聚烯烴管道系統連接技術探討

                                                                                            聚烯烴管道系統連接技術探討
   

      公司從產品推向應用之時，就十分重視管道系統的連接問題。幾年來的應用實踐表明，在工程上即使使用完全符合標準的管材、管件、閥門等單元產品而連接不可靠，也不能組合成理想的管道系統。所以，要想使管道系統完善，可靠，必須從應用的角度出發，把管道的連接作為重要環節，加以高度重視，努力提高管道連接部分的使用壽命，使之與管材等組成單元的壽命同步，使整個系統使用**，避免發生管道泄漏事故。
   考慮到聚烯烴管道可以熔焊連接這一共性，下面，我們從使用的角度出發，把我們解決PE管道連接問題的基本思路和方法介紹一下，供從事聚烯烴管道的業內人士參考并指正。
    一、壓力管道連接問題：
   壓力管道在使用中，主要是校核和控制環應力，連接部份與管材承受環應力的能力和使用壽命，應盡可能一致，這是我們解決連接問題的基本思路，并以此觀點分析、論證PE壓力管道的基本連接方法：熱熔焊接和電熔連接。
    (一)、熱熔焊接：
   熱熔焊接技術的關鍵是：在連接過程中，必須在連接界面處，建立起分子相互穿透，相互纏結的條件，以形成可靠的分子間相互作用，為此，要注意解決好以下幾個問題：
   l、注意兩被連接件材料的可焊性，如果兩被連接件為同類材料但牌號不同，其熔體流速等性能必須相近，并用試驗驗證。不同材質的管材管件不能熔焊連接。
   2、選擇好特定條件下有利于形成分子纏接的焊接溫度，壓力和時間三參數的*佳組合值。在對接焊工藝中，如何合理控制上述三個參數的調控尤為重要。不加分析地硬搬德國或美國發表的對接焊工藝參數，不一定有很好的效果。把他們兩國發表的溫度、壓力和時間三參數進行分析和對比，發現他們之間的這些參數有很大的差別。例如：壓力參數，德國推薦的是0.15-0.18mpa美國推薦的是0.4l-0.62mpa。美國MCELROY公司認為：壓力高、容易將焊接界的污染物排出，可避免在界面出現裂口，可以減少冷卻時間，提高工效。在施工時，焊接壓力受焊接系統拖動時的影響較大，如果焊接壓力過低，將影響焊接質量；而高壓時，其壓力受這種拖動阻力的干擾較小，不會因拖動阻力的變化而影響焊接質量。但我們要特別注意的是：高壓力容易將熔融物料全部擠出連接界面而形成假焊。PE壓力管道在德國和美國都使用了很多年，他們用這兩種不同的工藝壓力所進行的焊接，其質量都已經過各自的實踐驗證。從他們的實踐證明了PE管道的熔接壓力區間較寬，同時也提醒處在發展中的中國管道產業在實驗驗證方面還必須作大量的工作。MCELROY公司的這個經驗在工程施工中有著重要的意義。MCELROY公司的特德先生今年二月在南京時曾對筆者說，他在參與ISO國際
標準的編制，國際專家們對工藝壓力的大小問題，已有相互理解的氣氛。(看來，可能在高壓力和低壓力參數之間確定一個數值，達成共識，再編入相關ISO國際標準)。
   對于溫度參數，擴散理論認為PE材料必須在相互焊接的界面之間充分擴散，才能取得很好的連接強度。溫度提高，增強了分子活力，在PE粘流態狀態下，提高溫度可以提高焊接質量，但是溫度過高，會導致熱氧化降解。另外，在確定工藝溫度時，要把加熱溫度和時間聯系起來，因為分子擴散不但和溫度有關，還和擴散時間有關，當分子擴散時間較長時，可以把熔接溫度適當降低一些。按照ASTMD3350所規定的條件進行實驗，在195-245℃范圍內，配合其它相適應的條件，也可得到較好的焊接效果，但是要控制在所用材料的氧化誘導期的范圍之內。
   對于大口徑厚壁管的對接焊，隨著管材直徑和壁厚的增加，要降低焊接溫度，我們要選用氧化誘導期長，熱穩定性好的管材專用原料，焊縫質量容易保證。
   加熱溫度、工藝壓力和時間三個參數中，任何一個參數的變化都可能影響熔接界面晶區結構的形成，影響連接的質量。我們從美國和德國標準差別很大這點，可以得知，PE管道連接的三個參數，其工藝范圍是比較寬的，這三個參數可以通過數值的調整而達到平衡。我們應該關注的是適合自己所使用的材料，熔接設備及熔接時的環境(氣溫、風力等)等情況下的三參數之間的相互關聯，相互作用的*佳組合。
   這是一項比較復雜的工作，也是我國PE產業界必須認真做好的工作。為了盡快做好這項工作，需要原材料廠、管材、管件廠、熔接設備廠，工程施工單位和科研單位多作一些研究試驗工作，使我們進一步加深對熱熔焊接的機理的理解，加強交流，聯合攻關，提出我國熱熔焊接工藝參數推薦值，這些工作在德國是由DVS牽頭，美國是PPI牽頭的，我國該由誰來牽頭呢?(我國相當的組織有：中國焊接協會塑料焊接分會、中國塑料加工協會塑料管道專委會、中國塑料標準化委員會塑料管材、管件、閥門分會)。
   9月26日，中國塑料管材、管件、閥門分會在審查PE給水管標準時，由于對焊制管件還有很多問題不太清楚，從國家標準的角度考慮，可能在新的給水管件的國標中暫不考慮焊制管件。正在編制的PE燃氣管件的新國標，可能也不會考慮焊制管件。
   目前，已有一些對PE壓力管道的連接有一定認識的用戶，他們要求管材廠家配套供應管件等配件，這是一個十分可喜的進步，希望管件廠家一定要與管材廠家密切配合，*好能用同樣的原材料或有很好的熔焊兼容的原材料。看來，提高用戶的認識水平，也是推動PE管道產業健康發展的重要手段之一。
   PE管道系統是一個大產業鏈，是一項系統工程，而“連接”是管道系統的薄弱環節，為了推動這個產業的健康發展，必須重視“連接”這項工作。為此，PE管材廠應做更多的工作，把好幾個關口，有選擇地購進原材料，規范加工出合格產品，合理配套后供應給用戶。我們要認真地、盡其所能地做好連接三參數*佳組合的評定，提供工程施工時連接參數的質量控制要求和注意事項。
   在這里還要提出的是在評定焊接質量時，只作在23℃下單一的單軸拉伸試驗是不夠的，因為焊區的材料在焊接冷卻壓力下重新結晶，其結晶度和取向度均有所提高，拉伸程度也有所提高，通常采用靜液壓試驗來評定接頭的長期性能。而對于焊接成型的三通，即使用靜壓實驗也很難對接頭的長期使用強度進行準確的判定。實踐證明，無論PE管道*終的失效形式如何，其起因都可歸到裂紋的緩慢擴展上。鑒于這一緩慢擴展過程主要源自粘彈性管材的蠕變。所以為保證壓力管道的**使用，還需要對包括蠕變在內的管材焊接接頭的基本力學性能進行評價。
   四川大學高分子材料實驗室，采用自制設備對焊接接頭進行全切口蠕變實驗，來判斷焊接接頭的力學性能，取得了較好的效果，對焊接性能的評價很有意義。
   3、在對接焊工藝中要選用合符ISOl2176-1熱熔對焊機標準的焊接設備，才能控制好設定溫度和壓力參數。
    4、熱熔焊制管件的**系數。
   目前，我們對熱熔焊接**系數的研究較少，德國里茨公司提出等徑焊制三通的**系數為0.56；澳大利亞塑料工業協會提出焊制三通的幾何**系數是O.6，我們必須要重視這個問題，生產廠家必須要通過工藝評定來確定焊制管件的**系數和合適的壓力等級，再應用到管道系統中去。目前解決這個問題的方案可能有以下幾種：(1)采用轉角處加厚的管件(2)用厚壁管材加工管件(3)在現場安裝之時，可以采取將高壓應力處包扎等增強措施，并用水泥沙漿澆鑄的簡單辦法加固也行。
   對于有高**要求的壓力管道如燃氣管道，在焊制三通的焊接質量未得到有效保證時，使用要慎重。在此建議大家都來關注這和研究焊接口的**系數問題。
   上述著重探討了對接熱熔焊的有關問題，但承插熱熔焊與對接熱熔焊存在共性，同樣應注意對溫度、壓力和時間的調控，才能保證焊縫的質量。
    二、電熔連接
   電熔連接的關鍵，首先是選擇合符標準的管件、管材，**是連接件的連接界面間的間隙一定要適當，要選擇小于管材外徑尺寸2％的一個恰當的間隙值。不同規格尺寸的連接有各自的*佳間障值，該間隙值由管件制造廠設計、試驗確定。
   電熔管件的實際幾何尺寸參數一般由管件制造廠提供，并規定其使用符合IS012176-2標準的電熔焊機，要注意的是電熔連接要在焊接前**熔接表面的油污、雜質和氧化皮，在管材外表面刮削氧化皮時，要注意保證工藝要求的*佳間隙值，不能過度刮削，以確保當連接界面溫度達到規定值時，由物料膨脹所建立起的熔接壓力在整個熔接界面是均衡的，使分子鏈較均衡地擴散、纏結，在保證足夠的冷卻時間后，才算完成了電熔連接。
   電熔連接過程較之熱熔對接的操作要簡單一些，但對管件制造廠提供的熔接參數和相匹配的焊機，要與自己所使用的管材的特性和連接柱狀界面的幾何尺寸、間隙結合起來，按照IS0標準的試驗方法進行試驗、檢查、判定之后再制訂各規格電熔連接的工藝參數，操作規程和注意事項。
   電熔連接對管材、管件的幾何精度和尺寸精度提出了較高的要求，如橢圓度，直徑的尺寸精度等，以使兩界面的配合時，在整個連接柱面有均勻的間隙，從而保證電熔連接過程中，連接界面都保持有均衡的熔接壓力。
   近十年來，國外電熔連接技術有很大發展，由于電熔管件和電熔焊機的匹配發展，使電熔連接技術不斷完善，成為埋地燃氣管道的重要連接手段。
   綜上所述，熱熔焊接和電熔連接是聚烯烴材料本身性質和物理條件所允許的。熔接過程是一個物理變化過程，只要獲得足夠的粘流狀熔質，保證熔接界面分子間相互滑移和充分擴散、纏結，形成有效的分子間作用，就可以獲得一個可靠的接口。為此，必須把握好熔接過程的質量控制和監督。
    三、PE結構壁管的連接問題
   PE結構壁管用于排水主要是承受外壓，管材要有足夠的壞剛度，管道與周圍土壤共同作用，完成使用功能。因此，管道的連接部位要能承受徑向變形和角度偏轉而不發生泄漏。從PE結構壁管的縱向剖面看，結構形式多樣，其連接的結構形式也有多種，我們認為，從使用的角度出發，凡是符合標準的要求，能與管材一體完成使用功能。在服役期不泄漏的連接，就可以應用于工程實踐。
   目前，PE排水管的主要連接有承插式密封圈連接，電熔連接，熱熔連接，熱風擠出焊接，熱收縮管(套)連接，機械連接等連接形式。選用連接形式時，必須根據各自結構壁管的結���特征，特別是外形特征，按照標準進行試驗評定。制訂出所選用的連接方法的工藝參數和操作規程。例如我們用輻射交聯聚乙烯熱收縮管連接的縱向剖面是波紋形的管材，就是較好的連接方法之一。因為連接用的熱縮管(帶)可以加熱收縮成外形與管材波形形狀一致的連接，緊緊包覆于外表面上。交聯后的聚乙烯熱縮管的性能優于PE管材的性能，兩接觸面之間，又有高強度的專用熱熔膠層。實踐證明，這種連接美觀、可靠、可以使分段的管材連接成一條整體的柔性管道。這種方法，特別適用于穿插改造已損壞的水泥管。森普公司于2002年9
月在西南建筑設計院內，將內徑為φ225m的雙壁波紋管在地面用熱收縮管連接后，穿插于己損壞的φ300衄的水泥管于兩檢查井之間，達到了用戶滿意的非開挖修復效果．
   下面簡述一下PE結構壁管與檢查井的連接問題：
   解決好PE結構壁管與檢查井的連接，是推廣應用PE結構壁管的關鍵技術問題之一。要解決好該連接，必須解決好PE結構壁管的線性膨脹變形問題，不能照搬水泥管與檢查井的連接方法，必須要有彈性的環節以適當變形，使連接不會因線性膨脹而遭破壞，造成連接處泄漏。
   此外，采用塑料檢查與柔性管道一體化，可能是發展方向。在這方面上海走在前面，荷蘭也有公司在我國推廣。四川省建委在10月10同組織討論PE埋地排水管工程技術規程時，設計院和幾個生產廠家都表示要加快速度，合作研制塑料檢查井，并盡快應用于工程實踐。
   PE管道在我們國家還是新興的產業。我們一開始就從產業質量控制鏈的角度出發，努力掌握管道系統的關鍵技術——連接技術。在工程施工上，我們強調對工程施工人員進行認真的培訓和嚴格的技術考核和評審。我們應該學廊坊石油管道局培訓鋼管焊工的經驗，建立培訓基地，對施工人員進行培訓和考核，做到持證上崗。這個持證上崗的觀點，正在逐步被用戶接受。公司9月22日-26日在德陽會同四川省水協初次舉辦了PE管道施工技術培訓班，原計劃初次辦班*多收五、六十人，結果出乎意料地來了壹佰貳拾多人。只好應急將學員分為兩班，分別進行理論課和實際操作培訓，取得了較好的效果。