聚乙烯相近系列管道热熔对接可行性分析与验证

上海亚大塑料制品有限公司 刘旭东

上海亚大汽车塑料制品有限公司 王彦飞

聚乙烯相近系列管道热熔对接可行性分析与验证

上海亚大塑料制品有限公司 刘旭东

上海亚大汽车塑料制品有限公司 王彦飞

SDR17与SDR17.6相近系列聚乙烯管道目前存在并存的情况，文章为两系列之间的热熔对接焊接可行性进行了分析和实验验证，解决了实际使用中的问题。

聚乙烯 热熔对接 结晶 焊接参数

1 问题提出

新的《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第1部分：管材》(GB 15558.1—2015)于2017年1月1日正式实施了，新标准参考最新ISO 4437—2，考虑实际应用、经济性及标准化，列出常用系列SDR17，替代了原来的常用规格SDR17.6系列，以避免由于系列接近，影响生产备货及市场选用，但采用SDR17系列管材的同时，原有的SDR17.6系列仍然可以使用。因此，在聚乙烯管道施工中，存在次两种临近系列管道进行热熔对接焊接的可能，焊接的安全性和如何选择参数成为施工单位关心的一个问题。

2 相关规定

首先，按照TSG特种设备安全技术规范《燃气用聚乙烯管道焊接技术规则》(TSG D2002－2006)第八条管道元件制造单位和管道安装单位进行热熔对接焊接，有以下情况时应当进行焊接工艺评定：(一)首次采用本规程推荐的焊接工艺参数(见附件A)或者其他焊接工艺参数；(二)不同原材料级别(例如PE80与PE100)的管道元件互焊；(三)同一原材料级别的管道元件，熔体质量流动速率(MFR)差值大于0.5 g/10min(190℃，5 kg)；(四)管道元件对焊接有特殊要求；(五)施工环境与焊机工作条件有较大差距。而对于聚乙烯采购方来说，为了管网安全和产品一致性，采购的管道往往为统一原材料和同一生产厂家，焊接施工工艺和设备都喂发生变化，是可以直接进行热熔对接的。但在建设部颁布的《聚乙烯燃气管道工程技术规程》(CJJ 63—2008)中5.1.3第2条规定，“焊接端不标准尺寸比(SDR)不同的聚乙烯燃气管道连接时，必须采用电熔连接”。

而在以上技术规则和技术规程中，在对于焊接壁厚出现偏差都有相关规定，焊接的两管道连接件壁厚焊接中，其错边不应大于壁厚的10%。而两个系列管材壁厚偏差与壁厚较薄的 SDR17.6管材比较，其偏差值可按照如下公式计算：

式中：en——管道公称壁厚，mm；

dn——管道公称外径，mm；

SDR——标准尺寸比；

k——焊接时错边系数；

en17——SDR17系列管材壁厚，mm；

en17.6——SDR17.6系列管材壁厚，mm。

将公式(1)代入公式(2)，计算出两管道壁厚偏差系数k约为3.5%，小于允许偏差10%。由此可以看出，SDR17与SDR17.6管道理论上是允许焊接的。

对此，全国塑料制品标准化技术委员会——塑料管材、管件及阀门分技术委员会在2016年第67号文件《关于标准GB 15558.1—2015中标准尺寸比SDR17和SDR17.6的说明》中也进行了一下说明：“根据壁厚计算，一般将SDR17和SDR17.6系列视为相近系列，SDR17和SDR17.6之间可采用电熔套筒连接或热熔对接连接。如有必要，热熔对接接头需要做焊接工艺评定(满足静液压强度(80℃、165 h)和拉伸试验要求)，通过后，视为相近SDR系列可进行对接熔接”。

3 焊接参数确定方法

聚乙烯为半结晶结构热塑性材料，即既有晶态结构也有非晶态结构，温度升高，晶态结构受到破坏，在载荷作用下，形状弯弯曲曲的高分子链段开始运动，被拉直、拉开，呈现出一定程度上的平行排列(低取向)，但整个分子的质量中心未发生移动，仍处于被冻结的状态，宏观上则表现为受外力作用形变量大而外力去除后又能部分回复的高弹形变。当温度继续升高到黏流温度时，在载荷作用下，高分子链作为一个整体在载荷作用方向上产生有向运动，呈平行排列的趋势更加明显(由低取向转为高度取向)，此时高分子材料处于黏流态，如图1。

图1 聚乙烯受热后晶态结构趋向过程

此时，处于两黏流态的焊接面紧密贴合，熔融的物料在载荷作用下，相互移动熔合，当温度降低时，熔合在一起的高分子链重新转为低取向，并相互缠绕，重新结晶，从而使两焊接件焊接在一起，这是聚乙烯管道热熔焊接的基本原理。

其中影响焊接质量的因素包括温度、时间、压力。管道壁厚的变化对这三个因素的影响主要是在于时间和压力，具体到操作步骤为吸热时间、焊接时间、焊接压力。其主要计算方法：

吸热时间的计算：

焊接压力的计算：

焊接时间：

式中：A1——管材的截面积，mm2；

A2——焊机液压缸中活塞的有效面积(由焊机生产厂家提供)，mm2；

p0=0.15 N/mm2(作用于管材上单位面积的力)。

为保证焊接质量，焊接必须保证焊接面能够充分吸热达到熔融状态，否则将无法充分熔合，所以在选择吸热温度时，首先应当考虑壁厚较厚的SDR17系列管材，以其吸热时间作为吸热时间。而焊接压力的作用是保持焊接面的紧密结合相互熔融，同时在聚乙烯在结晶过程中，应力可以加速结晶过程，并且在成核阶段晶核的出现是离散分布的，且仅对时间有依赖性，一旦当晶体形成并发生碰撞后，晶体将停止生长，所以适当的提高压力对相近系列管材焊接质量影响对焊接强度影响不明显。而结晶完成后，时间的延长并不能继续对结晶情况发生作用。由此分析，在相近系列的 SDR17与SDR17.6管材进行热熔对接焊接时，建议采用壁厚较大的SDR17管道焊接参数。

4 试验验证

为了验证SDR17与SDR17.6管道热熔焊接的效果，我们选取了PE100管材DN200及DN250管材按照SDR17管道4组8个试样进行工艺评定实验，并分别进行拉伸性能和静液压强度性能试验，试验结果见表1。

表1 拉伸性能和静液压强度性能试验结果

所有试样均通过了试验测试，证明 SDR17与SDR17.6两个系列聚乙烯管道热熔对接焊接是可行的。

5 结语

通过理论分析和试验验证，SDR17与SDR17.6两个系列管道热熔对接焊接性能满足要求，可以采用壁厚较大管材的参数进行热熔对接焊接。

由于存在壁厚的偏差、焊接参数差异，在现场实际焊接中，应加强对焊接操作过程的严格控制，并尽量减少此类焊口的出现，将焊接风险降至最低。

Feasibility Analysis and Verification of Hot Melt Butt Joint of Similar Series of Polyethylene Pipes

Shanghai Chinaust Plastic Co., Ltd. Liu Xudong
Shanghai Chinaust Automotive Plastics Co., Ltd. Wang Yanfei

Polyethylene pipe, SDR17 and SDR17.6, is the similar series and coexists at present. In order to solve problems in practical use，the welding feasibility of hot melt is analyzed and experimental verified for the two series in this paper.

polyethylene pipe, hot melt butt joint, crystal, welding parameter