摘　要：隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，我國(guó)市政燃?xì)饧敖o水市場(chǎng)迅速擴(kuò)大。在“以塑代鋼”的國(guó)際大趨勢(shì)下，市政管道的 PE 管道系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展，其中的 PE 管件的需求量日益增加。在各類(lèi) PE 管件中，電熔管件的技術(shù)含量最高。文章介紹了 PE(聚乙烯)電熔管件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出了 PE 電熔管件的設(shè)計(jì)原則及應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：PE 電熔管件；埋地燃?xì)夤艿?；給水管道；固有熱功量；焊接功率密度

由于電熔管件研發(fā)難度高，生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要被幾家國(guó)外公司所控制。如德國(guó)“格林韋德(GLYNWED)集團(tuán)的弗亞泰克”(FRIATEC)、法國(guó)伊諾瓦斯(INN0GAS)等，隨著我國(guó)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，當(dāng)前數(shù)家國(guó)內(nèi)公司在電熔管件的研發(fā)制造上也開(kāi)始嶄露頭角，本文特提出電熔管件的設(shè)計(jì)思路，供讀者參考。

1 PE電熔管件概述

1.1 PE管道系統(tǒng)的發(fā)展

PE(聚乙烯)是一個(gè)可由多種工藝方法生產(chǎn)的，具有多種結(jié)構(gòu)和特性及多種用途的系列品種樹(shù)脂，已占世界合成樹(shù)脂產(chǎn)量的三分之一，居第一位。PE管的應(yīng)用始于20世紀(jì)40年代，最初用做電話線導(dǎo)管和礦井無(wú)壓排水(低密度PE管)。20世紀(jì) 50年代中期，PE管用于給水(高密度PE管)。20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始采用PE管輸配天然氣(采用中高密度PE管)。目前PE管道系統(tǒng)已成為在PVC-U管之后，世界上消費(fèi)量第二大的塑料管道品種。廣泛用于燃?xì)廨斔?、給水、排污、農(nóng)業(yè)灌溉、油田、礦山、化工及郵電通訊等領(lǐng)域。

1.2 PE電熔管件的特點(diǎn)

在聚乙烯管道系統(tǒng)的銷(xiāo)售、應(yīng)用中，大約有15%～20%的銷(xiāo)售額屬于管件，聚乙烯管道系統(tǒng)的管件主要分為熱熔管件和電熔管件兩種，由于價(jià)格的原因在工程應(yīng)用中熱熔管件的用量比電熔管件多，但是電熔管件在工程和維修中有它重要、不可替代的作用，特別是在施工中電熔管件受外界環(huán)境和人為因素的影響較小，因此可靠性更好，更受用戶歡迎。尤其在燃?xì)夤芄こ讨姓絹?lái)越多地使用電熔管件。同時(shí)由于電熔管件生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜、成本高、銷(xiāo)售價(jià)也較高，因此電熔管件生產(chǎn)廠的利潤(rùn)率也較高，而成為投資的熱點(diǎn)。

同時(shí)，由于電熔管件的基體為PE材料，因此，與PE管組成的PE管道系統(tǒng)一起解決了傳統(tǒng)管道的兩大難題：腐蝕和接頭處泄漏。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)如下：(1)耐腐蝕：使用壽命長(zhǎng)；(2)接頭處不泄漏：采用電熔管件連接，本質(zhì)上保證PE管道系統(tǒng)的接口材質(zhì)、結(jié)構(gòu)與管體本身的同一性，實(shí)現(xiàn)了接頭與管材的一體化；(3)可對(duì)地下運(yùn)動(dòng)和端載荷進(jìn)行有效抵抗：PE管道系統(tǒng)采用熔接方法連接后，基于此種方法的接頭耐端載荷，不會(huì)發(fā)生接頭泄漏。同時(shí)，PE的應(yīng)力松弛特性可有效地通過(guò)形變而消耗應(yīng)力，因此，在接合處和彎曲處，多數(shù)情況下不需要進(jìn)行費(fèi)用昂貴的錨定。另基于其高韌性，斷裂伸長(zhǎng)率一般超過(guò)500%，PE管道系統(tǒng)對(duì)管基不均勻沉降的適應(yīng)能力非常強(qiáng)。

2 PE電熔管件的應(yīng)用領(lǐng)域及標(biāo)準(zhǔn)

2.1埋地燃?xì)夤艿?/span>

我國(guó)是世界上很少幾個(gè)在能源構(gòu)成中以煤為主的國(guó)家，我國(guó)天然氣在能源構(gòu)成中比例僅占2%，而世界平均值約為23%。我國(guó)近30年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速，但仍與發(fā)達(dá)國(guó)家有較大的差距，并且空氣污染非常嚴(yán)重。為此，必須改變能源結(jié)構(gòu)，大幅度地增加天然氣所占的比例。國(guó)家對(duì)于城市利用天然氣，已制定了近期、中期和遠(yuǎn)期規(guī)劃，最有代表性的是“西氣東輸”管線工程。目前，超270個(gè)城市使用天然氣，氣量高達(dá)400億以上m³。發(fā)展前景十分廣闊。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整為PE燃?xì)夤艿赖目焖侔l(fā)展帶來(lái)了重大契機(jī)。在一定的壓力和口徑范圍內(nèi)，PE管是天然氣輸配系統(tǒng)的最理想用材。

2.2用于埋地燃?xì)夤艿赖碾娙酃芗?biāo)準(zhǔn)

2.3給水管

我國(guó)《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》中提出的主功方向：提高供水水質(zhì)，提高供水安全可靠性，降低能耗、降低漏耗和降低藥耗。

PE系統(tǒng)材質(zhì)無(wú)毒，不腐蝕，不結(jié)垢，可以有效地提高管網(wǎng)水質(zhì)；PE管道具有良好的耐水錘壓力的能力，與管材一體化的熔接接頭及PE管對(duì)地下運(yùn)動(dòng)和端載荷的有效抵抗能力，大大地提高了供水的安全可靠性；PE管內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度K不超過(guò)0.01mm，而新的鋼管，球墨鑄鐵管K=0.06mm；金屬管道運(yùn)行20年，K值將增大5～10倍，而PE管K值基本不變，水利特性?xún)?yōu)異，能夠有效地降低供水能耗；PE管具有其它材質(zhì)管道沒(méi)有的獨(dú)特的熔融連接方式，韌性高，且試壓驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，可大幅度地降低城市水管網(wǎng)的漏失率。因此可以認(rèn)為PE管道比較理想地解決了“規(guī)劃”中主攻問(wèn)題，是本世紀(jì)城市給水的理想管材。

2.4用于給水管道的電熔管件標(biāo)準(zhǔn)

3 PE電熔管件的設(shè)計(jì)原則與思路

PE電熔管件的技術(shù)水平比普通注塑管件復(fù)雜許多。它將電熱絲預(yù)埋在PE管件基體內(nèi)，焊接時(shí)將電熔管件套在待接的管材、管件上，通過(guò)加電使電熱絲發(fā)熱，從而熔化管件的內(nèi)表面和待焊管材外表面，冷卻后使之融為一體。因此，在電熔管件的設(shè)計(jì)上既應(yīng)考慮它的焊接強(qiáng)度等機(jī)械性能，也要考慮它的焊接電壓，功率等電氣性能。機(jī)械性能是保證電熔管件在壓力管網(wǎng)中能夠長(zhǎng)期經(jīng)受壓力的技術(shù)參數(shù)，主要包括原材料性能、徑厚比、熔接寬度等方面，比較容易實(shí)現(xiàn)。電氣性能是保證焊口質(zhì)量的重要因素，包括固有熱功量、焊接熱功量、焊接電壓、焊接時(shí)間、管件電阻、功率密度、加熱速度、電熱絲溫度系數(shù)、融區(qū)電熱絲螺距、埋入深度等技術(shù)指標(biāo)，合適的電氣性能才能保證電熔管件在PE管路中焊接合格，保證管路的可靠運(yùn)行。

3.1機(jī)械性能設(shè)計(jì)思路

3.1.1原材料的選用

聚乙烯原材料根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)及機(jī)械性能的不同，一般可分為三代：第一代，相當(dāng)于現(xiàn)在的PE63以下等級(jí)的PE材料；第二代，相當(dāng)于現(xiàn)在的PE80級(jí)PE材料；第三代，即性能更加優(yōu)異的PE100材料。

目前，國(guó)際上不少大型石油化工企業(yè)已經(jīng)大量生產(chǎn)PE100級(jí)材料，而且近年來(lái)又開(kāi)發(fā)出了第四代PE材料PE125，但還未進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。

第二、第三代PE材料不僅顯著增加了長(zhǎng)期強(qiáng)度，而且提高了耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂等性能。在同樣使用的壓力下可以減少壁厚，增加輸送截面，提高輸送能力。由于經(jīng)濟(jì)效益明顯，可應(yīng)用到直徑較大、使用環(huán)境較差的場(chǎng)合(如低溫地區(qū)、海底)。因此承壓PE管的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。

承壓塑料管道的基礎(chǔ)樹(shù)脂，如第三代聚乙烯材料PE100是特定的二元分布管道樹(shù)脂，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是精細(xì)地控制了分子量分布和組成分布，高分子量級(jí)分和低分子量級(jí)分各占約一半。高分子量級(jí)分含有共聚單體，生成大量把片晶連起來(lái)的連接分子，提供了很高的長(zhǎng)期強(qiáng)度和快速開(kāi)裂裂紋增長(zhǎng)阻力。分子量低的級(jí)分是均聚物，保證了樹(shù)脂有高的結(jié)晶度和剛性，熔融時(shí)起到內(nèi)加工助劑的作用，使PE熔體在高的剪切率時(shí)有低黏度，從而提供了好的可加工性。

3.1.2幾何參數(shù)

幾何參數(shù)主要指產(chǎn)品的外形尺寸，內(nèi)徑，壁厚，熔區(qū)寬度等。這些指標(biāo)主要參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此有較詳盡的規(guī)定，故很容易確定。

3.2電氣性能設(shè)計(jì)思路

3.2.1固有熱功量Q

圖1為管材插入電熔管件后的裝配剖面圖。電熔管件焊接的過(guò)程即為電熱轉(zhuǎn)換的過(guò)程。焊接中，電熱絲所產(chǎn)生的熱量應(yīng)將紅色區(qū)域中物料加熱到230℃左右，此溫度下PE熔融狀態(tài)最佳，冷卻后接頭質(zhì)量最好。在管件直徑D、熔區(qū)寬度L2、熔區(qū)深度P確定的情況下，此管件的固有熱功量為：

Q=ΠDL2PKρ　　　　(1)

其中，K為PE比熱，ρ為PE密度。從(1)式中可看出，Q由管件直徑D、熔區(qū)寬度L2、熔區(qū)深度P所決定，固有熱功是設(shè)計(jì)管件焊接參數(shù)的基準(zhǔn)。插入電熔管件后的裝配剖面圖。電熔管件焊接的過(guò)程即為電熱轉(zhuǎn)換的過(guò)程。

3.2.2焊接熱功量 W

電熔管件的焊接能量由電熱絲通電后產(chǎn)生。其所產(chǎn)生的能量與電熔管件的固有熱功相等是保證電熔管件焊口質(zhì)量的必要條件。電熱絲所產(chǎn)生能量可由下式算出：

W=U²T/R=PT　　　(2)

式中，U為焊接電壓，T為焊接時(shí)間，R為管件電阻，P為焊接功率。

式(2)為一個(gè)三元函數(shù)，其中U為39.5V已為世界大多數(shù)國(guó)家所采用，其中包括我國(guó)。當(dāng)根據(jù)Q＝W確定下W后，如何確定R與T的值，是設(shè)計(jì)電熔管件的關(guān)鍵所在，需要對(duì)二者進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)優(yōu)化。

3.2.3焊接功率密度 dp/ds

功率密度即為熔區(qū)內(nèi)單位面積上容許施加的焊接功率。電熔管件的口徑不同，焊接功率密度也不同。該值可由試驗(yàn)來(lái)取得。當(dāng)它確定之后，就可計(jì)算出電熔管件的焊接功率：

P=(dp/ds)S　　　　 (3)

式中，S為熔區(qū)面積。由P=U2/R，U=39.5V，可計(jì)算出R的值：R=U²/P。另由(2)式可得：T=Q/P或T=WR/U²，從而將焊接時(shí)間T確定。

3.2.4電熱絲溫度系數(shù)

目前用于制造電熔管件所用的電熱絲種類(lèi)很多，包括合金絲、康銅絲、黃銅絲、紫銅絲及銅包鐵絲等材料。這些材料的電阻隨溫度升高都不斷增大。我們知道：

焊接功率：

P=U²/R=U²/R₀(1+λt)　　　 (4)

式中，R0為常態(tài)電阻，t為焊接過(guò)程中的溫度。

由于溫度系數(shù)λ的存在，隨著焊接過(guò)程中溫度的升高，則分母數(shù)值不斷加大，造成焊接功率的不斷減小，最后的結(jié)果即為焊接能量不足，導(dǎo)致焊口質(zhì)量不好。因此，為保證焊接能量，該系數(shù)越小越好。在上述幾種材料中，康銅絲的電阻溫度系數(shù)最好，應(yīng)為首選材料；而銅包鐵絲最差，既大且不穩(wěn)定，一般不予考慮使用之。

綜合以上各因素，一件合格的電熔PE管件才能被設(shè)計(jì)出來(lái)。隨著國(guó)內(nèi)PE電熔管件產(chǎn)品在燃?xì)夂徒o水領(lǐng)域的廣泛使用，這種產(chǎn)品市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，會(huì)有越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)廠商投入到PE電熔管件的研發(fā)生產(chǎn)中來(lái)。按照本文所提供的設(shè)計(jì)思路和方法，可以相信會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)同仁有些幫助。

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[10] Georg Fisher 公司技術(shù)資料．

(本文作者：婁玉川 上海喬治費(fèi)歇爾亞大塑料管件制品有限公司 上海 201805)