電熔管件的設計與應用分析

摘要：隨著城鎮化的加速，電熔管件的需求量越來越大，質量參差不齊的電熔管件涌入市場應用中。針對此狀況，對電熔管件的設計與應用非常重要，以使其對提高電熔管件的質量有指導與借鑒的意義。文章分析了電熔管件的技術特點，闡述了電熔管件的電氣性能與幾何結構及實驗設計，并根據電熔管件的工程經驗對電熔管件的常見問題點與工程問題管件的分析步驟予以概述。

關鍵詞：電熔管件;聚乙烯管件;電氣性能;實驗設計;時間參數;電阻參數 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ320 文章編號：1009-2374（2015）02-0068-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0132

目前市場上電熔管件的各個廠家的設計各有不同，如對同一型號規格的管件，時間參數、電阻參數等各不相同。但具體分類可以從電阻線情況分，一種是對電阻線過塑處理置于管件內，另一種是電阻線不處理直接置于管件內;從加工形式工序分，一種是先成型管件毛坯，然后將電阻線布置于管件內，一般又叫后布線工藝，另一種是形成內腔用于布線的載體，然后注塑成型電熔管件，一般又叫二次成型布線工藝。隨著城鎮化的加速，電熔管件的需求量，越來越大，質量參差不齊的電熔管件涌入市場應用中。針對此狀況，對電熔管件的設計與應用非常重要，以使其對提高電熔管件的質量有指導與借鑒的意義。

1 電熔管件概述

能通電加熱集成在PE材料焊接表面的電阻線圈，利用焦耳效應、引起的線圈附件PE材料融化，使兩個產品融合在一起的產品。電熔管件遵循的主要標準：國家標準是燃氣用聚乙烯（PE）管道系統（第二部分）（GB 15558.2-2005）;給水用聚乙烯（PE）管道系統（第二部分）：管件（GB/T 13663.2）。該標準是對該行業或領域的統一和規范，對電熔管件而言，該標準是對產品設計制造檢測和應用的技術規范和判斷的準則。

2 電氣性能設計

熔融結合管件內壁與管材外壁的聚乙烯材料所需要的熱量Q1與通過電熔焊機加熱電熔管件內電阻絲所產品的熱量Q2建立合適的平衡方程。其中Q1主要由熔區的寬度、熔區的深度、管件口徑及聚乙烯的材料配方決定，Q2主要由管件的電阻線的電阻值、焊接時間、焊接所用焊機器的輸出電壓或電流參數決定。目前市場上所用的焊機有恒壓式和恒流式兩種。恒壓式一般輸出電壓有39.5伏和80伏兩種。這一平衡方程決定了合理選取熔區寬度與深度，電阻線絲的電阻與焊接時間的關鍵參數的相對關系。熔區越寬，電阻線布置越深，所熔的聚乙烯材料越多，所需的熱量越多;一般管件口徑越大，電阻線直徑約粗，管件布置電阻線的間距越大。目前市場客戶對熔區長度的參數與焊接時間參數控制比較嚴格。

對最小電阻的考慮：焊機的最大輸出功率P，焊接電熔管件的工作電壓U，這兩個參數基本可以確定管件設計要求的最小電阻（R=U*U/P）。電阻溫度變化系數的考慮：目前市場上用的焊機一般有恒壓焊機和恒流焊機兩種。恒壓焊機是開始時輸出的熱量最大，然后慢慢減少到某一個輸出熱量值。恒流焊機是開始輸出的熱量最小值，然后慢慢增加到某一個輸出熱量值。

3 幾何尺寸結構設計

以電熔套筒管件為例，介紹基本的幾何尺寸選取和接線柱和觀察孔兩個重要的結構單元。電熔彎頭、電熔變徑、電熔三通基本可以參照電熔套筒進行設計其功能基本是一致的。

e參數：產品的壁厚，保證產品工作50年所需要的產品工作的公稱壓力，當管件和配用的管材由相同MRS分級的聚乙烯制造時，從距離管件端口2L1/3處開始，管件主體任一處的壁厚應大于或等于相應管材的最小壁厚;e越小成本越低，e取的越大成本越高。廠家在考慮成本的同時，務必重視考慮強度的要求。

L參數：L/2應對應同口徑系列的，小于或等于插口管件的管狀長度。L/2參數一般由外邊冷卻區，熔接長度區，中間冷卻區長度三個部分組成;冷卻區太短，容易在焊接時溢料，熔接區一般有最小長度的要求，若太短對焊接的熔接強度有影響，中間冷卻區長短影響裝配時扭力及管材齊端口的要求。L越小成本越低，L越大成本越高，廠家在考慮成本同時，務必重視考慮滿足參數關系、裝配關系。

￠A：標準要求大于同規格管材口徑即可。該尺寸大小對焊接效果有影響，該尺寸的橢圓度，標準要求不大于0.015dn，其中dn為管件的公稱內徑。對產品的焊接效果和裝配難易影響很大。該尺寸市場和客戶很關注，一定程度上也反饋出制造工藝的強弱好壞。橢圓度越小越好。比較典型的規格尺寸大小一般經驗、實驗值比較好的尺寸參考如表1：

表1

規格 32 40 50 63 90 110 160 200 250 315 400 450

Amax 32.1 40.2 50.2 63.2 90.3 110.3 160.4 200.5 250.5 315.9 401.4 452

Amin 32.9 41 51.1 64.1 91.5 111.6 162.4 202.4 252.6 318.3 403 454

B結構單元：一般稱接線柱，目前國內主要有兩種類型接線柱匹配：接線柱子直徑4.0mm和直徑4.7mm;管件的內壁深約1mm的地方纏繞著電阻線，電阻線兩端即連接在接線柱上，接線柱在此過程中就起到將電阻線與外部電源連接的作用;該結構單元最容易出現問題，在生產電阻線與接線柱子連接時，銅線容易受傷而造成接觸不良、斷路等現象。接線柱與外部電源連接時，若外部電源連接處氧化或接線柱氧化容易造成焊接時局部聚熱，接線柱處熔料鼓包溢料等現象;相對200口徑以上產品，產品重量大，產品接線柱子在施工、搬運過程中容易摔傷，對其進行合理的保護設計是有必要的。

C結構單元：一般稱觀察孔，目前國內對該結構的作用很重視。一些人認為觀察不出來就是焊接效果差，焊接過程中沒有連接上，也有一部分人對觀察孔溢料呈流淌狀的現象認為是正常的，對該異常重視不夠。這兩種都是錯誤的認識。其觀察孔，在電熔管件焊接中，起著焊接狀況的指示作用，即指示該管件是否被焊接過。按照CJJ 63-2008施工規范要求，在管件觀察孔中出現少量非流淌狀溢料為管件已焊標志。涉及到產品的壁厚。保證電熔管件與管材的裝配方便，且電阻線絲、定位圈卡不移位。其中產品內徑是關鍵尺寸。

材料簡述圖1中1、2、3：

圖1中1：基體主要材料聚乙烯：了解材料的基本屬性;產品流動性強弱，對注塑成型的影響，產品的結晶度，分子取向對產品翹曲變形的影響。目前國內生產較好的管件的主要采用北歐化工、博祿、道達爾石化、英利時廠家的聚乙烯材料。保證產品質量，生產時禁用廢料、回收料。

圖1中2接線柱：目前有打孔穿電阻線的，有電阻線繞接線柱的，有卡口接電阻線的，總之以能把電阻線連接穩定，不容易生銹為選材設計的基本點。

圖1中3電阻線：有純銅的，有紫銅的，有鎳銅合金的，有鋁的，有鐵鋅的，有漆泡線等，不管哪種線材，主要是米電阻越穩定越好，溫度系數變化越小越好，生產管件布線工藝方便。

4 實驗設計

第一，一般先找出管件的極限焊接時間，即焊接管件出現冒煙、溢料、斷線等現象的破壞性時的時間，該時間為管件能承受焊接的最大時間。當焊接好管件進行剝離，少于該時間，剝離就脆性裂開。這為管件剛好能焊接住的時間，為焊接的最小時間。然后在40%～60%區間取值。

第二，對取值進行三參數因子正交試驗確認。參數因子1：焊接電壓;參數因子3：裝配間隙;參數因子3：環境溫度。經試驗摸索確認：因子極限條件下都能焊接住試驗條件：焊接電壓最低，間隙最大，溫度最低。若在該條件下，選取的時間能焊接住，這時間在別的條件下肯定也能焊接得住;因子極限條件下都不會出現焊接冒煙、溢料等焊接失敗的現象條件：焊接電壓最高，間隙最小，溫度最高。若在該條件下，選取的時間沒有焊接異常。在別的條件下焊接該時間也不會出現異常。其中參數因子焊接電壓：焊接電壓最小值：

工作電壓=Vmin

式中：

Vmin——施工要求的最小額定電壓（公差范圍內的最小值）

Rmax——由制造商提供的管件在基準溫度下的（公差范圍內最大電阻值）;

R——在基準溫度下（一般是23℃），然后用雙臂橋式電阻儀測出的管件電阻值

焊接電壓最大值：

工作電壓=Vmax

式中：

Vmax——施工要求的最大額定電壓（公差范圍內的最大值）

Rmax——由制造商提供的管件在基準溫度下的（公差范圍內最小電阻值）

R——在基準溫度下（一般是23℃），然后用雙臂橋式電阻儀測出的管件電阻值

最大間隙：管件內徑（公差最上限值）最大值減去管材的公稱直徑（管材相應規格值）加上刮皮的厚度（一般0.2mm）。實際實驗時用實際測量的管件值，對管材進行加工，使配合間隙達到最大間隙進行實驗。最小間隙：一般就是“0”間隙。

5 電熔管件的常見問題點

（1）裝配困難，從管件本身分析，管件內徑與橢圓度是否控制在標準范圍內;（2）焊接時冒煙、噴料，從管件本身分析，時間選取是否最優化;（3）觀察孔不出來，從管件本身分析，觀察孔結構是否合理;（4）假焊、虛焊、焊接過后打壓漏氣，或打壓不漏氣，使用一段時間漏氣，設計是否可控。

6 出現問題管件的判斷

6.1 宏觀檢查

（1）對反饋回的漏氣管件進行拍照記錄，記錄管件的原始狀態;（2）確認管材與管件裝配的軸心是否一致;若不一致，焊接過程中受外扭力大，可能導致漏氣;（3）看和摸管材是否裝配到位（畫線與否），管材是否斜口;裝配不到位/管材斜口，可能導致漏氣。

6.2 條形碼確認

條形碼與該管件的型號類型材質等信息是否正確。條碼異常可能導致漏氣。

6.3 通電檢查

對管件電阻進行測量通電檢查，并與管件的電阻進行比較。斷路或短路表示焊接過程中可能出現異常，可能導致漏氣，需客戶提供焊接記錄。

6.4 剝離實驗

（1）對管件進行清洗，主要清洗管件外表面的泥土灰，以免干擾剝離擠壓后剝離面的清潔水平。清洗后干凈無水后，拍照記錄;（2）漏氣管件進行編號;（3）做漏氣管件的剝離或擠壓片（按國家標準GB/T 19808或GB/T 19806進行取片）并對剝離或擠壓片做好編號，拍照記錄;（4）對取的擠壓或剝離的片進行擠壓或剝離;（5）檢查焊接面氧化皮去除情況，焊接面的清潔水平，進行拍照記錄。若脆性斷裂大于33%，可能導致漏氣，需客戶提供相關的焊接記錄。如焊接電壓、時間、焊機型號核對確認。

6.5 后期處理

對漏氣進行分析，并記錄保存。

7 結語

生產制造電熔管件的廠家水平良莠不齊，此文僅以提供電熔管件電氣性原理、幾何結構和試驗設計及應用方面的指導和借鑒。保證電熔管件在埋地輸送天然氣和自來水等行業得到更好的應用，提高電熔管件的質量與安全性。在電熔管件應用中出現的問題，要從熔焊機、工程施工、電熔管件本體等多個因素考慮予以解決。

參考文獻

[1] 燃氣用埋地聚乙（PE）管道系統（第2部分）：管件（GB 15558.2-2005）[S].

[2] 聚乙烯燃氣管道工程技術規程（CJJ 63-2008）[S].

作者簡介：孫祥瑞（1978-），男，供職于上海喬治費歇爾亞大塑料管件制品有限公司，注冊質量工程師，機械工程師，研究方向：聚乙烯塑料管件設計與應用。

（責任編輯：黃銀芳）