PE管道熱熔焊接施工工藝

魏用杰，吳俠輝，李怡辰

（中建二局第一建筑工程有限公司，廣東深圳 518003）

1 PE管道熱熔焊接施工工藝原理概述

PE 管具有強度高、耐高溫、抗腐蝕、耐磨等特點，被廣泛應用于建筑給水、排水、采暖，以及輸氣管、工業用管、農業用管等方面。

PE 管就是聚乙烯管，這種材質是通過乙烯共聚形成的一種熱塑性樹脂，是典型的非晶態高聚物。在環境溫度較低的情況下，PE 管道的剛性較強，即使受到外部作用力，其自身的變形程度也較低。PE 管道在熱熔焊的過程中，隨著焊接溫度的不斷提高，管道斷面逐漸變形，呈現出熔融狀態，在這種情況下，通過施加外力可以將管道兩端緊密貼合在一起，聚乙烯中的分子鏈在外部作用力的影響下會相互纏結，當卸除外部壓力且冷卻后，可以得到穩定的焊接接頭[1]。

2 焊接材料及設備

PE 管是通過乙烯共聚產生的聚烯烴，這種物質的結晶度非常高，高達80%～90%，是一種熱塑性樹脂。該物質無毒、無嗅，密度在0.940～0.976 g/cm3，熔點為130 ℃，聚烯烴受熱溫度達到125 ℃時會逐漸呈現出軟化狀態。聚烯烴自身的化學穩定性極強，具備顯著的耐寒、耐熱、耐腐蝕特點。

此次研究使用的焊接設備為上海倫博熱熔對接焊設備，該設備的結構組成簡單，主要由加熱板、控制箱、機身及銑削裝置4 個部分構成。焊接設備的技術說明可以參照表1。

表1 熱熔焊機的技術說明

3 熱熔焊機工藝

3.1 熱熔焊接前準備

1）清潔油路接頭，正確連接焊機各部位。

2）測量電源電壓，確認電壓符合焊機要求。

3）檢查清潔加熱板，當涂層損壞時，應當更換加熱板，加熱板表面聚乙烯殘留物只能用木質工具去除，油污油脂等必須用潔凈的棉布和酒精處理。

4）按照焊接工藝正確設置吸熱、冷卻時間和加熱板溫度等參數，焊接前加熱板在焊接溫度下適當預熱，以確保加熱板溫度均勻。

5）結合管材、直徑來確定夾具，保證夾具的性能滿足實際作業的需求。

3.2 裝夾套緊固PE管道

夾套與管道的直徑保持協調，將需要焊接處理的管道固定在操作臺上，設備要保持水平狀態，確保兩根連接的管道在同一條直線上，并保證管道的端口預留有足夠的焊接寬度。

3.3 檢查管道錯位

將銑刀取出，然后對接兩根PE 管道，對接后檢查兩根管道的端口是否對齊，并對管道端口的錯位量進行檢查，確保其符合設計要求。通常情況下，管道的錯位量控制在管壁厚度的10%以內且不得超過3 mm，利用夾套對管道的端口進行調整，確保兩個端口相互對齊。若無法滿足以上條件，則再次進行銑削，直至滿足設計要求即可停止銑削。

3.4 加熱板加熱PE管道

1）首先將管道放置在平整部位，然后再放置在焊接設備表面，并預留10～20 mm 的額外長度。

2）兩根管道的焊接斷面需要保持相互對齊，錯邊盡可能減小，錯邊偏差必須控制在壁厚的10%以內，同時不得超過3 mm，否則會對焊接質量造成巨大的影響。

3）焊接溫度控制在210～230 ℃比較合適，加熱板的預熱時間可以結合設備說明書確定，冬季與夏季應進行區分，端面的熔融長度控制在1～2 mm。

4）將加熱板移開，然后迅速將兩根管道的端口進行黏結，并施加壓力，保證兩節管道的連接質量。

5）熔融是管道焊接的重中之重，管道對接時必須保證基于熔融壓力完成，卷邊的寬度保持在2～4 mm 為宜。

6）穩定對接壓力。促使接口逐漸冷卻，接口部位的溫度冷卻時間可以通過用手觸摸的方式確定。

7）當連接端口部位完全冷卻后即可松開卡瓦，并將對接機移除，開始連接下一個端口。

8）熱熔焊接過程中，接口部位的冷卻時間、吸熱時間、施加壓力應結合廠家的說明書確定，具體的技術參數見表2。

表2 管道焊接技術參數

3.5 松開夾套，取出管道

當PE 管道焊接端口部位的溫度降低至常溫以后即可松開夾套，并取出PE 管道，施工人員觀察焊接外觀質量。

4 熱熔焊接工藝實例分析

4.1 工程概況

某項目主要是對高州市境內的鎮級自來水廠供水管網進行擴網延伸，本工程供水管道采用PE 管、球墨鑄鐵管和鋼管，管徑范圍為DN63 mm～DN500 mm，管道附屬構筑物包括排氣閥井、閘閥井、排污閥井、排泥井等，各類構筑物以磚砌為主。其中，PE 管作為主要的供水管材，管徑DN63～DN500 mm 不等。管溝開挖深度在1～1.5 m。結合實際情況，供水管道的埋設深度較小，且大部分采用放坡形式進行開挖，放坡的坡度一般為1∶0.3。

4.2 質量標準相關檢驗

熱熔焊接過程中，焊接溫度和焊接壓力兩個參數最容易出現問題。因此，本節針對這兩個對熱熔焊接質量有關鍵影響的參數進行研究，采用電子萬能試驗、靜液壓試驗機、差示掃描量熱儀、掃描電子顯微鏡等，研究不同焊接溫度、不同焊接壓力對聚乙烯焊接接頭的拉伸性能、熱穩定性能、耐內壓性能、微觀結構等的影響。

4.2.1 試驗原材料

廣州星亞高新塑料科技股份有限公司生產的埋地用聚乙烯燃氣管材，規格為：DN110、SDR13.6、PE100。

4.2.2 試驗設備

試驗設備包括Z020 電子試驗機、負載引伸計、1653-0004裂紋增長制樣機、V1721 靜液壓試驗機、XJC-25D 沖擊試驗機、DSC200F3 差示掃描量熱儀、Quanta650 掃描電子顯微鏡。

4.2.3 測試過程

1）拉伸性能測試。將試樣放置在電子試驗機中，確保對試樣施加的作用力與焊縫始終保持垂直狀態。夾具的拉伸速度保持在（5±1）mm/min，相關人員詳細記錄設備內置傳感器獲取的數據，當試樣被完全破壞以后記錄最大拉力值。

2）耐慢速裂紋增長性能測試。施工人員將測試溫度控制在80 ℃，試驗整個過程必須保持連續性，且足夠平穩。嚴格控制壓力，避免超過預先設計的壓力值，若PE 管因膨脹而促使壓力降低，則使用試驗機進行補壓處理。壓力持續時間必須符合設計要求，即視為試驗合格。若試驗過程中尚未達到試驗時間試樣出現破損，則應記錄破壞時間及具體部位。

3）氧化誘導時間測試。將試樣、坩鍋放置在常溫環境內，加入氮氣持續5 min，開始進行加熱處理。在氮氣環境下持續加熱至試驗溫度，溫度提升速度控制在20 ℃/min。當試樣的溫度達到試驗溫度以后則可以停止升溫。保持溫度不變的情況下持續3 min，然后將氮氣全部替換為氧氣。觀察試樣的變化，并使用切線分析方法計算試樣的氧化時間。

4）懸臂梁沖擊性能測試。實際試驗選擇使用擺錘，擺錘的能量確定為5.5 J，將擺錘提升至設計高度并進行加固處理，將試樣與支座進行固定，試樣的缺口部位面向于擺錘沖擊刃擊打的方向。松開擺錘，利用系統自動記錄試樣的沖擊能量，然后按照GB/T 21189—2007《塑料簡支梁、懸臂梁和拉伸沖擊試驗用擺錘沖擊試驗機的檢驗》要求調整擺錘的摩擦損失。

4.2.4 結果分析

1）焊接溫度偏差越大，熱熔對接焊縫的拉伸強度越低。原因是當焊接溫度過低時，聚乙烯管材焊接面加熱不充分，材料軟化不夠，高分子間黏結性能不足，導致接頭拉伸強度降低；當焊接面的焊接溫度過高時，聚乙烯管材熔接面所吸收的熱量過高，影響了高分子間的黏結性能，導致接頭拉伸強度降低。

2）焊接溫度過高或者過低均會影響聚乙烯熱熔接頭的黏結性能，導致接頭使用性能受到巨大的影響。這個耐慢速裂紋擴展的測試結果與拉伸性能測試結果得出的結論一致。PE熱熔焊接工藝參數伴隨焊接溫度過低或過高、規定壓力過低或過高，都會導致拉伸強度逐步下降。當焊接溫度偏離200～260 ℃溫度區間或者焊接壓力偏離7～1 300 kPa 區間時，聚乙烯管材熱熔焊接的黏結性能會被極大地削弱，焊接過程出現過焊或者冷焊的概率增大，最終導致焊接接頭不能通過標準試驗測試。也就是說，這個接頭不能滿足工程中長期使用的要求，不能應用于工程實踐中，如果城鎮埋地聚乙烯管道系統中有這樣的焊接接頭，將是一個巨大的安全隱患。

3）假若焊接溫度、壓力全部不滿足規范要求，隨機抽取兩個批次對管材的拉伸強度進行檢驗，其與標準值之間的偏差均超過10%，同時試樣的靜液壓破壞時間全部低于165 h，所面臨的質量風險比較嚴重，實際使用過程中可能會存在一定的安全隱患。

結合前文所言，隨機抽取的試樣管道的數量為20 個，其中，16 個試樣的質量為輕微風險，比例為80%，1 個試樣的質量為中等風險，占比為5%，3 個試樣的質量為重度風險，占比為15%，由此可以發現管道安裝存在一定的安全隱患。

5 結語

在現代化社會中，PE 管道的應用范圍不斷拓寬，管道焊接質量會對管網的運行狀況造成巨大的影響。判斷PE 管道的焊接質量主要是通過對接口部位的質量進行評估完成，所以，在實際施工過程中，必須嚴格按照規范要求，合理設置技術參數，以此保證PE 管道的焊接質量。熱熔對接焊是一種操作簡便、易于掌握、高質量、高效率的連接PE 管道的焊接方法，應用上述焊接工藝進行PE 管道連接能保證焊接質量，有效降低工程成本，隨著焊接工藝的成熟完善，其在PE 管道工程中必然得到越來越廣泛的應用。