浅析燃气用埋地PE管道焊接施工技术

[摘 要]目前燃气用pe管道在城市天然气输配系统中广范使用，由于PE管道比金属管道的焊接工艺更为简单，施工人员在焊接过程中容易忽视焊接工艺的详细要求而影响焊接质量。本文从焊接过程方面对PE管道的焊接质量提出一些观点。

[关键词]燃气用PE管道 组对 焊接 质量评定

中图分类号：TG457.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0138-02

燃气用PE管道属于中、高密度聚乙烯管道，具有优良的热熔连接性能，焊接方式基本为热熔焊接。热熔焊接出现质量缺陷后无法像金属管道焊缝那样能够对焊接缺陷进行二次修复，唯一的整改办法是对存在缺陷的焊口进行整体切除后重新焊接，施工内容就可能变更为更换部分管道、增设相应管件，从而增加了整体工作量，导致作业时间加倍延长、施工费用倍增的严重后果。由此可见保证热熔焊接质量的100%合格，在实际工作中的重要性。

1、 燃气用PE管道的材料特性

燃气用PE管道的聚乙烯混配料分级为PE80、PE100，密度为≥0.930g/m3，常用管材系列为SDR17.6、SDR11。PE管材具有如下特性：

⑴、优异的物理性能。中密度的管材具有高密度管材的刚性、强度，也具有较好的柔性、耐蠕变性；高密度的管材更具有热熔连接性能优良的特点，有利于管道的焊接。

⑵、使用寿命长、抗腐蚀，埋地管道在-60～60℃范围内可使用50年以上。

⑶、材质无毒、无结垢层、不滋生细菌，管壁光滑能提高介质流速、增加流量如表1。

⑷、施工方便、工程整体经济效益高。

2、 燃气用PE管道的焊接原理

⑴、燃气用PE管材的热熔特性

当温度低于纤维软化点（120℃或126℃）时，PE管材的聚乙烯混配料高聚物的大分子和链段都不能运动，处于脆性玻璃态，为坚硬的固体，受外力作用时，发生的形变很小。当温度高于纤维软化温度时，高聚物大分子的链段开始运动，呈现出柔软而富有弹性的高弹态，产生高弹形变，弹性模量降低，形变能力增加，但为可逆形变；当温度接近或高于粘流温度（190℃）时，高聚物的大分子发生相对运动而具有流动性，随着温度的升高熔体流动速率将增加。随着温度的降低，大分子开始结晶，冷却速度快，结晶度低；冷却速度慢，结晶度高，结晶越充分。当加热温度过高时，部分聚合材料会出现热氧化破坏（热氧化破坏析出挥发性产物，如CO不饱和烃等；由于材料结构内发生变化和出现杂质的结果，使焊接接头的强度降低），聚合物熔体由于流动速率过大而出现对焊接工具粘附现象。考虑到上述情况，聚乙烯管道最好的焊接温度在190～230℃之间。

⑵、PE管道的焊接原理

燃气用PE管道的焊接原理为：用电加热方式（电热板、电阻丝）对焊接接触面的PE管材加热到熔融温度或材料粘流态转换温度之上，管材高聚物的大分子在热运动及外力的作用下强制的进行彼此迁移、打散、互相扩散和缠绕而熔合一体，随着温度的下降开始再次结晶，得到理想的结晶度，实现焊接目的。

3、燃气用PE管道的焊接方式

热熔对接焊

燃气用PE管材具有以上优异的物理性能及热熔特性，对于DE63以上口径或壁厚6mm以上管材（件）的连接，常用的焊接方式一般有热熔对接焊、电熔焊接两种。

⑴、热熔对接焊

是将待接管段端面利用加热板同时加热熔融后，撤去加热板后，迅速将两熔化端面压紧，并保压至接头冷却，完成热熔对接焊。

⑵、电熔焊接

是将电熔管件套（安装）在需焊接的管材上，然后用电熔焊机按设定的参数（时间、电压等）给电熔管件通电，使内嵌电阻丝的电熔管件内表面及管材的外表面在升温膨胀的焊接压力下相互熔合，冷却后管材和管件熔接为一体的焊接方式。

4、燃气用PE管道焊接的质量控制

在实际的焊接操作过程中，温度因素（环境温度、湿度、风速、焊机工作的稳定程度）、焊接面的洁净因素（湿度、风速、表面洁净度）、管道组对因素（同心度）等均会不同程度的干扰管材高聚物大分子的相互迁移、打散、扩散和缠绕的进行，影响焊接质量。

⑴、环境温度的影响

燃气用PE管道热熔连接的加热温度一般为：管材为PE80时，加热温度为200℃，管材为PE100时，加热温度为215～235℃，吸热时间一般在8～10S/mm范围内；电熔连接时，需注意现场电熔焊机的实际选型，对于具备温度补偿功能的电熔焊机应严格按管件标注的参数进行焊接，对不具备温度补偿功能的电熔焊机应根据环境温度对焊接参数进行重新调整（温度低于20℃时，增加焊接时间0.6%/℃；温度高于20℃时，减少焊接时间0.4%/℃）。管道施工现场的环境温度在冬季、夏季的差异较大，为了保证焊接质量，一般在夏季施工时不必在施工现场采取特殊的保温措施，焊接过程的加热温度、加热时间设定在正常范围，即可实现较理想的焊接质量；在冬季施工时（特别是在较寒冷地区），为了保证焊接过程中的预热阶段、吸热阶段的升温效果，降低切换阶段时的温度降损，保证焊接阶段的温度平稳及相对延长保压冷却阶段的时间，达到较好的结晶度、实现理想的热熔焊接工艺曲线，需要在施工现场采取搭建保温棚，提高棚内温度，并且把加热温度、加热时间均适当的设定在高限范围，最大可能的缩短切换对接时间（一般为>10S），以便获得一个较好的焊接工艺，保证焊接质量。

⑵、湿度的影响

湿度主要分为环境湿度（雨、雾）、管材湿度两方面。在热熔、电熔焊接中管材内、外表面的湿度因素要比环境湿度的因素对焊接质量影响大。

①、在影响温度因素方面：当管材表面的湿度较大，形成静态微小液珠时，在加热、吸热阶段中，由于液珠的存在会影响管材的升温效果；当焊接阶段中再次出现液珠（或液流）时，会加速管材温降的速率，干扰高聚物大分子的充分结晶而影响焊接质量。

②、在影响洁净因素方面：在焊接阶段中液珠遇热会变为蒸汽态，能够直接隔离管材部分高聚物大分子的相互熔合，形成气孔。如果在熔焊阶段中，液珠形成的高压蒸汽在焊接接触面间形成蒸气泄流通道，会导致焊接作业失败。

综上两个方面所述，在热熔、电熔焊接前应特别重视环境湿度（雨、雾）情况，对于环境湿度较大的作业环境必须采取较好的防护、隔离措施，保证焊接作业区不受外界因素的干扰，同时做好隔离区内部的空气流通，防止各种气体中毒、窒息危险的发生；必须做好对管道的内、外壁严格的湿度清洁工作，坚决防止液珠、液流的存在，为保证焊接质量提供基本条件。

⑶、环境风速影响

①、在影响温度因素方面：当环境温度较低（≤20℃）时，较大的风速在加热、吸热阶段会影响管材的升温效果，在焊接冷却阶段会加大管材温降的速率，干扰高聚物大分子的充分结晶而影响焊接质量。

②、在影响洁净因素方面：热熔、电熔焊接时，较大的风速（扬沙、尘）会使熔面的洁净度降低，杂质颗粒会阻碍高聚物大分子间的相互滑移和充分缠结，在结晶过程中会形成类似金属焊缝中的夹渣、未熔透等现象，导致焊口存在缺陷，若未及时返工处理，则为安全运行留下隐患。

以上两个方面，建议在风速较大（≥3级）的天气进行施工时，要在施工现场采取防风、防尘措施，或选择暂停施工。

⑷、焊机工作稳定程度对温度因素的影响

不稳定的电压对热熔、电熔焊接设备工作的稳定性有较大的影响。对热熔焊机来说，不稳定的电压容易引起加热板温度的不稳定，致使焊接熔面的温度波动，影响了吸热阶段的有效时间，最终会影响焊接质量；对电熔焊机来说，不稳定的电压会造成焊机输出电压波动，引起电熔管件电阻丝的热功率波动而改变了电熔管件焊接的实际工艺参数，导致焊接质量变坏。在实际操作中，焊接设备的电源尽可能的选择在供电网上连接，如确实无法连接电源而需用移动发电机组的，发电机的配备尽量选择工作稳定、输出功率相对较大的设备。

⑸、管道组对的因素影响

在热熔焊接过程中，主要考虑的是拟焊接管道端面同心度的相关操作。在施工现场中，由于管材的生产厂家、产品批次、现场施工条件、检测设备等因素，不建议进行同轴度夹角的焊接操作。在实际操作中，对接热熔焊机能够保证拟焊接管材处在同一轴线且错边量小于壁厚的10%。

在电熔焊接过程中，主要考虑的是管道承插焊口的组对工作。在施工现场中，主要有以下情况影响焊口的焊接质量：

①、由于管件与拟焊接管道同轴度的因素影响焊接质量。由于管道组对的同轴度问题，容易引起电阻丝偏出、熔体侧面溢流、管道内侧熔体溢流等现象的发生，导致焊接工作失败。在实际工作中对已能够同轴的拟焊接管道，应采取一切可能的措施来保证管道端口在焊接过程中保持稳定的同轴状态，必要时可以制作类似于对接热熔焊机样式的管道固定支架，对拟焊接管道在焊接过程中进行暂时的固定（同时做好支架卡具与管道接触表面的保护，防止管道划伤），使焊接管件内壁与管道外壁保持符合焊接规范要求的均匀间隙，这样可以有效的防止出现电热丝被熔体挤出熔焊面、熔体在间隙过大的位置流出焊接面等现象的发生，减小电熔焊接的失败几率。

②、由于管道对接面的间距过大（小），使有效熔焊面不符合规范要求而造成焊接工作失败。管道对接面的间距应满足燃气用埋地聚乙烯（PE）管件规范标准GB15558.2-2005要求的管道插入管件的最小深度、熔区最小长度的尺寸范围。在实际操作中管道接头与管件突台之间（或两个接头之间）的间隙应为5 ～10 mm ，来避免焊接加热时管接头膨胀伸长互相顶推，破坏熔合面的结合；应注意管道焊接端口的平整度，尽量保证管道端口与管道轴线垂直，让电熔焊的熔区长度保持均匀的尺寸，实现较好的焊接质量；防止出现由于对接间距过大、管件安装位置向一侧偏移，而造成熔区长度过小的现象，影响焊接质量。

③、尽量避免PE管件间的电熔焊接。由于电熔管件焊接的工艺参数是按照管件生产厂家规定的焊接电压和时间进行操作，具体的工艺参数已编入每个管件的条形码中（条形码上面有文字标识或管件标识），对于不同条形码的管件进行电熔焊接将无法得到理想的焊接效果。

⑹、目前燃气用PE管道的焊接质量评定方法

PE管道无法像钢制管道那样通过无损探伤检测来评定焊接质量，只能通过焊接全过程的控制来保证焊接质量。对于热熔对接焊的质量评定合格为目测法：两端管道在接口上应对准成一直线，焊口翻边均匀、对称、高度适中，焊缝最低点应高于管材表面，卷边底部的焊接界面不应出现熔和不足而造成的裂缝。对于电熔焊接的质量评定合格为：管道与管件对准成一直线，？管件两端的管道整个圆周表面有刮削痕迹，熔合过程中的熔解物没有渗出管件，管件应处于两边管道定位线的中间；电熔焊机在焊接过程自动报警、管件自带的熔合指示针（如有此装置）在加热过程中已完全跳起，说明加热过程顺利结束。

结束语： 影响燃气用PE管道焊接质量的因素较多，目前暂没有更为便捷的、实用的无损检验焊接质量方式，这就需要现场的操作人员要严格控制焊接过程中的每个细节，探寻更多的工作经验和有效的施工方法，保证PE管道的100%焊接质量，提高施工效率，降低施工成本，实现最大效益。

参考文献：

[1] 燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统管材（GB 15558.2-2003）.

[2] 燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统管件（GB 15558.2-2005）.

[3] 城市燃气实用手册石油工业出版社白世武主编.

[4] 四川森普管材产品手册.

[5] 城镇燃气输配工程施工及验收规范（CJJ33-2005）.