聚乙烯管道安装.docx
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聚乙烯管道安装.docx
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聚乙烯管道安装
聚乙烯管道
连
接
技
术
编著:
李正华
审批:
蓝元虎
成都三环金属制品有限公司
聚乙烯(PE)管道连接技术
聚乙烯(PE)是一个由多种工艺方法生产的具有多种结构和特性及多种用途的系列品种树脂,最早是由英国的帝国化学公司(ICI)于1933年发明的。
并于1939年开始商品化生产。
聚乙烯管道应用始于20世纪40年代,到今天已经历了大约三个阶段:
第一阶段(20世纪40年代~70年代末)主要为PE32、PE40、PE63。
最初用于做电话线导管和矿井无压排水。
为低密度聚乙烯(LDPE)。
20世纪50年代末,高密度聚乙烯管道作为压力管道材料进入市场,其最小要求强度为6.3Mpa.此时聚乙烯管道真正开始用做压力管道。
20世纪60年代中期开始采用聚乙烯管输送天然气。
第二阶段(20世纪80年代~90年代初,主要是PE80)随着聚合催化剂以及聚合工艺技术的不断发展,具有良好的长期耐蠕变性的第二代高密度聚乙烯(HDPE)管道在欧洲问世,其最小要求强度(MRS)为8.0MPa(PE80)。
几年之后,比HDPE具有良好的柔韧性的PE80级中密度聚乙烯(MDPE)管道材料问世。
从此以后,MD/HDPE快速占领了城镇供水管道和城镇燃气管道市场。
第三阶段(20世纪90年代初~至今,主要是PE100),在PE80级HDPE管道基础上进一步提高了最小要求强度(MRS)和耐快速开裂性能(RCP)和耐慢速开裂性能(SCG),其最小要求强度(MRS)为10.0MPa(PE100),主要应用于压力较大和直径较大的城镇供水管道和城镇燃气管道。
目前聚乙烯树脂已占世界合成树脂产量的三分之一,居第一位。
管材已成为在PVC-U之后,世界上消费量第二大的塑料管道品种。
已被广泛用于燃气输送、给水、排污、农业灌溉、油田、矿山、化工及邮电通讯领域。
现在已有超100级聚乙烯管道出现,如PE125。
公司从2002年开始投资生产聚乙烯管道以来,现已开发生产出给水、排水、燃气、煤矿用瓦斯管几个系列产品和配套管件,聚乙烯管道已成为公司的主打产品。
第一节聚乙烯管道熔接机理及技术要求
1、聚乙烯管道熔接机理(同样适合于聚丙烯)
由于聚乙烯是具有非极性的长链分子结构,这些长链分子总是相互贯穿,彼此重叠或缠结在一起,形成无规则的线团结构。
长链分子间存在着强大的吸引力,从而使聚乙烯表现出良好的力学特性。
聚乙烯随温度变化表现出许多不同的性能和行为,按照其行为表现,一般可分为三种状态:
结晶态(玻璃态)、高弹态、和粘流态(见图一)。
T1T2T3
结晶态高弹态粘流态
T聚乙烯温度
坚硬固体橡皮状弹性体粘性液体
图一不同温度条件下聚乙烯的状态
结晶态:
处于结晶温度以下,聚乙烯分子链和链锻被冻结,分子失去活动能力,在外力作用下,只能产生瞬时的变形,外力消除后会恢复原状,是材料的正常使用状态。
高弹态:
聚合物分子开始具有活动能力,但整个分子链仍不能运动,在外力的作用下,能产生较大的变形,外力解除后,仍能缓慢恢复原状。
此时,聚合物弹性模量大大降低,力学性能变差。
粘液态:
聚合物分子间距大,大分子链的运动能力增强,直至发生整个分子中心位移而产生流动。
在外力作用下,整个分子链间相互滑动而产生变形,使长链分子重新重叠和惨结,这种形变是不可逆的,再温度降低后除掉外力。
其长链分子间依然可以保持这种重组状态。
聚乙烯管道熔接正是在粘流态下进行的,这是聚乙烯管道熔接可靠的保证。
当温度继续升高超过粘流态上限温度时,分子运动进一步加剧,引起聚乙烯分子的分解而破坏其性能。
可见熔接的温度范围是狭窄的,所以一般推荐的热熔焊温度为PE80210℃±10℃;PE100225±10℃(环境温度20℃时下)。
从加热熔接界面的加热端到管材的常温端是一个温度渐变过程,分子的活性差别很大。
在熔接时,外力是人为施加的,施力过小,界面间长链分子未能充分变形,从而不能有效的重新重叠及缠结;相反,对接力过大熔融的融质都被挤出熔接界面,使界面间分子温度低于熔接的合适温度,将引起接口质量下降。
整个熔接的过程是聚乙烯的温度和作用于熔接端的压力随时间变化的过程。
为获得足够的粘流态融质、保证熔接界面分子间相互滑移和分子充分缠结,从而得到一个合格的熔接接口,熔接过程必须满足以下基本条件:
a、清洁的熔接界面;
b、合理的加热温度;
c、合适的外力;
d、充分的熔接时间。
2、聚乙烯压力管道连接技术要求
1、焊接区域内应当防范不良的气候影响:
在风雨天气和在零度以下进行焊接时,必须采取适当的保护措施,以保证需要焊接的焊接面有足够的温度。
2、与焊接面接触的所有物件必须清洁,待焊接面在焊接前必须清洁和干燥,需要焊接的部位不能有损伤、破坏、杂质等其它污染物(如油脂,泥土等)
3、对于公称直径小于63mm或壁厚小于6mm的管材或管件,以及焊接端部SDR值不同管材或管件不推荐使用热熔对接连接。
4、熔融指数不同的聚乙烯管材或管件采用热熔对接时,应调整加热温度、焊接压力、熔接时间,并进行实验检查。
检查合格后方可进行连接。
5、不同SDR系列的管材管件产品互相对接时,最好是通过机械加工的方法使焊接处壁厚相同。
根据实际经验不同SDR的管道连接在工艺控制得当时也能达到目的测试要求。
6、焊接好的每一个焊口,应该有详细的焊接记录,包括环境温度、焊工代号、焊口编号、管道规格、焊接压力、拖动压力、加热板温度、切换时间、吸热时间、冷却时间等。
聚乙烯管道主要连接方法有:
热熔连接,电熔连接和机械连接,其中热熔连接又分为热熔对接,热熔承插,热熔鞍型连接。
电熔连接又有电熔承插和电熔鞍型连接。
第二节聚乙烯热熔对接连接
一、热熔对接焊机具
热熔对接连接的主要设备是对接焊机(如图二)。
机具一般包括:
机架及夹具、液压系统(泵站)、铣刀、加热板及计时装置。
热熔对接机具主要性能要求:
1、泵站:
对接焊机泵站为整个焊接过程的动力源,应该包括清晰可辨的压力指示、压力调整方向控制、计时装置等
性能及技术要求:
压力表表盘直径≥100mm,精度等级不低于1.5级,而且应当定期进行校准。
计时与报警系统能够满足焊接所需的控制时间参数,以声音或其它方式提醒使用者,所有接头(包括快装接头)不能有泄漏;应保证切换时间在(3+0.01dn)秒范围内,对dn不超过250mm以下,最大6s,dn在250mm以上,最大12s;
图二热熔对接焊机
2、机架及夹具
这些部件的主要作用:
夹持管材、管件使其作直线往复运动,并使其能在运动中保持良好的同轴度,并对管材的不圆度进行校正。
主要技术要求:
①夹具:
夹具是用来夹持管道的主要部件,部份夹具还要跟随油缸作往复运动,这就要求夹具要具备有足够的刚性,其与油缸支撑处连接必须紧密,保证在整个行程中的轴向线性偏差<0.2mm,要求夹具的不圆度<0.1mm。
②机架的稳定性与直线性满足以下条件:
在夹持管材时有支撑的架或其它支撑物的情况下(图三),其轴向线性偏差<0.5mm;去除支撑后,焊机机架及所夹管材的额外弯曲度应当不超过受力机架测试的值,见下表一:
图三
表一受力机架测试值要求:
管材外径(SDR17.6)
≤250
315
400
500
630
受力后同轴度(mm)
1
2
3
4
5
3、加热板:
焊接时的热源,为管道焊接面提供熔化温度
主要性能要求:
应能在环境温度-10℃~40℃范围内正常工作;加热板盘面应均匀涂覆聚四肤乙烯(PTFE)等耐高温防粘层,最大粗糙度(Ra)为2.5μm;要保证足够的面积向熔接面散热,内边和外边的富余量应该符合以下求,当管径≤250mm是,富余量应当≥10mm,当管材外径>250mm时,富余量应大于15mm。
与管材管件接触的地方不能有划伤及微孔;厚度偏差(即两边平行度),型号250以下±0.1mm,250以上±0.25mm;加热及感温元件反应要灵敏,温度控制应在±7℃,能够恒温控制在170℃~260℃的正常工作状态(环境温度在-10℃~40℃)
4、铣刀
主要用于平整管材、管件待焊接面。
主要技术要求:
其动力主要由手枪电钻或电动机或液压马达通过传动变速机构带动铣刀盘旋转。
要求铣刀片可能更换,具备铣削量可控功能;应具备双面切削功能,铣削后两个待焊面应该光滑平整,两个端面闭合后间隙应符合以下(表二)要求:
表二铣削后两端面闭合后间隙值
管材管件外径DN(mm)
DN≤225
225<DN≤400
400<DN≤630
待焊面闭合间隙(mm)
<0.3
<0.5
<1
我公司自行生产的热熔对接焊机规格及用途如下:
手动焊机SHDS-160焊接63~160口径管道(手动焊机,不带液压系统)
液压焊机SHD-160焊接63~160口径管道
SHD-250焊接110~250口径管道
SHD-315焊接160~315口径管道
SHD-450焊接315~450口径管道
SHD-630焊接355~630口径管道
二热熔对接操作步骤
①焊接前准备
焊前准备主要是检查焊接设备是否符合要求,如检查电源、线路;加热板及加热系统是否正常,有无划伤;各连接部件是否松动;液压系统中油箱油液是否充足,各连接油管是否漏油,系统压力是否正常可控;要注意在北方施工时,当环境温度低于0℃时,建议先将液压油进行加热,使其温度达到30℃左右再进行开机运行。
②装夹固定
将待焊接管材或管件端面清理干净再用焊接机具夹具固定,并对长管道进行支撑,以保证良好的对中性能。
由于管道在加工制造运输储存中均可能造成一定量的不圆度,所以在装夹管材时在能够保证有足够的焊接行程的前提下,待焊端面离夹具距离越近越好,以使其更好地恢复圆度。
③铣削端面
放入铣刀,打开铣刀电源开关,使刀盘旋转,缓慢的合拢两待铣削面,加以适当的压力,在两边均出现连续均匀的切削后,撤掉压力略等片刻(铣刀两端均无切削时)退开两待焊接面,停掉铣刀。
铣削过程中产生的切削厚度应当为0.5~1mm为宜,通过调整铣刀片的倾角可以调整切削的厚度。
再次合拢对中,查看端面间隙与对中性能,两端面错边量应当小于焊接处管道壁厚的10%,间隙值应当符合前面表二的要求。
如果不能满足则应该通过调整夹具的松紧,支撑的高低等进行重新对中校正,并重复铣削过程,直到符合要求为止。
④测试拖动压力拖动夹具和管材所需要的压力该压力最后要叠加到最后的工艺压力上,得到焊接过程中实际的使用压力。
⑤加热待焊面当加热板温度达到设定值,并使其静置一段时间,使其表面温度均匀后,将加热板放入机架内,施加规定的压力,使两待焊接面受热卷边高度达到规定值。
将压力降低到规定值—该压力为保证两待焊接面能够充分与加热板接触即可,使待焊接面进入吸热阶段,并进行计时。
⑥切换对接与冷却吸热时间达到后,退开管道,取出加热板,合拢两管端,将压力升到规定值(不能超过规定值),严禁高压碰撞,切换时间应尽量短,不能超过规定值。
冷却时间达到后拆卸管道。
三、热熔对接焊工艺曲线图
热熔对接焊在工艺上有三个要素,即温度,压力,时间。
焊接工艺曲线(焊接程序图)实际上是熔接过程压力、时间关系图。
目前通常采用的工艺图见下图四,通常施工温度下工艺参数取值见表三
图四:
PE管材对接焊工艺曲线图(DVS2007-1995)
表三环境温度为20时HDPEMDPE管道热熔对接参数
(根据德国焊接协会标准DVS2007-1995)
壁厚en(mm)
加热时卷边高度(mm)
吸热时间Ta2(s)Ta2=10en
最大允切换时间(s)
焊接调压时间(s)
冷却时间(min)
<4.5
0.5
45
5
5
6
4.5~7
1.0
45~7
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