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_聚 乙 烯 管 道连接技术编著:李正华审批:蓝元虎成都三环金属制品有限公司聚乙烯（PE）管道连接技术 聚乙烯（PE）是一个由多种工艺方法生产的具有多种结构和特性及多种用途的系列品种树脂，最早是由英国的帝国化学公司（ICI）于1933年发明的。并于1939年开始商品化生产。聚乙烯管道应用始于20世纪40年代，到今天已经历了大约三个阶段: 第一阶段 （20世纪40年代70年代末）主要为PE32、PE40、PE63。最初用于做电话线导管和矿井无压排水。为低密度聚乙烯（LDPE）。20世纪50年代末，高密度聚乙烯管道作为压力管道材料进入市场，其最小要求强度为6.3Mpa.此时聚乙烯管道真正开始用做压力管道。20世纪60年代中期开始采用聚乙烯管输送天然气。第二阶段（20世纪80年代90年代初，主要是PE80）随着聚合催化剂以及聚合工艺技术的不断发展，具有良好的长期耐蠕变性的第二代高密度聚乙烯（HDPE）管道在欧洲问世，其最小要求强度（MRS）为8.0MPa(PE80)。几年之后，比HDPE具有良好的柔韧性的PE80级中密度聚乙烯（MDPE）管道材料问世。从此以后，MD/HDPE快速占领了城镇供水管道和城镇燃气管道市场。第三阶段（20世纪90年代初至今，主要是PE100），在PE80级HDPE管道基础上进一步提高了最小要求强度（MRS）和耐快速开裂性能（RCP）和耐慢速开裂性能（SCG），其最小要求强度（MRS）为10.0MPa(PE100)，主要应用于压力较大和直径较大的城镇供水管道和城镇燃气管道。目前聚乙烯树脂已占世界合成树脂产量的三分之一，居第一位。管材已成为在PVC-U之后，世界上消费量第二大的塑料管道品种。已被广泛用于燃气输送、给水、排污、农业灌溉、油田、矿山、化工及邮电通讯领域。现在已有超100级聚乙烯管道出现，如PE125。公司从2002年开始投资生产聚乙烯管道以来，现已开发生产出给水、排水、燃气、煤矿用瓦斯管几个系列产品和配套管件，聚乙烯管道已成为公司的主打产品。第一节 聚乙烯管道熔接机理及技术要求1、 聚乙烯管道熔接机理（同样适合于聚丙烯）由于聚乙烯是具有非极性的长链分子结构，这些长链分子总是相互贯穿，彼此重叠或缠结在一起，形成无规则的线团结构。长链分子间存在着强大的吸引力，从而使聚乙烯表现出良好的力学特性。聚乙烯随温度变化表现出许多不同的性能和行为，按照其行为表现，一般可分为三种状态：结晶态（玻璃态）、高弹态、和粘流态（见图一）。T1 T2 T3结晶态 高弹态 粘流态 T聚乙烯温度坚硬固体 橡皮状弹性体 粘性液体 图一 不同温度条件下聚乙烯的状态结晶态：处于结晶温度以下，聚乙烯分子链和链锻被冻结，分子失去活动能力，在外力作用下，只能产生瞬时的变形，外力消除后会恢复原状，是材料的正常使用状态。高弹态：聚合物分子开始具有活动能力，但整个分子链仍不能运动，在外力的作用下，能产生较大的变形，外力解除后，仍能缓慢恢复原状。此时，聚合物弹性模量大大降低，力学性能变差。粘液态：聚合物分子间距大，大分子链的运动能力增强，直至发生整个分子中心位移而产生流动。在外力作用下，整个分子链间相互滑动而产生变形，使长链分子重新重叠和惨结，这种形变是不可逆的，再温度降低后除掉外力。其长链分子间依然可以保持这种重组状态。聚乙烯管道熔接正是在粘流态下进行的，这是聚乙烯管道熔接可靠的保证。当温度继续升高超过粘流态上限温度时，分子运动进一步加剧，引起聚乙烯分子的分解而破坏其性能。可见熔接的温度范围是狭窄的，所以一般推荐的热熔焊温度为PE80 21010；PE100 22510（环境温度20时下）。从加热熔接界面的加热端到管材的常温端是一个温度渐变过程，分子的活性差别很大。在熔接时，外力是人为施加的，施力过小，界面间长链分子未能充分变形，从而不能有效的重新重叠及缠结；相反，对接力过大熔融的融质都被挤出熔接界面，使界面间分子温度低于熔接的合适温度，将引起接口质量下降。整个熔接的过程是聚乙烯的温度和作用于熔接端的压力随时间变化的过程。为获得足够的粘流态融质、保证熔接界面分子间相互滑移和分子充分缠结，从而得到一个合格的熔接接口，熔接过程必须满足以下基本条件：a、 清洁的熔接界面；b、 合理的加热温度；c、 合适的外力；d、 充分的熔接时间。2、 聚乙烯压力管道连接技术要求 1、焊接区域内应当防范不良的气候影响：在风雨天气和在零度以下进行焊接时，必须采取适当的保护措施，以保证需要焊接的焊接面有足够的温度。 2、与焊接面接触的所有物件必须清洁，待焊接面在焊接前必须清洁和干燥，需要焊接的部位不能有损伤、破坏、杂质等其它污染物（如油脂，泥土等）3、 对于公称直径小于63mm或壁厚小于6mm的管材或管件，以及焊接端部SDR值不同管材或管件不推荐使用热熔对接连接。4、 熔融指数不同的聚乙烯管材或管件采用热熔对接时，应调整加热温度、焊接压力、熔接时间，并进行实验检查。检查合格后方可进行连接。5、 不同SDR系列的管材管件产品互相对接时，最好是通过机械加工的方法使焊接处壁厚相同。根据实际经验不同SDR的管道连接在工艺控制得当时也能达到目的测试要求。6、 焊接好的每一个焊口，应该有详细的焊接记录，包括环境温度、焊工代号、焊口编号、管道规格、焊接压力、拖动压力、加热板温度、切换时间、吸热时间、冷却时间等。 聚乙烯管道主要连接方法有：热熔连接，电熔连接 和机械连接，其中热熔连接又分为热熔对接，热熔承插，热熔鞍型连接。电熔连接又有电熔承插和电熔鞍型连接。 第二节 聚乙烯热熔对接连接 一、热熔对接焊机具热熔对接连接的主要设备是对接焊机（如图二）。机具一般包括：机架及夹具、液压系统（泵站）、铣刀、加热板及计时装置。热熔对接机具主要性能要求：1、 泵站： 对接焊机泵站为整个焊接过程的动力源，应该包括清晰可辨的压力指示、压力调整方向控制、计时装置等 性能及技术要求：压力表表盘直径100mm，精度等级不低于1.5级，而且应当定期进行校准。计时与报警系统能够满足焊接所需的控制时间参数，以声音或其它方式提醒使用者，所有接头（包括快装接头）不能有泄漏；应保证切换时间在（3+0.01dn)秒范围内,对dn不超过250mm以下,最大6s,dn在250mm以上,最大12s； 图二 热熔对接焊机2、机架及夹具 这些部件的主要作用：夹持管材、管件使其作直线往复运动，并使其能在运动中保持良好的同轴度，并对管材的不圆度进行校正。主要技术要求：夹具：夹具是用来夹持管道的主要部件，部份夹具还要跟随油缸作往复运动，这就要求夹具要具备有足够的刚性，其与油缸支撑处连接必须紧密，保证在整个行程中的轴向线性偏差0.2mm，要求夹具的不圆度0.1mm。机架的稳定性与直线性满足以下条件：在夹持管材时有支撑的架或其它支撑物的情况下（图三），其轴向线性偏差0.5mm;去除支撑后，焊机机架及所夹管材的额外弯曲度应当不超过受力机架测试的值，见下表一： 图三 表一 受力机架测试值要求：管材外径（SDR17.6）250315400500630受力后同轴度（mm）123453、加热板：焊接时的热源，为管道焊接面提供熔化温度主要性能要求：应能在环境温度-1040范围内正常工作；加热板盘面应均匀涂覆聚四肤乙烯（PTFE）等耐高温防粘层，最大粗糙度（Ra）为2.5m；要保证足够的面积向熔接面散热，内边和外边的富余量应该符合以下求，当管径250mm是，富余量应当10mm,当管材外径250mm时，富余量应大于15mm。与管材管件接触的地方不能有划伤及微孔；厚度偏差（即两边平行度），型号250以下0.1mm，250以上0.25mm；加热及感温元件反应要灵敏，温度控制应在7，能够恒温控制在170260的正常工作状态（环境温度在-1040）4、 铣刀 主要用于平整管材、管件待焊接面。 主要技术要求：其动力主要由手枪电钻或电动机或液压马达通过传动变速机构带动铣刀盘旋转。要求铣刀片可能更换，具备铣削量可控功能；应具备双面切削功能，铣削后两个待焊面应该光滑平整，两个端面闭合后间隙应符合以下（表二）要求： 表二 铣削后两端面闭合后间隙值管材管件外径DN（mm）DN225225DN400400DN630待焊面闭合间隙（mm）0.30.51 我公司自行生产的热熔对接焊机规格及用途如下：手动焊机 SHDS160 焊接63160口径管道（手动焊机，不带液压系统）液压焊机 SHD160 焊接63160口径管道 SHD250 焊接110250口径管道 SHD315 焊接160315口径管道 SHD450 焊接315450口径管道 SHD630 焊接355630口径管道 二 热熔对接操作步骤 焊接前准备 焊前准备主要是检查焊接设备是否符合要求，如检查电源、线路；加热板及加热系统是否正常，有无划伤；各连接部件是否松动；液压系统中油箱油液是否充足，各连接油管是否漏油，系统压力是否正常可控；要注意在北方施工时，当环境温度低于0时，建议先将液压油进行加热，使其温度达到30左右再进行开机运行。装夹固定 将待焊接管材或管件端面清理干净再用焊接机具夹具固定，并对长管道进行支撑，以保证良好的对中性能。由于管道在加工制造运输储存中均可能造成一定量的不圆度，所以在装夹管材时在能够保证有足够的焊接行程的前提下，待焊端面离夹具距离越近越好，以使其更好地恢复圆度。铣削端面 放入铣刀，打开铣刀电源开关，使刀盘旋转，缓慢的合拢两待铣削面，加以适当的压力，在两边均出现连续均匀的切削后，撤掉压力略等片刻（铣刀两端均无切削时）退开两待焊接面，停掉铣刀。铣削过程中产生的切削厚度应当为0.51mm为宜，通过调整铣刀片的倾角可以调整切削的厚度。再次合拢对中，查看端面间隙与对中性能，两端面错边量应当小于焊接处管道壁厚的10%，间隙值应当符合前面表二的要求。如果不能满足则应该通过调整夹具的松紧，支撑的高低等进行重新对中校正，并重复铣削过程，直到符合要求为止。测试拖动压力 拖动夹具和管材所需要的压力 该压力最后要叠加到最后的工艺压力上，得到焊接过程中实际的使用压力。加热待焊面 当加热板温度达到设定值，并使其静置一段时间，使其表面温度均匀后，将加热板放入机架内，施加规定的压力，使两待焊接面受热卷边高度达到规定值。将压力降低到规定值该压力为保证两待焊接面能够充分与加热板接触即可，使待焊接面进入吸热阶段，并进行计时。 切换对接与冷却 吸热时间达到后，退开管道，取出加热板，合拢两管端，将压力升到规定值（不能超过规定值），严禁高压碰撞，切换时间应尽量短，不能超过规定值。冷却时间达到后拆卸管道。 三、热熔对接焊工艺曲线图热熔对接焊在工艺上有三个要素，即温度，压力 ，时间。焊接工艺曲线（焊接程序图）实际上是熔接过程压力、时间关系图。目前通常采用的工艺图见下图四， 通常施工温度下工艺参数取值见表三 图四： PE管材对接焊工艺曲线图（DVS20071995） 表三 环境温度为20时HDPE MDPE 管道热熔对接参数 （根据德国焊接协会标准DVS2007-1995） 壁厚en（mm）加热时卷边高度（mm）吸热时间Ta2（s）Ta2=10en最大允切换时间（s）焊接调压时间（s）冷却时间（min）4.50.5455564.571.0457056566107121.5701206868101612192.0120190810811162419262.519026010121114243226373.026037012161419324537503.537050016201925456050704.0500700202525356080Pa1:加热压力;包括拖动压力P0 P0:拖动压力 Pa2：吸热压力 Pf1:熔接压力 Pf2:冷却压力 Pf1:熔接压力 Ta1:加热时间 Ta2:吸热时间 Ta:总吸热时间 TU:切换时间 Tf1:加热时间 Tf2:冷却时间 Tf:总焊接时间 T:焊接温度 四、接缝压力的计算 管材焊接所需要的压力 F1PGA PG ：工艺要求的单位面积所需压力（0.15N/mm2） A：管材待焊接端面截面积（mm2）机架液压系统的输出推力: F2=PS S=（R2-r2） （如果是双油缸系统还应乘以2）P: 液压系统压力（MPa）S:液压系统中油缸活塞的有效面积（mm2） R:油缸半径（mm） r:活塞杆半径（mm）由于F1=F2所以焊接时所需的压力: P1=PGA/s 在焊接过程中最终需要系统焊接压力Pf1（MPa）还应该加上前面所述的拖动压力P0（MPa） Pf1=P1+P0 五、热熔对接焊质量的检查方法 焊接接头的质量本质是承载能力。根据检验的目的不同，要分为工艺上的检验和施工质量检验。其中工艺意义上的主要是为了选择最佳的焊接工艺和接头结构，制定出控制接头质量的方法。施工意义上的质量检验其目的在于对施工过程中对连接质量的控制。根据检验方法不同又要分为非破坏性检验和破坏性检验。工艺意义上的检验多为破坏性检验，而施工质量检验多为非破坏性检验。（一）热熔对接接头可能存在的缺陷 焊件熔接前准备和配合的缺陷：管端加工存在问题，如不圆，不垂直等；连接表面不清洁；轴向偏差过大等。焊口形状的缺陷：主要是扫接口卷边的和结构上存在的偏差。微观缺陷：气孔（制件本身可能产生，在焊接过程中热氧化也可能产生）；未焊透（焊接温度和压力不足，或产生了高压碰撞）；缩孔（人工强制冷却或在寒冷地区施工没有采取措施，还有可能是在保压冷却过程中管材产生了后退）；外来杂质等。（2） 非破坏性检验 主要手段为目检，即外观检验。目前超声波检验和X射线检验也有使用，特别是这几年超声波检验发展较快，用以检验内部缩孔杂质等。 1、外观检验 用肉眼对整个接口进行外表观察。可以直接发现焊件准备前和配合上的缺陷，以及焊口形状的缺陷。主要焊接缺陷及原因见图（1） 合格接口的典型特征A 焊缝两边均匀地存在圆形卷边，卷边表面应光滑饱满。B 管道错边量不能超过管材壁厚的10%。C 焊缝底部不能低于管体。当热熔对接的是管材和管件时，管件端的卷边可能出现形状不规则的情况，这是由于管件注塑成型工艺特点造成的，这时只需要检查管材端即可。另当两种材料MFR（熔体流动指数）相差较大时也会出现宽度不均等情况。这时应该在焊接前先焊接试样进行检验后方能焊接。（2）典型缺陷接口说明 图五 图六（4） 切下卷边的检查因工程需要，如用做内衬的PE管有时可能要求除去外卷边；有时为减小管内介质的流动阻力，可能要求除去内卷边；有时，也仅为控制施工质量而切下卷边，切下的卷边，可用卷边尺测量卷边宽度。卷边宽度和外观应符合前述要求。检查卷边是否有污染、孔洞、熔体破坏等。 图七 卷边的切除 接着可对卷边进行“后弯”试验。用手指按住卷边外侧，将卷边向外弯曲，在弯曲过程中，观察是否有细缝状缺陷，如图，说明加热板可能存在细微污染。 图八 卷边的测量与后弯超声波检验 超声波检验是根据超声在介质的分界面上的反射和折射性质。通常的超声波检验方法有两种；回波脉冲法和阴影法。对熔接接头主要采用回波脉冲法进行检验。由于在实际施工过程中使用很少，在此不做过多的介绍。（3） 破坏性试验破坏性试验有三种；分别为：拉伸试验、弯曲试验、长期试验。三种试验均须在实验室或特定仪器上进行，在此不做详细介绍。美国塑料工业协会提出了一种简单的可以在施工现场应用的破坏性试验方法，叫做“弯测试带试验”，具体操作方法如下: 弯带测试用的试样来自一个专门制做的试验性对接接头，通常是当天焊接的第一个接头，并要求将该接头冷却到周围环境温度。从此试验熔焊管材上切出一测试带（沿轴线方向切除），测试带的长度至少是6英寸（152.4mm）或15倍管材壁厚。宽度为1英寸或1壁厚。试样制作好后弯曲测试带，使其两个端接触。如果焊接区有任何开裂或孔洞，说明焊接不合格，应确认当前环境温度及调整焊接工艺，并重新进行试验。直到合格为止。需要提醒注意的是厚壁管件弯曲时需要很大的力，弯曲时可采用必要的工具和进行必要的人身安全防护。第三节 PE管道热熔承插连接（同样适合于聚丙烯） 一 热熔承插连接的基本要求1. 对于公称直径DN大于125mm的管道不推荐使用热熔承插连接，其中直径小于75mm的管道可以直接手功承插连接，对于直径DN75mm的管材管件推荐采用机械设备进行连接。但在实际施工过程中采用专用机械设备的很少，实践证明在操作得当的情况下进行手工焊接的接头仍然是可靠的。2. 温度低于4时不推荐进行PP管道的承插焊接。对PE管道的焊接也应 当采取适当的保温措施。 二、热熔承插焊设备及要求 热熔承插连接主要设备为承插式焊机（见图九），其主要由加热板，温度调节控制系统，连接模具，行走机构（机械式焊机具备）等。在国内还没有制定承插焊机的国家标准，所以市场上的焊机也有多种型号，在选用时尽量选择温度可调节的焊机，而不推荐采用自动控温焊接机。在没有国家标准的情况下，选用时尽量参考国外相关标准，如美国材料测试协会编制的ASTM F1056（聚乙烯管材管道和管件承插焊用承插熔焊机的规范标准） 图九 手提式承插焊机 图十 机械式承插焊机1、加热板及加热模具：加热板与加热模具之间应能够紧密接触，以保证热量均匀有效的传递。加热模具表面及内孔均应光滑平整，与待焊接面接触的地方不能有划伤等缺陷，要求表面粗糙度（Ra）与对接焊机加热板一样为2.5m,并要求涂覆均匀的聚四氟乙烯（PTFE）防粘层。 2、温度控制系统与计时装置：其技术要求与前面所讲的对接焊机要求相同，在此不做赘述。机械式承插焊机：要求其有好的同心度，具体要求可参看对接焊机具。三、热熔承插焊接操作步骤1、焊接前准备 检查焊机温控系统是否可靠，用专用螺钉将两个加热模具固定好。检查模具表面有无杂质、油污、划伤等情况。加热温度达到后，应再次用扳手旋紧固定螺钉。2、平齐和预处理管端头 焊接前应用专用管剪将管材端头切削平齐，要求管端要与管材轴线垂直。不推荐用锯削的方式。由于PP管在进入冬天后就会呈现脆性，所以在运输过程中防护不当时端面容易出现细小裂纹，在焊接前应去除管端，对于PE管材，去除管道主要是保证管材有良好的圆度。 对管材端面进行倒角处理，一般要求角度不小于30且倒角长度不超过4mm。进行倒角处理的管材焊接更加轻松，接头焊缝更加美观。3、清浩管材、管件待焊接面。 标记焊接时插入停止点 用记号笔在管材外壁上标记好需要焊接长度。并可以在处加设管材复圆工具。 4、 加热 检测加热温度是否达到,在环境温度为20时，对于PE80和PPR推荐焊接温度22010，PE100级管材管件23510。要经常使用高温计或其它表面感温计来测量和校准模具温度。当温度到达后应等几分钟再开始焊接操作，以使模具温度均匀。将处理干净的管材和管件分别插入模具中，插入到标记线时停止插入并进行吸热。PE和PPR管道承插连接的推荐工艺分别见表，材料不同加热工艺也不尽相同，应当参照生产厂家指导进行操作。5、焊接 吸热时间达到后，用一个很快的动作快速地将加热工具同管材管件移开，并检查有完整性，并迅速将管材稳地插进管件的承口中，直到插入标记线为止，该切换动作应当在规定时间内完成，同样见表。在管材插入后，不要拧动管材或管件，在插入的过程中可以有小范围的相对调整，以保证直线度。6、冷却 固定住管材管件以使管材管件在冷却过程中不会产生相对移动，影响焊接效果。四： 热熔承插连接曲型工艺参数 表四 PE 热熔承插连接曲型工艺参数管外径（mm）加热时间（s）加热长度（mm）最大转换时间（s）最小冷却时间（min）SDR11SDR17.6最小最大20512.014.54225713.516.04232815.618.1644012 18.020.564501821.023.564632424.927.4867530152630869040222933861105030333710812550303640108 表五 PP管道热熔承插连接典型工艺参数管外径（mm）加热时间（s）最小承插深度（mm）最大转换时间（s）最小冷却时间（min）SDR11205114225712.54232814.6644012176450182064632423.986753027.510890403210811050381510 5、 承插焊典型缺陷（见图十一） 图十一第四节、电熔连接（电熔焊） 焊接原理：预埋在电熔管件内表面的电阻丝通电发热，使电熔管件内表面和承插管材外表面达到熔化温度，并产生压力，冷却后融为一体，达到熔接目的。1、 焊接范围GB15558.12003标准规定的所有规格系列的管材及GB15558.2-2005标准中的规格管件（见图十一）的连接。建议：63mm规格管材最好使用SDR11系列。2、 全自动电熔焊机的一般要求 具备通过扫描仪（读码器）自动输入；和手动输入焊接参数的功能主要执行标准为ISO121762国际标准。输入和输出电压超出焊机规定的范围，或不符合电熔管件制造商所要求的条件时，焊机能自我保护不进行熔接。能自动储存至少250条熔接数据的原始记录，可以查看或打印。按停止键开关熔接可立即中断。电熔管件断路时焊机能提示并且不工作。显示屏在阳光下或柔光下数据清晰可见。应当配备精度1的环境温度传感器，根据环境温度的变化，设置在自动档时能自动进行焊接补偿。焊机正常工作温度范围应当为-10+40。输出电缆2.5mm；输入电缆3mm；与电熔管件连接的输出接头接触良好，并且有保护措施，以免操作人员人体接触触电。应当具备管理功能（超作密码），拒绝无证的操作人员操作。还应当具有资料输出功能，即要以与计算机进行连接或资料交换。以方便资料存档。3、 电熔承插焊的焊接操作过程 图十一 电熔管件（1） 焊接前准备：测量电源电压，确认焊机工作时的电压符合要求；清洁电源输出接头，保证良好的导电性。检查焊机是否完好.（2） 管材截取：截取管材端面，使端面与管材轴线垂直,其误差5mm见图十二。对管材端面进行倒角处理，倒角大小应当参照前面所讲的热熔承插连接要求。（3） 焊接面清理：测量电熔管材的长度或者中心线，在焊接的管材表面上划线标识，将划线区域内的焊接面刮削0.10.1mm厚，以去除氧化层（见图十二）。（4） 管材与管件承插：在管材上重新划线，位置距端面为1/2管件长度。（如三通管件则要除去旁通直径）,将清洁的电熔管件与需焊接的管材承插，保持管件外侧边缘与标记线齐平。如遇管材不圆,则还应该使用复圆夹具。安装好电熔夹具，不得使电熔管件承受压力。承插过程中不得使用大力敲击管件，防止内部电热线受损或短路（5） 输入接头连接：焊机输出端与管件接线柱牢固连接，不得虚接。（6） 焊接模式设定：按焊机说明书要求，将焊机调整到“自动”或“手动”模式。（7） 焊接数据的输入：按自动（条型码）或手动方式输入焊接数据。（8） 焊接：启动焊接开关，开始计时：手动模式下焊接参数应当按管件产品说明书确定。（9） 自然冷却：冷却时间应当按管件产品说明书确定，冷却过程中不得向焊接施加任何外力，完成冷却后，拆卸夹具。 图十二 4、 电熔鞍形管件的焊接操作过程（管件图样见图十三）（1） 焊接前准备：同上。（2） 划线：在管材上划出焊接区域。（3） 焊接面清理：将划线区域内的焊接面刮削0.10.2mm厚，以去除氧化层，刮削区域应大于鞍形边缘。（4） 管件安装：用管件制造单位提供的方法进行安装，确保管件与管材的两个焊