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, 從而對水質(zhì)造成嚴(yán)重的 2 次污染。近年來, 隨著高分子材料技術(shù)的飛躍發(fā)展, 聚乙烯( PE) 管道由于其獨特而良好的可熔接( 焊接) 性、連接方便( 熱熔對接、電熔連接) 、抗開裂性、環(huán)保、衛(wèi)生、可回收使用等優(yōu)點, 而成為城市輸氣管網(wǎng)、中低壓供水管網(wǎng)的最佳選擇, 在我國得到了高速發(fā)展, 塑料給水管材的開發(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)改造項目中, 給水主管道為公稱直徑 160 mm ﹙簡稱 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
熱熔對接焊的原理是采用熱熔對焊機將 2 個制件表面加熱到設(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 個物態(tài)區(qū)間。熱熔焊充分運用擴散原理, 在晶體的融熔溫度附近, 聚乙烯分子吸收足夠的能量, 導(dǎo)致其劇烈運動, 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, 對于熱熔焊過程而言, 加熱溫度、焊制壓力、冷卻和加熱時間決定了焊縫品質(zhì)的高低 [ 1-2] 。熱熔對接焊口在承受拉力和壓力時都比管材本身具有更高強度, 其主要工藝過程如圖 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
施工時給水管材選用的是上海上豐集團有限公司生產(chǎn)的 PE160 給水管, 壁厚 9. 5 mm, 公稱壓力1.0 MPa。焊機選用成都東飛新科技實業(yè)有限公司生產(chǎn)的 DFHJ- 160Y( 液壓型) 熱熔對焊機。
3. 1. 2 焊前清洗
用軟布蘸酒精清洗加熱板板面, 使其無污物。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, 使其露出管道本來的光澤。
3. 1. 3 母材修整
開啟對接機與液壓泵的開關(guān), 用機架上的銑削刀具將管材的連接面銑削平整, 將待焊兩管軸線對齊, 保證內(nèi)壁和待焊端面齊平, 使其錯位不大于2 mm。
3. 2 焊接工藝參數(shù)
試驗結(jié)果表明, 焊縫成形的好壞主要由焊接過程中的加熱板溫度、焊接壓力及加熱時間決定。試驗用焊接工藝參數(shù)如表 1 所示。
3. 3 焊接過程
1) 焊接前, 再次檢查待焊 2 管是否有錯位, 保持內(nèi)壁和端面齊平。打開加熱開關(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架上, 扳動操作手柄至/ 進(jìn)0的位置, 調(diào)整/ 調(diào)速閥0旋鈕, 以使動夾具帶動管件快速靠近加熱板, 當(dāng)管件貼上加熱板兩面后, 仍使動夾具保持/ 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 卷邊時將/ 進(jìn)退0操作手柄板回中位, 打開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。
在計時器上設(shè)定加熱時間為 100 s, 然后打開計時器進(jìn)入熔融過程。
2) 當(dāng)報警器提示加熱過程結(jié)束后, 將計時器關(guān)閉, 操作手柄將加熱板從已被熔融的管材上脫開, 置換時間應(yīng) [ 6 s, 然后快速操作手柄以使動夾具帶動管材快速合攏對接, 并調(diào)整焊接壓力至 0. 5 MPa, 直至對接口卷邊 5 mm 為止, 關(guān)閉泄壓閥保持焊接壓力, 并打開計時器設(shè)定冷卻時間為 15 min。待管材冷卻至環(huán)境溫度后卸下管材, 焊接結(jié)束。
4 施工工藝對焊縫成形的影響
4. 1 加熱板溫度對焊縫成形的影響加熱板溫度是聚乙烯給水管焊接時的一個重要工藝參數(shù), 對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, 也無法將氣孔全部排出, 仍會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)強度較小, 在焊縫中會造成未焊透, 從而影響連接強度。加熱板溫度過低,往往會造成焊道中心下凹, 如圖 2 所示。實際焊接中, 造成這種缺陷的原因往往是由于焊接時抽取加熱板對接管材時的置換時間太長, 使管材的加熱面溫度降低形成的 [ 3] 。
4. 2 焊接壓力對焊縫成形的影響
焊接壓力在焊接過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, 在壓力的作用下會流向焊縫的邊緣而形成熱熔環(huán), 同時會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, 常常在加熱和壓緊時采用低壓。另一方面, 加熱時的壓力應(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現(xiàn)相互擴散的面積。接觸以后, 要求焊接壓力應(yīng)能補償聚合物材料冷卻過程中的收縮。當(dāng)壓力過小或沒有壓力時, 收縮會導(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。
焊接壓力過低及過高時對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 加熱時間對焊縫成形的影響
聚乙烯給水管加熱時間主要由管道壁厚、加熱板溫度及環(huán)境條件決定。增加加熱時間, 熔融區(qū)長度增大, 有助于消除未焊透, 降低焊接殘余應(yīng)力。但是加熱時間太長, 會使材料發(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。同時會增大對接面的/ 月牙形0彎曲度, 從而造成捕集空氣的危險, 以及使管道失去穩(wěn)定性的危
險。當(dāng)加熱時間不夠時, 接觸的邊界就不消失, 還會出現(xiàn)未焊透。此外, 2 管加熱時間不同, 兩管熔化溫度不同, 加熱板受熱不均, 還會產(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)定溫度到時后, 應(yīng)繼續(xù)加熱 15`20 min, 使加熱板均勻受熱。
