨脹），冷卻后便可牢固地融為一體。由于是聚乙烯材料之間的本體熔接，因此接頭處的強度與管材的本身的強度相同。

2.連接注意事項：

PE管道連接時應注意如下事項：

1.操作人員上崗前，應經過專門培訓，經考試和技術評定合格后，方可上崗操作。

2.管道連接前應對管材、管件進行外觀檢查，符合產品標準要求方可使用。

3.在寒冷氣候（-5℃以下）和大風環境下進行連接操作時，應采取保護措施或調整施工工藝。

4.每次連接完成后，應進行外觀質量檢驗，不符合要求的必須切開返工，返工后重新進行接頭外觀質量檢查。

3.PE管道連接技術：

熱熔連接和電熔連接方式的優缺點比較如下：

電熔連接

1.需要有專用的電熔焊機。

2.適用于所有規格尺寸的管材。

3.可用于不同牌號、材質的管材與管材、管材與管件連接。

4.不易受環境、人為因素影響。

5.設備投資低，維修費用低。

6.連接操作簡單易掌握。

熱熔連接

1.需要有專用的熱熔焊機。

2.一般適用于公稱直徑大于63mm的管材。

3.適用于同牌號、材質的管材與管材、管材與管件連接。性能相似，不同牌號、材質的管材與管材、管材與管件連接，需實驗驗證。

4.易受環境、人為因素影響。

5.設備投資高。

6.連接費用低。

7.操作人員需進行專門培訓，具有一定的經驗。

3.1對接焊

對接焊常用于較大直徑管的連接，一般大于D63mm，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間，抽掉熱板，將要焊的兩端在一定壓力下迅速對接在一起并保壓一定時間冷卻，即可形成一個強度高于管材本體強度的接口。選擇的壓力要使接觸面處產生所要求的力，不管摩擦壓力損失。當對接焊機帶有液壓源時，力通常被表示為施加的油缸壓力。對于這樣的機器，要提供一個專門的對照表，以給出實際的接觸面處壓力與壓力計指示壓力的關系。

3.1.1對接焊周期及參數：

對接焊周期和各階段的參數參考值見圖（1）壓力/時間曲線和表1，說明如下。

a.總則

T加熱板溫度，以測量與管材或管件端面接觸的加熱板表面區域的溫度為準。

b.階段1：預熱

p1——預熱階段端面壓力/（N/mm2）（Mpa）

B1——初始翻邊/mm

t1——形成要求翻邊寬度時的時間/s

c.階段2：吸熱

p2——吸熱階段界面壓力/（N/mm2）（Mpa）

t2——吸熱時間/s

d.階段3：撤回加熱板

t3——從移開加熱板到兩熔接面接觸的時間/s

e.階段4：加壓

t4——從介面接觸到升到規定壓力所要時間/s

f.階段5：對接

p5——對接階段接觸面的壓力/（N/mm2）（Mpa）

t5——恒定壓力下的時間

g.階段6：冷卻

t6——冷卻時間，此時不能施加額外的力，可取出冷卻/s.

B2——最終翻邊寬度/mm.表中沒有對其說明是由于B2受PE材料類型、生產過程（擠出或注塑成型）、使用的加熱板類型、溫度和焊接周期的影響，因此很難確定一組翻邊寬度值。不過，只要按連接程序操作，就是一個良好的象征。一種確定可接受的翻邊寬度值B2的方法是在實驗的基礎上進行的，在規定條件下使用管材和對接焊機。從在連接程序規定的條件下制作的幾個接頭確定一個平均值B2.

參數數值單位

加熱板溫度，T63≤dn≤250250＜dn210±10225±10℃

1壓力，p11）0.18±0.02N/mm2（Mpa）

時間，t1翻邊寬度，B1達到B所要時間dn≤180：1＜B1≤2180＜dn≤315：2＜B1≤3315＜dn：3＜B1≤4Smm

2壓力，p21）0.03±0.02N/mm2（Mpa）

時間，t2（30+0.5dn）±10s

3時間，t3最大：3+0.01dn≤8s

4時間，t4最大：3+0.01dn≤6s

5壓力，p51）0.18±0.02N/mm2（Mpa）

時間，t5最小：10min

6時間，t6最小：1.5en最大20min

1）此壓力為接縫壓力

表中參數為通用指導參數，僅供參考。不同制造商的熔接參數不盡相同，用戶必須嚴格執行。

3.1.2管道對接焊程序：

下面概述了在規定的對接焊周期和溫度下，制作對接焊接頭所必須的操作過程：

－盡可能減少拖動阻力，例如使用管材滾動

－在對接焊機上夾緊管材或管件的插口端

－清潔插口端

－檢查對接焊機是否與管材直徑和規定的對接周期匹配

－移動可動夾具，將管材端部靠在銑刀上刨平。靠近壓力應滿足以使銑刀兩側能產生穩定的薄片。當管材端面或管件端面平整并互相平行時，刨平工作就算完成了

－降低壓力，保持銑刀轉動以避免管材和管件起毛刺。向后移動夾具并移走銑刀

－使對接焊機上的管材或管件互相接觸并檢查對其情況。管材或管件的插口端應盡可能對齊，不超過連接程序中規定的最大偏移量即管材壁厚的10%，不足1mm的按1mm計。

－刨平后管材和管件端面之間的間隙應盡可能小，不應超過連接程序中規定的最大間隙，具體為：

1）dn＜2250.3mm

2）225≤dn＜4000.5mm

3）400≤dn1mm

－測量由于對接焊機的摩擦損失和向前移動可動夾具的拖動阻力所產生的額外阻力，并將這個壓力加到要求的對接焊壓力上

－如果有必要，清潔焊接表面和加熱工具。加熱工具上的聚乙烯殘留物應用木質刮刀刮掉；

－檢查加熱工具焊接表面涂層是否完整并沒有劃傷；

－檢查加熱工具溫度是否正確；

－將加熱工具放在管材端面之間，使對接焊機上的管材靠近加熱工具并施加一定的壓力（包括測量的額外壓力），直到熔化翻邊達到規定的寬度；

－降低壓力，使管材端面和加熱工具之間剛好保持接觸；

－達到吸熱時間后，向后移動對接焊機可動夾具并移走加熱工具。快速檢查加熱后的管材端部，確定在移動加熱工具過程中是否損傷熔融的端面，然后再次移動對接焊機可動夾具，使管材端面接觸。這個松開和靠近的時間應在連接程序規定的最長時間之內

－不用時，要把加熱工具儲存保護好。

－在整個對接過程和隨后的冷卻過程中，對接焊機應保持一定壓力（應重視關注冷卻過程，冷卻好壞直接影響產品質量）。

－達到對接焊和冷卻時間后，卸去對接焊機的壓力，使壓力為零。

－移動管材時，避免碰撞熔接處。

熱熔焊時應特別注意卷邊、壓力和焊接時間的控制，嚴格按照規定的參數操作。合格的焊口應有兩翻邊，焊道翻邊卷到管外圓周上，兩翻邊的形狀、大小均勻一致，無氣孔、鼓泡和裂紋，兩翻邊之間的縫隙的根部不低于所焊管子的表面。

3.2電熔熔接：

電熔焊接的關鍵是設計先進的電熔管件，其基本原理包括加熱、利用焦耳效應、集成在管件內表面（焊接表面）的電阻線圈、引起線圈附近的材料熔化，從而使管材與管件熔接在一起。電熔管件一般包括套筒、鞍形、變徑、等徑三通、異徑三通和彎頭等。可用于與用不同類型聚乙烯材料和不同熔體流動速率材料制造的干線、支線管材或插口管件連接。

3.2.1溫度：

對于環境溫度的變化，只要這些變化在連續程序規定的范圍內，不需采取特殊的預防措施就可以進行焊接操作，。如果有必要對輸出到管件的電能進行一些調整，以適合極限環境溫度的要求，應該使用適當的電熔設備。

3.2.2電熔焊接設備：

電熔焊機是利用電源（發電機或公共用電），為管件提供正確的焊接參數的，如果有必要，還要考慮環境溫度。焊接參數是施加電壓和/或電流及焊接時間。如果用發電機作為電源，它應能輸出管件所需要的能量并考慮焊機和發電機的電的特性。發電機應具備適當的保護和安全裝置，以符合有關標準的要求。在有些情況下，焊機和發電機可能要組合成一個整體。電熔焊接設備應符合ISO12176-2.焊接設備工況不好時，不可能有高質量的焊接接頭。焊接設備的維護非常重要，應定期進行。

3.2.3電熔焊接程序：

下面概述了電熔焊接的操作過程。

-電熔管件應包裝保護好，直到準備連接到管材或插口管件止為止。在開始焊接前，焊接面應干燥

-確保電熔管件與環境溫度、管材或插口管件系列或SDR值是匹配的。

-對于所有類型的電熔管件，都要使用復原和對正夾具，以減少管材不圓度、偏移和在連接與冷卻階段的移動。

-刮掉管材或插口管件外層焊接表面，以切除氧化的材料。用適當的工具，如手動或機械刮刀進行這一操作。推薦使用機械刮刀。應沿管材或插口管件端部的整個外圓周進行刮皮。當使用鞍形或鞍形三通時，至少要在焊接區域刮皮。刮皮深度大約0.2mm.

-承插電熔管件連接時，用塑料管材切刀或帶切削導向裝置的細齒鋸切斷管材，并使其端面垂直于管材軸線。用小刀切除內部邊緣的毛刺。

-確保可以檢查插入深度（例如標記插入深度）。將承口管件滑入插口端并正確定位。

-如果采用通套連接，將電熔套筒件完全推入到其中一個管材端部上，在兩個管材端部被夾緊后，再將電熔套筒件往回推，這樣兩個管材端部都被管件套住。檢查兩個管材端部的插入深度。

-固定對正夾具或定位夾具，檢查管材端部是否對正。

-打開管件護帽，接好焊機導線，按給定參數焊接。

-焊接完畢后，檢查觀察孔內物料是否頂出，焊縫處是否有物料擠出。合格的焊口應是在電熔焊過程中，無冒煙（著火）、過早停機現象，觀察孔有物料頂出，焊縫處無物料擠出。