普通鋼管因其管材自身的缺陷, 在供水管線使用中易產(chǎn)生腐蝕、生銹、結(jié)垢、泄露及堵塞等弊病, 從而對(duì)水質(zhì)造成嚴(yán)重的 2 次污染。近年來(lái), 隨著高分子材料技術(shù)的飛躍發(fā)展, 聚乙烯( PE) 管道由于其獨(dú)特而良好的可熔接( 焊接) 性、連接方便( 熱熔對(duì)接、電熔連接) 、抗開(kāi)裂性、環(huán)保、衛(wèi)生、可回收使用等優(yōu)點(diǎn), 而成為城市輸氣管網(wǎng)、中低壓供水管網(wǎng)的最佳選擇, 在我國(guó)得到了高速發(fā)展, 塑料給水管材的開(kāi)發(fā)利用將逐步替代普通鋼管。在中原油田生活小區(qū)管網(wǎng)改造項(xiàng)目中, 給水主管道為公稱直徑 160 mm ﹙簡(jiǎn)稱 PE160 ﹚的 PE 給水熱熔管, 焊接采用熱熔焊接工藝, 取得了良好的效果。
1 PE 給水管的材質(zhì)分析
PE 給水管原材料為聚乙烯, 他是一種高分子量的有機(jī)合成的惰性材料。具有良好的剛性和韌性, 可耐多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕, 不會(huì)發(fā)生腐爛, 生銹和腐蝕現(xiàn)象。PE 管的低溫脆化溫度極低, 可在-40 e 溫度范圍使用, 在冬季安裝施工中不會(huì)發(fā)生管道脆裂, 并具有良好的抵抗快速裂紋傳遞能力。使用年限可達(dá) 50 年。
2 PE 熱熔焊原理
熱熔對(duì)接焊的原理是采用熱熔對(duì)焊機(jī)將 2 個(gè)制件表面加熱到設(shè)定的溫度, 使其熔化, 然后施加足夠的外力將它們迅速貼合, 并保持一定的壓力, 經(jīng)充分冷卻后使管材連接。聚乙烯是一種具有半結(jié)晶的熱塑性高分子聚合物, 具非極性的長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu), 分子之間相互纏繞和貫穿, 具有非常典型的玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài) 3 個(gè)物態(tài)區(qū)間。熱熔焊充分運(yùn)用擴(kuò)散原理, 在晶體的融熔溫度附近, 聚乙烯分子吸收足夠的能量, 導(dǎo)致其劇烈運(yùn)動(dòng), 在外力的作用下, 熔融界面的分子相互滲透和纏繞, 進(jìn)行分子鏈的物理重組和再結(jié)晶。因此, 對(duì)于熱熔焊過(guò)程而言, 加熱溫度、焊制壓力、冷卻和加熱時(shí)間決定了焊縫品質(zhì)的高低 [ 1-2] 。熱熔對(duì)接焊口在承受拉力和壓力時(shí)都比管材本身具有更高強(qiáng)度, 其主要工藝過(guò)程如圖 1 所示。
3 施焊工藝
3. 1 焊前準(zhǔn)備
3. 1. 1 管道材料及焊接設(shè)備
施工時(shí)給水管材選用的是上海上豐集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的 PE160 給水管, 壁厚 9. 5 mm, 公稱壓力1.0 MPa。焊機(jī)選用成都東飛新科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的 DFHJ- 160Y( 液壓型) 熱熔對(duì)焊機(jī)。
3. 1. 2 焊前清洗
用軟布蘸酒精清洗加熱板板面, 使其無(wú)污物。將管材待連接端先用清水或皂水及軟布把上面的油漬、泥污清洗掉, 然后用酒精擦試干凈, 使其露出管道本來(lái)的光澤。
3. 1. 3 母材修整
開(kāi)啟對(duì)接機(jī)與液壓泵的開(kāi)關(guān), 用機(jī)架上的銑削刀具將管材的連接面銑削平整, 將待焊兩管軸線對(duì)齊, 保證內(nèi)壁和待焊端面齊平, 使其錯(cuò)位不大于2 mm。
3. 2 焊接工藝參數(shù)
試驗(yàn)結(jié)果表明, 焊縫成形的好壞主要由焊接過(guò)程中的加熱板溫度、焊接壓力及加熱時(shí)間決定。試驗(yàn)用焊接工藝參數(shù)如表 1 所示。
3. 3 焊接過(guò)程
1) 焊接前, 再次檢查待焊 2 管是否有錯(cuò)位, 保持內(nèi)壁和端面齊平。打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)和溫控儀, 將預(yù)熱溫度調(diào)節(jié)至 210 e , 使加熱板達(dá)到所設(shè)定的溫度。然后將表面溫度已均勻的加熱板放在機(jī)架上, 扳動(dòng)操作手柄至/ 進(jìn)0的位置, 調(diào)整/ 調(diào)速閥0旋鈕, 以使動(dòng)夾具帶動(dòng)管件快速靠近加熱板, 當(dāng)管件貼上加熱板兩面后, 仍使動(dòng)夾具保持/ 進(jìn)0狀態(tài)。并加大進(jìn)給壓力到 0. 5 MPa, 待端面出現(xiàn) 1. 0 mm 卷邊時(shí)將/ 進(jìn)退0操作手柄板回中位, 打開(kāi)泄壓閥使其壓力降低為0. 01 MPa, 關(guān)閉泄壓閥使管材在微壓狀態(tài)下加熱。
在計(jì)時(shí)器上設(shè)定加熱時(shí)間為 100 s, 然后打開(kāi)計(jì)時(shí)器進(jìn)入熔融過(guò)程。
2) 當(dāng)報(bào)警器提示加熱過(guò)程結(jié)束后, 將計(jì)時(shí)器關(guān)閉, 操作手柄將加熱板從已被熔融的管材上脫開(kāi), 置換時(shí)間應(yīng) [ 6 s, 然后快速操作手柄以使動(dòng)夾具帶動(dòng)管材快速合攏對(duì)接, 并調(diào)整焊接壓力至 0. 5 MPa, 直至對(duì)接口卷邊 5 mm 為止, 關(guān)閉泄壓閥保持焊接壓力, 并打開(kāi)計(jì)時(shí)器設(shè)定冷卻時(shí)間為 15 min。待管材冷卻至環(huán)境溫度后卸下管材, 焊接結(jié)束。
4 施工工藝對(duì)焊縫成形的影響
4. 1 加熱板溫度對(duì)焊縫成形的影響加熱板溫度是聚乙烯給水管焊接時(shí)的一個(gè)重要工藝參數(shù), 對(duì)焊縫成形起著決定性的作用。加熱板溫度太高, 塑料將發(fā)生熱氧化破壞, 析出揮發(fā)性產(chǎn)物, 即使在接觸壓力非常大的情況下, 也無(wú)法將氣孔全部排出, 仍會(huì)有部分氣孔殘留在焊縫內(nèi), 從而使結(jié)構(gòu)的抗脆性破壞下降。但加熱溫度太低又使被焊 2管端得不到充分的加熱, 粘結(jié)強(qiáng)度較小, 在焊縫中會(huì)造成未焊透, 從而影響連接強(qiáng)度。加熱板溫度過(guò)低,往往會(huì)造成焊道中心下凹, 如圖 2 所示。實(shí)際焊接中, 造成這種缺陷的原因往往是由于焊接時(shí)抽取加熱板對(duì)接管材時(shí)的置換時(shí)間太長(zhǎng), 使管材的加熱面溫度降低形成的 [ 3] 。
4. 2 焊接壓力對(duì)焊縫成形的影響
焊接壓力在焊接過(guò)程中起著重要的作用。選擇適當(dāng)?shù)暮附訅毫κ菫榱耸购缚p區(qū)的熔體產(chǎn)生合適的剪切流動(dòng)并達(dá)到最佳的焊縫位置。聚乙烯( PE) 給水管材料在加熱和壓緊時(shí), 在壓力的作用下會(huì)流向焊縫的邊緣而形成熱熔環(huán), 同時(shí)會(huì)改變焊接接頭的形狀。由于熔融物流出的結(jié)果, 使焊縫中內(nèi)熔化層的深度減小, 增加了各區(qū)加熱的不均勻性, 改變了總的溫度分布, 使聚乙烯給水管在接觸面上發(fā)生取向。因此, 焊接時(shí), 常常在加熱和壓緊時(shí)采用低壓。另一方面, 加熱時(shí)的壓力應(yīng)能足以使管道端面上的不平度很快地平整, 而壓緊時(shí)的壓力應(yīng)保證能使兩平面牢固地結(jié)合, 排除氣孔和氣體夾雜物并盡量增加實(shí)現(xiàn)相互擴(kuò)散的面積。接觸以后, 要求焊接壓力應(yīng)能補(bǔ)償聚合物材料冷卻過(guò)程中的收縮。當(dāng)壓力過(guò)小或沒(méi)有壓力時(shí), 收縮會(huì)導(dǎo)致收縮孔的出現(xiàn), 增大結(jié)構(gòu)的缺陷, 增加殘余應(yīng)力。
焊接壓力過(guò)低及過(guò)高時(shí)對(duì)焊縫成形的影響分別如圖 3 及圖 4 所示。解決辦法, 可以在置換完后, 迅速對(duì)接管材, 并調(diào)整焊接壓力為 0. 5 MPa, 保持該壓力直至冷卻。
4. 3 加熱時(shí)間對(duì)焊縫成形的影響
聚乙烯給水管加熱時(shí)間主要由管道壁厚、加熱板溫度及環(huán)境條件決定。增加加熱時(shí)間, 熔融區(qū)長(zhǎng)度增大, 有助于消除未焊透, 降低焊接殘余應(yīng)力。但是加熱時(shí)間太長(zhǎng), 會(huì)使材料發(fā)生熱氧化破壞, 增大熔融材料的焊接熔環(huán), 從而增大焊接應(yīng)力分布的不均勻性。同時(shí)會(huì)增大對(duì)接面的/ 月牙形0彎曲度, 從而造成捕集空氣的危險(xiǎn), 以及使管道失去穩(wěn)定性的危
險(xiǎn)。當(dāng)加熱時(shí)間不夠時(shí), 接觸的邊界就不消失, 還會(huì)出現(xiàn)未焊透。此外, 2 管加熱時(shí)間不同, 兩管熔化溫度不同, 加熱板受熱不均, 還會(huì)產(chǎn)生焊道寬窄不均等缺陷, 如圖 5 所示。解決辦法, 可以在加熱前用酒精擦試干凈。加熱板設(shè)定溫度到時(shí)后, 應(yīng)繼續(xù)加熱 15`20 min, 使加熱板均勻受熱。
