浅析钢骨架聚乙烯塑料复合管焊接工艺

0  引言

PE管道是以高密度或中密度的聚乙烯原料生产的新型管材，钢骨架聚乙烯塑料复合管是一种技术含量高、双面防腐、耐压的新兴复合管。这种管材以表面经过特殊加工处理的钢丝按经、纬方向点焊成网作为增强项，管内外壁均以高密度聚乙烯为基体，采用真空挤塑技术与塑料挤塑拉膜技术加工而成的复合管道。

钢骨架聚乙烯塑料复合管的基体材料高密度聚乙烯具有很好的化学稳定性、机械强度、耐寒度、电绝缘性、辐射稳定性、无毒性(绿色产品)、比重小、强度与重量比值高、脆化温度低(-80℃)和韧性优良、耐冲击、耐蠕变性，因此钢骨架聚乙烯塑料复合管集抗腐蚀性、耐磨性与耐压于一体，摒除了钢制管道耐压不耐腐，塑料管道耐腐不耐压、钢衬塑管道塑料与钢管脱层、钢涂塑管道易磨损开裂、玻璃钢管施工条件苟列、抗冲击性能差的缺点，是一种具有广阔应用前景的新兴管材。但是在实际焊接过程中往往因为参数选择不合理或操作不当，严重影响焊接合格率，不但影响了PE管的应用，同时没有检测出来的焊接缺陷也为工程质量埋下了隐患。

1  PE管道焊接原理

1.1  PE管焊接原理

聚乙烯管电熔焊接的原理是用电熔焊机给镶嵌在电熔管件内壁的电阻丝通电加热，其加热的能量使管件和管材的连接界面熔融。在管件两端的间隙封闭后，界面熔融区的熔融物在高温和压力作用下，其分子链段相互扩散，当界面上互相扩散的深度达到了一定的尺寸，自然冷却后就可以得到必要的焊接强度，形成可靠的焊接接头。电熔连接是电熔管件在电熔焊机的支持下连接管材的一个过程。

根据电熔焊接原理和国内外的实践经验已经证实，能否形成管道可靠的焊接连接，主要由电熔管件的设计、电熔焊机提供的电源电压的稳定性、管件和管材的材料性质、管件和管材连接界面的预处理状况、管件和管材连接界面间的缝隙宽度和均匀性、管件和管材的对中和夹持稳定状况、焊接工艺参数(如电压、时间等)、焊接时环境温度、操作人员的水平等因素决定。

2  电熔焊机及辅助设备机具简介

2.1  电熔焊机

电熔焊机的作用简单来说就是将电网或发电机电源经过降压变换控制后输入到电熔管件电阻丝的一种电力电子设备。

图2.1电熔焊机外观图

电熔焊机性能主要有以下几个方面的要求：

1)、结构设计，电熔焊机的外壳防护等级达到IP54,同时应具有防止踫撞的保护措施。

2)、性能指标，电熔焊机的性能指标主要是输入电源范围、能量输出精度、有效值控制、能量补偿功能几个方面。

3)、安全防护，电熔焊机是用于野外施工，因此，必须有安全防护措施，这主要体现在输出电源的绝缘保护及管件阻值检测上。

4)、焊接可追溯性，由于聚乙烯管道系统的特殊性，要求其每次的焊接数据都必须可以追溯。

2.2  辅助机具

在聚乙烯管道系统的焊接过程中，一般还用到热风机，老虎钳，磨光机、专用磨光片、拉伸组对器、平板尺、木锤、固定夹具、吊装带等配套工具，这些配套工具的使用保证了PE管道的焊接质量。

3  焊接常见缺陷的类型及分析

3.1  电熔管件焊接时短路，过熔。

电熔管件焊接时短路，过熔直接影响焊接质量，导致整体管线安装不合格，属于严重质量问题，最经常的原因是管子在管件内的定位不正确：插入深度未到位，轴向未对中等：或管子与管件尺寸配合出现较大偏差，如管子的不圆度严重超标。另外还可能是由于电熔管件和管材连接处有水分或者加热时间过长使得电阻丝在管件内部游动时两根接触，瞬时加热造成局部碳化也会造成短路。造成管件内电阻丝挤出管件端口，接缝处有喷射状熔融物溢出。

3.2  结构畸变

在焊接过程中，如若聚乙烯管材和管件安装不当，就会使焊接接头丧失保持原有结构的能力，具体表现为电阻丝错位，承插不到位或不对中。

对于管材直径较小或是管材与管件配合较紧的接头，熔焊区压力过大时，电阻丝就会在聚乙烯熔体的带动下产生位移，水平间距发生不规则变化，这种现象称为电阻丝错位；若待焊管材与套筒没能实现紧密有效的承插装配，就会使聚乙烯熔体在焊接过程中流出焊接区域，焊接前两段待焊管材没有固定致使管材不在同一轴线上，会导致部分焊接界面的强度不足，形成安全隐患。

这些缺陷主要是人为因素的影响，为此在焊接操作时应严格按操作规范进行，承插管材和套筒后必须保证同轴度。

3.3  过焊

焊接输入功率过高，焊接时间过长或装配不当时，焊接过程中电阻丝的温度过高，就会使其周围的聚乙烯因过热而断链裂解，产生相对分子质量较低的聚合物，在焊接熔焊区产生不连续区域，降低了材料的性能，焊后接头易发生失效。

过焊接头的聚乙烯分子链达到了一定程度的缠结，可承受低于标准的载荷，但长期使用性能并不能符合要求，使用一段时间后易破坏。

3.4  熔合不均匀，夹杂

融合不均匀，影响管件连接强度，对以后使用过程中有质量隐患。可能原因管件和管材连接处打毛不充分，或是打毛后未对打毛处进行清洁处理，连接处有油污，水和泥沙，也有可能是未及时根据现场温度和施工环境对焊接参数做出相应的调整。管子在管件内定位不正确也会造成接头处熔合不均匀，影响焊接质量。

4  焊接工艺

4.1  基本要求

电熔管件应保护好包装，直到使用时方可拿出。在开始焊接前，管件内表面应保持干燥、清洁。

4.2 打磨

对于需要切口的管材，用塑料管材切刀或带切削导向装置的细齿锯切断管材，必须确保其端面垂直于管材轴线，不能有斜口。用小刀切除内、外部边缘的毛刺。同时用老虎钳将管槽中钢丝圈取出，并用热风枪将焊丝熔敷在凹槽内。

为了提高熔接性能，安装电熔前应将管材的熔接面除去氧化层。采用适当的工具，DN50～200的宜采用手刮刀(玻璃片)，由于小口径管壁较薄，只要去除氧化层为宜；DN250～500由于口径大，面积大，宜采用打磨处理，提高效率。去氧化层时应均匀刮整个周边，面面俱到，不允许漏刮。刮削长度到管件端头标记处为宜。管件内壁同样的需做清洁处理，小口径的采用酒精擦洗，大口径的可采用刮去表皮处理，由于管件内壁布有铜丝，宜采用手工刮削，不宜用电磨处理，用电磨时，要用软磨片，避免铜丝露出。

4.3  组对

用打毛处理好的电熔套筒连接管材两端，将管材或插口管件插入到电熔管件承口区域，检查管材或插口管件上的插入深度标记线，同时，使用拉伸器和吊装带固定管件，调节拉伸器以保证管材两端均匀插入电熔套筒，必要时可以使用木锤对电熔套筒四周进行捶击，使管材端部插入电熔套筒长度的一半为宜，同时要确保管材、管件的同心度，确保管材承插到位，保证熔接质量。如果承插不到位，加热部分露空，融熔接面积减少，承压能力大大降低，且焊接过程中管材从电熔管件中受熔融料压力外移，管件内将会塑料熔塌，造成管件焊穿。同时，在组对过程中要保证端部打毛部分的清洁度。管材必须插到位，并使管材与管件保持平行，为了确保管材的穿插到位，需在插口端做好插入深度标志。同时要合理掌握插口端氧化层的刮削量,严禁用重物敲击过量装配。

4.4 焊接过程

4.4.1 接电源，调整参数

焊机使用的电源有220V及三相380V两种，使用前务必核对清楚。所使用的电缆至少3×6+1mm2规格，如输送的距离过长，电缆需适当加粗，减少线损。同时影响焊接质量的主要参数为电压，熔接时间.

4.4.1.1电压波动对接口质量的影响

给定的电熔管件内电阻丝电阻值一定，因此，电阻丝的发热功率完全取决于电源提供的电压，故焊口的质量会因电压波动影响加热功率而变坏。过小的焊接电压导致热输入不足会使电熔接头冷焊，管材和套筒不能有效熔合，易发生脆性破坏，过高的电压会造成过焊，电阻丝发生错位偏移，过高的热输入使熔融面的聚乙烯劣化，接头强度低于正常的焊接接头，受力后在管材处发生破坏，因此熔接电压对接口质量起到很大作用。

4.4.1.2 熔接时间对接口的影响

每个规格的电熔管件所需的热量范围都是固定的，过多或过少的热量都将对焊接质量产生致命的影响，而在焊接电压和管件电阻固定的前提下，焊接时间是管件发热量的主要决定因素。

因此在焊接过程中调节电压和焊接时间对于焊接质量起到非常大的作用，参考厂家给的工艺参数及现场实际的情况，并通过多次试验，优化焊接参数，对电压和时间做出一定的调整。如表4.1为优化过的焊接参数。

表4.1优化的焊接参数

说明：U1焊接过程中预热电压，T1为预热时间，U2干燥电压，T2干燥时间，U3焊接电压，T3焊接时间。

4.4.2 操作过程

焊接按起动“按扭”时，待起动后，按“确认”，对焊机进行调试，是否能正常工作。确认焊机正常工作后，按“编程熔接”如图4.2步骤1,并输入管径开始进行焊接如图4.2步骤2按“熔接”，进入自动熔接阶段如图4.2步骤（3，4），第一阶段预热过程，第二阶段冷却，干燥过程，第三阶段熔接过程，然后进入自然冷却过程，焊接完后在冷却过程中要让接头处于自然状态，且应保证冷却过程中不受任何外力作用，不得移动、转动接头部位及两侧管道。防止因为焊接后外力作用破化接头处的强度和焊接质量。

完成焊接后，卸除输出线与管件的连接。观察管件的温度是否正常，左右前后温度有无较大差异，冒料是否影响美观。如有不正常现象应给予当场切除处理。在焊接过程中密切关注焊接进展情况，适当保持人身、设备与焊接件间的距离，防止由于不正当操作等原因造成的意外事故对人身和设备的损伤。

5  结论

通过对焊接中常见缺陷产生原因的分析，制定出了一套PE管电熔焊接的操作程序。

通过焊接实验，优化了焊接参数，提高了焊接合格率。在福州项目已完成的5653米的给排水管线及329米的工艺污水线均为PE管，通过对焊接中常见缺陷的分析，调节电压和焊接时间，优化焊接参数，并在焊接过程中严格执行规范，减少了焊接缺陷，合格率达到100%。

本文总结出的PE管焊接程序和要求值得在以后的工程中进行推广应用。

参考文献

[1]GB/T13663.2-2005 给水用聚乙烯管件

[2]《钢骨架聚乙烯塑料复合管的特性及施工方法介绍》

[3] GB/T 20674.2-2006塑料管材和管件聚乙烯系统熔接设备第2部分：电熔连接：