焊接塑料管專利技術綜述

徐凌霄（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北　武漢　430070）

焊接塑料管專利技術綜述

徐凌霄
（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北武漢430070）

塑料管材作為金屬管材的良好替代品已經進入到千家萬戶，具有耐腐蝕、耐壓強度高、衛生安全、水流阻力小、節約能源、節省金屬、改善生活環境、使用壽命長、安裝方便等諸多特點，并形成了一種勢不可擋的發展趨勢。本文從專利角度出發，研究了塑料管材焊接技術的發展路程、國內外的發展動態以及行業的專利申請分布，為國內的塑料管材焊接技術的研究和專利布局提供一定的借鑒。

塑料管；焊接；專利技術

塑料管材如今在我國社會諸多行業（如燃氣輸送、給水、農業灌溉等）已經大量取代了金屬管材，尤其在燃氣輸送方面應用非常普遍。在塑料管道應用逐漸普遍時，也產生了一些新的問題，管道的連接便成了一個問題，一直值得我們去深究。在塑料管道系統的制造與鋪設過程中，塑料管道之間的連接直接影響著其結構的強度以及結構的持久性。在塑料管道中輸送的液體中必然會含有部分的有害或是危險介質，比如天然氣與煤氣等，若是管道的結構被破壞，那么將會產生很嚴重的后果，所以，現今對于塑料管道的焊接問題已經成為了主要的研究問題，對于塑料管道的連接技術已經成為了關鍵的研究技術［1］。

1　概述

塑料管與傳統金屬管道相比，具有自重輕、耐腐蝕、耐壓強度高、衛生安全、水流阻力小、節約能源、節省金屬、改善生活環境、使用壽命長、安裝方便等特點，受到了管道工程界的青睞。為此，許多發達國家塑料制品商與管道工程界進行廣泛的合作，投入了大量人力、物力和財力進行全方位的開發研究，使原料合成生產、管材管件制造技術、設計理論和施工技術等方面得到了發展和完善，并積累了豐富的實踐經驗，促使塑料管在管道工程中占據了相當重要的位置，并形成一種勢不可當的發展趨勢。

塑料管道是指用塑料材質制成的管子的通稱。常用的塑料管道有：PPR（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）PB（聚丁烯）、PE-RT（耐熱聚乙烯）、PE（聚乙烯）HDPE（增強高密度聚乙烯）等［2］。塑料管道材料的分類根據其受熱變化的不同，分熱塑性、熱固性塑料。熱塑性即受熱后熔融塑化，冷卻后變硬定型，這一過程可反復數次而其分子結構和性能無明顯的下降；熱固性即受熱后，分子結構發生體型或網型交聯反應而固化成型，成型固化后失去可塑性。熱塑性有PVC、PE、PP、PB、ABS等材料，熱固性有PEX/VPE、PF、EP等。

塑料管材焊接方式目前一般分為兩種，即熱熔焊接和電熔焊接［3］。熱熔對接焊是采用熱熔對焊機來加熱管道端面，使其熔化，迅速將其貼合，保持有一定的壓力，經冷卻使管道連接。各種規格的PE管均可采取熱熔對接方式連接，一般公稱直徑大于90 mm的管材推薦采用熱熔對接焊，該方法焊接時不需要其他附件，經濟可靠，其接口在承拉和承壓時都比管材本身具有更高強度，如圖1所示。

圖1　熱熔焊接的主要工藝過程

具體步驟如下：

（1）清潔塑料管道焊接部位的油污及泥土等臟物，將待焊管道或管件用焊機夾緊裝置夾緊。

（2）切削和修整管道的端面，保證端面的平整及與軸線的垂直度。

（3）矯直待焊管道或管件，使其位錯量＞壁厚的10％。

（4）放入加熱板加熱，加熱完畢，取出加熱板。

（5）迅速接合兩加熱面，升壓至熔接壓力并保壓冷卻。

焊接過程中，壓力和時間的變化關系如圖2所示。對于PE管材熱熔對焊的參數，許多專家進行了深入的研究。需要特別指出的是，目前應用的一些薄壁PE管材，如外護保溫PE管材、鋼管內襯防腐用PE管材等因其壁薄的特殊性，在熱熔對接焊時需根據實際情況和施工經驗進行適當調整，如果完全依靠公式推導焊接參數可能會出現熔融物料被全部擠出的“假焊”等非正常現象。

圖2　焊接過程中壓力與時間的關系

而電熔焊技術原理，主要是利用電流所產生的熱效應來使塑料融化，并且利用聚合物分子的擴散，在冷卻后能夠使其連接到一起，以此來達到了焊接的目的。對于電熔焊技術的發展，主要有三個方面：①在美國的相關公司開發了可以利用導電填料與聚乙烯樹脂結合制成的電熔焊管件。在樹脂中帶有導電的顆粒，可以使電流通過，并且最終主要是利用熱效應的來達到焊接的效果，在二十世紀八十年代初，這種電熔焊管件成功的到了應用，但是隨著社會的發展、新技術的產生，使其逐漸的被淘汰出了市場；②主要是將金屬絲嵌入到管件中，這種設計思想是在二十世紀七十年代末到二十世紀八十年代初提出的一種設計理念。主要的原理就是在接頭的部位連續施加一些變化的磁場，使其能夠在金屬絲中產生電流，并且使電流能夠發生熱效應，從而來對管件進行加熱。在美國的相關的公司很好的采用了這一技術，并且取得了很好的效果；③第三種技術是最為普遍，同時也最為傳統的技術，主要原理是將金屬絲植入到塑料管件中作為發熱源，當通電時，電流通過金屬絲，由于焦耳效應最終會使接頭的界面的塑料融化，并且通過分子擴散，在最后進行凝固，從而形成了焊接的效果。這種技術在最初是由比利時的相關公司開發的，并且逐漸的得到了應用，在很多特殊的領域都應用比較廣泛。在隨后，法國的相關公司將電熔焊技術作為法國唯一的管道連接技術，并且在這一領域進行大力的研究，在很大的程度上，推動了電熔焊技術的發展。

2　兩種焊接方式的比較

從操作上看，熱熔電焊機比較繁瑣，需要切削，清理管口，對口，焊接吸熱，帶壓冷卻和泄壓冷卻幾個步驟，需要的熟練度比較高，要有專門的技工來操作。電熔電焊機只需要用刮刀把管材口處的外面氧化層刮掉，加上電熔套桶就可以焊接，對于焊接的參數，機器已經根據管材的尺寸設計好了，選擇好參數就能直接焊接，操作簡便。電熔焊接準備過程的去除氧化層步驟中，如果管材刮的不夠均勻，氧化層還保留在管材上，可能造成焊接時吸熱不均勻導致還接質量問題出現，電熔焊接吸熱融化的過程中，焊接的管材不能隨意的擺動，小的擺動就會導致焊接口不牢固。焊接口的穩定性比較低。

從靈活性來看，塑料管材的不同，熱熔電焊機的型號也不同，管徑增大相應的熱熔電焊機尺寸也增大，使得焊接時候攜帶也不方便。而對于焊接不同管徑的PE管，電熔電焊機的型號是一致的，焊機的體積小，攜帶方便，拿Dn250的熱熔電焊機和電熔電焊機比較，熱熔電焊機需要四名配合工才能把機器順利的移動進行焊接，而電熔電焊機只需要一個人就可以輕松的把機器帶走，方便于流動性施工。

從焊接條件上來看，熱熔焊機體積比較大，對于相對狹窄的管溝就不太適合，對于坡度比較大的地段用熱熔電焊機更是不方便。因為熱熔電焊機焊接時候需要一定的液壓缸行程，所以對于連接死頭的時候，管線相對已經固定，焊接行程不夠導致焊接的質量難以保證，用熱熔電焊機比較費勁。這些時候就不如電熔電焊機實用。

從保管上來看，熱熔電焊機的卡瓦是根據管徑需要隨時添加的，卡瓦比較小，能拆卸下來，不妥善保管容易丟失。卡瓦都是鋁制的，沒有太大的抵抗沖擊力的能力，比較脆弱，所以要小心保護。熱熔電焊機中的液壓油也要及時的添加，以免影響生產。電熔電焊機的比較精細，不能有大的磕碰，操控都是數字化系統，出現錯誤就只能是根據錯誤提示按說明書調試。

3　發展歷程

德國是開發使用塑料管材最早的國家，始于1936年，50年代以后，獲得了迅速發展，1989年在德國西部塑料管的消費量就達39.3萬t。目前，德國的飲用水管中采用Pvc飲水管已占60％以上，總計達500萬m。

我國從60年代中期開始研制生產和應用PVc塑料管道，70年代進行了聚乙烯、聚丙烯塑料管道的開發與應用。改革開放以來，我國在塑料壓力管道的開發、生產與應用方面有了很大的發展，在我國大規模鋪設塑料壓力管道已經是國家基

礎設施建設的一項重要內容［4］。

圖3是我國塑料管歷年來專利申請量占比情況。從圖中可以看出，我國1990年申請了第一份塑料管技術專利申請。一直到2002年，整個專利申請數量較少。這個階段與國際先進的焊接技術差距很大，2002-2008年，國內塑料管焊接技術開始發展，申請量穩步增長。進入2005年以來，塑料管焊接技術開始出現急劇增長趨勢。2012年專利申請量已經達到了450件，這表明國內企業加強了塑料管焊接技術的創新。

圖3　我國歷年塑料管焊接技術申請量總量

在我國的塑料管焊接技術專利申請中，主要申請人還是企業，占總申請量的83％，其次是個人申請，占總申請的11％，學校/研究所專利申請占6％。這表明，塑料管焊接技術的研發主要還是企業。

圖4是我國塑料管焊接技術專利申請主要區域。江蘇省、廣東省和山東省是塑料管焊接技術專利申請最多的三個省份。由圖4可以發現，這三個省份從事塑料管焊接技術研發的企業最多，比如江蘇省有蘇州市星河塑料機械有限公司、無錫市永大企業制造有限公司以及廣東省有深圳市華瀚管道科技股份有限公司。江蘇省和廣東省的申請占了總數的將近46％。

圖4　我國塑料管焊接技術專利申請主要區域

4　最新發展動態

從上述陳述可見熱熔對接焊以及電熔焊在管道的焊接中應用已經非常廣泛，但是這種方式也存在一些問題，就是焊接的時候有些過于長。針對這一點，2010年左右新興地出現了一些以能量束（主要為紅外線）輻射的方式來進行管道焊接，焊接過程與熱熔焊接過程基本一致，只不過區別在于，其加熱工具主要是由鎢絲以及鎳鎘絲制成，這樣可以利用鎢絲與鎳鎘絲在加熱時會出現紅外線，利用紅外線來對管道進行輻射加熱。這種方式的主要優點是：減少了焊接的時間，并且在進行加熱時，加熱板不需要與管道的斷面進行接觸，有效的避免了熱源污染等現象。但是這種紅外線焊接方式本身也存在一些問題，相關的專利技術也較少，有待完善。

5　展望

在我國，對于塑料管道焊接技術的研究起步比較的晚，因此在技術方面與發達國家依然一定的差距，而我國大多數的管道設備都是國外進口產品，我國的焊接設備比較的落后，主要是工人憑借自身的經驗進行手動焊接，但是這樣在很大程度上增加了勞動的強度，十分的耗費人力物力。并且工人在進行焊接時，無法保證焊接標準型，因此其質量無法保證。所以我國的相關學者也加強了對塑料管道焊接技術的研究，并且也逐漸的取得了不錯的成績。國內的各大高校的教授都對塑料管道進行了研究，比如相關高校教授，開發了新型的電熔管件，利用價格比較低的碳氈，作為了電流載體與聚乙烯采用層壓復合法制備用于聚乙烯管道電熔焊接的復合材料，利用這種材料具有很大的優點，這種材料的價格很低、比較容易控制并且成本低，是一個十分理想的發熱體，并且這種材料不會發生短路，具有很強的穩定性。因此這種材料具有很大的發展空間［5］。

6　結語

根據我國國情，目前，我國應在以下幾個方面展開全面系統的研究工作：①開展國產塑料壓力管道焊接的工藝參數對焊接接頭力學性能的影響方面的研究工作。一般應進行長期試驗（水壓和持久拉伸試驗等）和短期試驗（拉伸、彎曲和沖擊試驗等）。另外，還應研究工藝參數對焊接接頭抗快速裂紋擴展性能的影響，以保證整個管線的安全運行。②熱熔對接焊適合于各種不同的管徑，而且焊接質量穩定，但電熔焊應用于大直徑的塑料壓力管道時質量不穩定。因此，應加強對電熔焊的基礎理論方面的研究，改進其工藝參數，提高焊接質量。電熔焊控制的參數較少，一般只控制焊接時間和電流，可否改變控制參數，如熔融塑料的流動指數等，以改善焊接接頭的性能［6］，也可以利用新材料、新技術研制和開發新型的電熔焊接頭，如可利用導電塑料來制做電熔焊接頭等。③加強對熱熔對接焊機自動化方面的研究。盡管熱熔對接焊這種方法比較成熟，焊接質量也穩定，但過程較復雜，需要控制的參數較多，受人為因素和環境因素的影響較大。因此要有效地控制焊接質量，一方面加強對操作人員的培訓，另一方面利用計算機技術研制自動化程度較高的焊機，消除人為因素和環境因素的影響，改善焊接質量。此外，非接觸式的焊接方式由于其獨特的優勢已經逐漸興起，但工藝尚不成熟，仍需改進。

［1］潘紅斌.塑料壓力管道的應用及其焊接技術［J］.太原科技.2002（02）.

［2］陽代軍，霍立興，張玉鳳，齊芳娟.塑料壓力管道的連接技術［J］.焊接技術.2002（01）.

［3］田悅.PE管電熔焊接和熱熔焊接在施工中的比較［J］.遼寧化工.2011（09）.

［4］張玉川.塑料管道國內外技術發展新動向［J］.塑料.2008 （03）.

［5］溫彥.塑料管道的連接技術［J］.城市建設理論研究（電子版）.2014（30）.

［6］劉伯元，馮立新，廖正品，張玉川.我國塑料管材發展趨勢概述［J］.中國建材.2003（03）.

Summary of plastic-pipe welding on patented technologyXuLingxiao

Xu Lingxiao
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office，SIPO，Wuhan Hubei 430070）

Plastic-pipe，as an excellent alternative for metal-pipe，has been widely used in domestic industry，which has been leading a new trend because of its corrosion resistance，high-pressure resistance，security，low hindrance，energy-saving，metal-saving，endurance，convenience，etc.This study mainly researches on the developments of plastic-pipe welding technology，as well as its patent distribution and novel revolution，from the perspective of patented technology，which may provides reference for researches and interests on plastic-pipe welding technology.

plastic-pipe；welding；patented technology

TB324

A

1003-5168（2016）05-0055-04

2016-5-10

徐凌霄（1987-），男，碩士，實習研究員，研究方向：高分子材料。