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摘 要: 热熔对接连接方式是HDPE管道目前采用最多的连接方式之一，其焊口质量受管道壁厚，压力、温度、时间等参数，环境温度，天气情况等多种因素的影响；我们从这些关键因素展开研究，经工程实践，总结形成了完整的HDPE管道焊接过程中工艺参数的控制方法，大大提高了焊口质量及施工效率。
关键词: HDPE管道；焊接；工艺研究
中图分类号：TG4文献标识码： A
1引言
HDPE管道是一种结晶度高的热塑性树脂管材，具有使用寿命长、耐腐蚀、耐磨损、耐冲击、施工方便、适合埋设等优点，在欧洲和北美被广泛的应用于诸多领域。HDPE管道连接方式多种多样，其中热熔对接连接是目前采用最多的一种连接方式；热熔对接连接焊口常见质量问题有焊环高度、宽度超标，接口错位值超标、焊缝起皱、焊带存在气孔等；本文经过工程实践，总结形成了完整的HDPE管道焊接过程中工艺参数的控制方法，并在马来西亚曼绒电厂中成功应用。
2 HDPE管道焊接原理
在特定的温度下，将HDPE管焊接端经加热熔化后，施以规定的压力作用，使HDPE管焊接端相互连接融合，然后经保压冷却而使管材熔接成为一体。
3 热熔对接连接需要控制的重要参数
与热熔对接连接直接相关的参数有温度、压力、时间三个因素。以时间t作x轴，以焊接过程中对应的压力P及温度T作y轴，可得到如图3.1所示的热熔焊接过程曲线。热熔焊接过程曲线图实际上是焊接过程压力、时间关系图。
图3.1 热熔焊接过程曲线
3.1加热压力
加热压力是指加热阶段，为使两管端充分熔融，而施加的一个力。具体公式如下：
其中：
指加热压力；
指拖动压力，即油缸运动克服系统阻力所需压力；
指焊接面截面积；
指油缸活塞总面积。
从上述公式可以看出,拖动压力的大小直接影响着加热压力的大小，为避免拖动压力过大，超出机器所能承受的范围，可以采用管道下方垫短管或吊带悬吊的方法以及同一系统管道焊接，尽量依照图纸从一端连续施焊接至另一端的方式来减小摩擦力，降低拖动压力。
3.2加热温度
加热温度指加热板表面温度，加热温度既要保证管材端面迅速熔融，又要保证焊制管件不因温度过高而发生降解。对于PE100的HDPE管道，其熔接时加热板温度标准值为220℃10℃。
3.3加热时间
加热时间按卷边高度确定，即当卷边高度达到最小卷边高度所需的时间。依据下列公式得出：
其中：为管材壁厚，单位mm。
3.4吸热时间
吸热阶段，在降压条件下的吸热时间。吸热时间 （单位s）按下列公式计算：
其中：为管材壁厚，单位mm。
3.5吸热压力
吸热阶段，在降压条件下的压力，吸热压力略等于拖动压力，即≈；其作用主要是防止管材回弹，使管材紧贴在加热板上，提高加热效果，减少加热时间。
3.6切换时间
从移开加热板到两管段合拢到一起并达到热熔压力的时间为切换时间，为保证熔融对接质量，切换周期越短越好。任何规格管材切换时间均应小于10秒。
3.7升压时间
从切换结束，两管端接触到平稳快速加压至热熔压力所需的时间。
升压时间按下列公式计算：
其中：为管材外径，单位mm。
3.8热熔压力
在切换后达到并在冷却期间维持的压力，即。
3.9冷却时间
从达到热熔压力到冷却结束这段时间为冷却时间。其取值公式为：
其中：
K为壁厚系数，为管材壁厚，单位mm。
K=0.5（≤10mm）
K=0.03+0.2 （10mm）
4 参数修正
热熔对接连接焊口质量受管道壁厚，压力、温度、时间等参数，环境温度，天气情况等多种因素的影响，为了提高焊口的一次合格率，需要对焊接过程的参数进行修正。
4.1 加热温度的修正
对于PE100的HDPE管道，其熔接时加热板温度标准值为220℃10℃。当管道壁厚较大时，加热板温度需要上调，靠近上限；当管道壁厚较小时，加热板温度需要下调，靠近下限。曼绒项目设计的HDPE管道厚度最大为33.1mm，最小为3mm，根据以往经验，可对因壁厚而需补偿的温度值进行如下表所示的量化取值：
HDPE管道厚度（mm） 需补偿的温度值（℃） 补偿后的温度值（℃）
h≤10.8 -10 210
10.8＜h＜20.5 -5 215
h20.5 0 220
20.5＜h≤28.6 5 225
表4.1管道壁厚与加热温度补偿对照表
4.2 冷却时间的修正
由于对接过程中环境温度的变化，直接影响着熔接区的热传递条件，进而影响熔接质量。为减弱环境温度及光照强度给熔接质量带来的影响，在施工过程中，可采用表4.2所示的根据环境温度及光照强度情况对冷却时间参数进行补偿的方式，来保证热熔接口的质量。
环境温度T（℃） 天气情况 需补偿的冷却时间值（min）
35＜T 晴，光照强烈 +（T-35）*1
35＜T 阴天或雨天 +（T-35）*0.5
T≤5 晴，光照强烈 -（5-T）*0.5
T≤5 阴天或雨天 -（5-T）*1
表4.2环境温度及光照强度与冷却时间补偿对照表
5操作要点及注意事项
5.1管道找正
用干净的布清除待焊两管端部的污物，根据管材规格，选择合适的卡瓦，将管材置于焊机机架卡瓦内，使对接两端伸出的长度大致相等且在满足铣削和加热要求的情况下应尽可能缩短。管材在机架以外的部分用支撑架托起，使管材轴线与机架中心线处于同一高度，然后用卡瓦紧固好。
5.2铣削管端
置入铣刀，然后缓慢合拢两管材焊接端，并加以适当的压力，当两端面均有连续的、宽度与管道壁厚一致的切屑出现时，撤掉压力，略等片刻，退出机架，最后再停铣刀。确保切削所焊管段端面的杂质和氧化层，保证两对接端面平整、光洁，有效防止端面出台阶，毛刺。
5.3 管道对中检查
取出铣刀后，合拢两管段，检查两端对齐情况。两对焊管段的错边应越小越好，如果错边大，会导致应力集中，错边不应超过壁厚的10％。管材两端面间的间隙也不应超过壁厚的10%，否则应再次铣削，直到满足上述要求。
5.4加热管端
用干净的抹布将加热板表面的灰尘和残留物清除干净，应注意不能划伤加热板表面的不粘层，检查加热板温度是否达到设定值。加热板温度达到设定值后，放入机架，施加压力，直到两边最小卷边达到规定宽度时压力减小到规定值，进行吸热。保证有足够熔融料，以备熔融对接时分子相互扩散。
5.5焊口熔融
吸热时间达到后，松开机架，迅速取出加热板，然后合拢两管端，施加一定压力,使两管端熔融对接。从吸热结束到熔融对接开始这段时间为切换周期，为保证熔融对接质量，切换周期越短越好。
5.6焊口冷却
当两管端熔融接触后，升压至热熔压力，保持状态至冷却时间结束，缓慢冷却焊接焊口。由于塑料材料导热性差，冷却速度相应缓慢。焊缝材料的收缩、结构的形成过程在长时间内以缓慢的速度进行。因此，焊缝的冷却必须在一定的压力下进行。冷却到规定时间后，卸压，松开卡瓦，即完成管道的焊接。
6 焊后的检验
6.1 目测检查
目测检查焊口应符合以下标准：
（1）焊缝两边卷边均匀、尺寸相近；
（2）焊缝高度应高于管材表面；
（3）卷边表面饱满光洁；
（4）管端错边不应超过壁厚的10%。
6.2焊口的量化检查
利用测量焊环高度、宽度的方式，量化焊口质量检验标准。经工程实践总结，标准如下：
焊环的高度值标准范围：
焊环的宽度值标准范围：
其中为管材壁厚，单位mm。
6.3 水压试验
压力试验的測试压力为管道工作压力的1.5倍。压力试验开始指令下达后，打开放气阀，向试压管道内注满干净的水，当放气阀处有水流出时，关闭放气阀，开启打压泵进行打压。开始时，先将压力上升到工作压力值并稳压15分钟，参与试验人员沿线巡视，观察焊口有无肉眼可见的泄漏点、压力表值是否发生明显的下降。若无泄漏，继续将压力上升到工作压力的1.5倍，稳压1小时，管道无泄漏且无压降，则压力试验合格。压力试验时间最好选择在清晨或傍晚，这样能有效减轻气温对压力试验结果的影响。
图6.3HDPE管道水压试验示意图
7 结束语
本文通过叙述HDPE管道热熔对接连接方式各重要参数的控制要点及焊接过程中注意事项，为提高HDPE管道热熔对接连接焊口质量及合格率提供重要参考依据；HDPE管道具有良好的材料性能，其热熔对接连接操作简便、施工速度快，必将在更多领域得到广泛推广和应用。
参 考 文 献：
［1］王宗军. 高密度聚乙烯管道施工方法[J].石油工程建设,2009,(35).
［2］梅小明. 燃气用聚乙烯管道在工程施工中的实践和工艺探讨[J].河南科技,2011,(8).
［3］杨洪波. 检验聚乙烯管道焊接[J].品牌与标准化,2009,(3).
［4］崔奇. 聚乙烯管道的特点及应用[J].建设科技,2002,(5).
［5］王凤玲. 浅谈HDPE(高密度聚乙烯)管道连接方法[J].网络财富,2009,(14).
关键词: HDPE管道；焊接；工艺研究
中图分类号：TG4文献标识码： A
1引言
HDPE管道是一种结晶度高的热塑性树脂管材，具有使用寿命长、耐腐蚀、耐磨损、耐冲击、施工方便、适合埋设等优点，在欧洲和北美被广泛的应用于诸多领域。HDPE管道连接方式多种多样，其中热熔对接连接是目前采用最多的一种连接方式；热熔对接连接焊口常见质量问题有焊环高度、宽度超标，接口错位值超标、焊缝起皱、焊带存在气孔等；本文经过工程实践，总结形成了完整的HDPE管道焊接过程中工艺参数的控制方法，并在马来西亚曼绒电厂中成功应用。
2 HDPE管道焊接原理
在特定的温度下，将HDPE管焊接端经加热熔化后，施以规定的压力作用，使HDPE管焊接端相互连接融合，然后经保压冷却而使管材熔接成为一体。
3 热熔对接连接需要控制的重要参数
与热熔对接连接直接相关的参数有温度、压力、时间三个因素。以时间t作x轴，以焊接过程中对应的压力P及温度T作y轴，可得到如图3.1所示的热熔焊接过程曲线。热熔焊接过程曲线图实际上是焊接过程压力、时间关系图。
图3.1 热熔焊接过程曲线
3.1加热压力
加热压力是指加热阶段，为使两管端充分熔融，而施加的一个力。具体公式如下：
其中：
指加热压力；
指拖动压力，即油缸运动克服系统阻力所需压力；
指焊接面截面积；
指油缸活塞总面积。
从上述公式可以看出,拖动压力的大小直接影响着加热压力的大小，为避免拖动压力过大，超出机器所能承受的范围，可以采用管道下方垫短管或吊带悬吊的方法以及同一系统管道焊接，尽量依照图纸从一端连续施焊接至另一端的方式来减小摩擦力，降低拖动压力。
3.2加热温度
加热温度指加热板表面温度，加热温度既要保证管材端面迅速熔融，又要保证焊制管件不因温度过高而发生降解。对于PE100的HDPE管道，其熔接时加热板温度标准值为220℃10℃。
3.3加热时间
加热时间按卷边高度确定，即当卷边高度达到最小卷边高度所需的时间。依据下列公式得出：
其中：为管材壁厚，单位mm。
3.4吸热时间
吸热阶段，在降压条件下的吸热时间。吸热时间 （单位s）按下列公式计算：
其中：为管材壁厚，单位mm。
3.5吸热压力
吸热阶段，在降压条件下的压力，吸热压力略等于拖动压力，即≈；其作用主要是防止管材回弹，使管材紧贴在加热板上，提高加热效果，减少加热时间。
3.6切换时间
从移开加热板到两管段合拢到一起并达到热熔压力的时间为切换时间，为保证熔融对接质量，切换周期越短越好。任何规格管材切换时间均应小于10秒。
3.7升压时间
从切换结束，两管端接触到平稳快速加压至热熔压力所需的时间。
升压时间按下列公式计算：
其中：为管材外径，单位mm。
3.8热熔压力
在切换后达到并在冷却期间维持的压力，即。
3.9冷却时间
从达到热熔压力到冷却结束这段时间为冷却时间。其取值公式为：
其中：
K为壁厚系数，为管材壁厚，单位mm。
K=0.5（≤10mm）
K=0.03+0.2 （10mm）
4 参数修正
热熔对接连接焊口质量受管道壁厚，压力、温度、时间等参数，环境温度，天气情况等多种因素的影响，为了提高焊口的一次合格率，需要对焊接过程的参数进行修正。
4.1 加热温度的修正
对于PE100的HDPE管道，其熔接时加热板温度标准值为220℃10℃。当管道壁厚较大时，加热板温度需要上调，靠近上限；当管道壁厚较小时，加热板温度需要下调，靠近下限。曼绒项目设计的HDPE管道厚度最大为33.1mm，最小为3mm，根据以往经验，可对因壁厚而需补偿的温度值进行如下表所示的量化取值：
HDPE管道厚度（mm） 需补偿的温度值（℃） 补偿后的温度值（℃）
h≤10.8 -10 210
10.8＜h＜20.5 -5 215
h20.5 0 220
20.5＜h≤28.6 5 225
表4.1管道壁厚与加热温度补偿对照表
4.2 冷却时间的修正
由于对接过程中环境温度的变化，直接影响着熔接区的热传递条件，进而影响熔接质量。为减弱环境温度及光照强度给熔接质量带来的影响，在施工过程中，可采用表4.2所示的根据环境温度及光照强度情况对冷却时间参数进行补偿的方式，来保证热熔接口的质量。
环境温度T（℃） 天气情况 需补偿的冷却时间值（min）
35＜T 晴，光照强烈 +（T-35）*1
35＜T 阴天或雨天 +（T-35）*0.5
T≤5 晴，光照强烈 -（5-T）*0.5
T≤5 阴天或雨天 -（5-T）*1
表4.2环境温度及光照强度与冷却时间补偿对照表
5操作要点及注意事项
5.1管道找正
用干净的布清除待焊两管端部的污物，根据管材规格，选择合适的卡瓦，将管材置于焊机机架卡瓦内，使对接两端伸出的长度大致相等且在满足铣削和加热要求的情况下应尽可能缩短。管材在机架以外的部分用支撑架托起，使管材轴线与机架中心线处于同一高度，然后用卡瓦紧固好。
5.2铣削管端
置入铣刀，然后缓慢合拢两管材焊接端，并加以适当的压力，当两端面均有连续的、宽度与管道壁厚一致的切屑出现时，撤掉压力，略等片刻，退出机架，最后再停铣刀。确保切削所焊管段端面的杂质和氧化层，保证两对接端面平整、光洁，有效防止端面出台阶，毛刺。
5.3 管道对中检查
取出铣刀后，合拢两管段，检查两端对齐情况。两对焊管段的错边应越小越好，如果错边大，会导致应力集中，错边不应超过壁厚的10％。管材两端面间的间隙也不应超过壁厚的10%，否则应再次铣削，直到满足上述要求。
5.4加热管端
用干净的抹布将加热板表面的灰尘和残留物清除干净，应注意不能划伤加热板表面的不粘层，检查加热板温度是否达到设定值。加热板温度达到设定值后，放入机架，施加压力，直到两边最小卷边达到规定宽度时压力减小到规定值，进行吸热。保证有足够熔融料，以备熔融对接时分子相互扩散。
5.5焊口熔融
吸热时间达到后，松开机架，迅速取出加热板，然后合拢两管端，施加一定压力,使两管端熔融对接。从吸热结束到熔融对接开始这段时间为切换周期，为保证熔融对接质量，切换周期越短越好。
5.6焊口冷却
当两管端熔融接触后，升压至热熔压力，保持状态至冷却时间结束，缓慢冷却焊接焊口。由于塑料材料导热性差，冷却速度相应缓慢。焊缝材料的收缩、结构的形成过程在长时间内以缓慢的速度进行。因此，焊缝的冷却必须在一定的压力下进行。冷却到规定时间后，卸压，松开卡瓦，即完成管道的焊接。
6 焊后的检验
6.1 目测检查
目测检查焊口应符合以下标准：
（1）焊缝两边卷边均匀、尺寸相近；
（2）焊缝高度应高于管材表面；
（3）卷边表面饱满光洁；
（4）管端错边不应超过壁厚的10%。
6.2焊口的量化检查
利用测量焊环高度、宽度的方式，量化焊口质量检验标准。经工程实践总结，标准如下：
焊环的高度值标准范围：
焊环的宽度值标准范围：
其中为管材壁厚，单位mm。
6.3 水压试验
压力试验的測试压力为管道工作压力的1.5倍。压力试验开始指令下达后，打开放气阀，向试压管道内注满干净的水，当放气阀处有水流出时，关闭放气阀，开启打压泵进行打压。开始时，先将压力上升到工作压力值并稳压15分钟，参与试验人员沿线巡视，观察焊口有无肉眼可见的泄漏点、压力表值是否发生明显的下降。若无泄漏，继续将压力上升到工作压力的1.5倍，稳压1小时，管道无泄漏且无压降，则压力试验合格。压力试验时间最好选择在清晨或傍晚，这样能有效减轻气温对压力试验结果的影响。
图6.3HDPE管道水压试验示意图
7 结束语
本文通过叙述HDPE管道热熔对接连接方式各重要参数的控制要点及焊接过程中注意事项，为提高HDPE管道热熔对接连接焊口质量及合格率提供重要参考依据；HDPE管道具有良好的材料性能，其热熔对接连接操作简便、施工速度快，必将在更多领域得到广泛推广和应用。
参 考 文 献：
［1］王宗军. 高密度聚乙烯管道施工方法[J].石油工程建设,2009,(35).
［2］梅小明. 燃气用聚乙烯管道在工程施工中的实践和工艺探讨[J].河南科技,2011,(8).
［3］杨洪波. 检验聚乙烯管道焊接[J].品牌与标准化,2009,(3).
［4］崔奇. 聚乙烯管道的特点及应用[J].建设科技,2002,(5).
［5］王凤玲. 浅谈HDPE(高密度聚乙烯)管道连接方法[J].网络财富,2009,(14).