PP-R電熔管件設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

高莉 毛星劍 謝青娜 陳偉

浙江偉星新型建材股份有限公司 浙江臨海 317000

PP-R管道在建筑給水及工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，施工的工況也越來(lái)越復(fù)雜，且管道的應(yīng)用口徑越來(lái)越大。傳統(tǒng)PPR管道連接主要采用熱熔承插連接，在小口徑領(lǐng)域由于其操作方便，占據(jù)著重要地位，但隨著焊接口徑的加大，其焊接所需的設(shè)備及操作空間也越來(lái)越大，普通熱熔承插焊接施工無(wú)法滿足需求，操作不夠便利，同時(shí)焊接質(zhì)量無(wú)法得到保障。而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于PP-R電熔管件內(nèi)容相對(duì)較少，無(wú)法進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，同時(shí)焊接質(zhì)量判定沒(méi)有明確，闡述的不夠詳細(xì)。

1 PP-R電熔管件概述

電熔連接在PE管道上應(yīng)用較多，技術(shù)也較為成熟，但在PP-R管道上的應(yīng)用相對(duì)較少，技術(shù)也不夠成熟。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家較少，從生產(chǎn)工藝上看，PP-R電熔管件加工技術(shù)與PE電熔管件類(lèi)似，主要有先注塑后布線和先布線注塑兩種成型模式。兩種生產(chǎn)的管件加工技術(shù)雖有不同，但管件焊接的工作原理相通，均是通過(guò)管件內(nèi)置電阻絲發(fā)熱，管件與管材熔接區(qū)的材料受熱膨脹并熔融，在熔區(qū)位置形成一定的熔體壓力，最終將管件與管材的分子重新纏繞結(jié)合為一體。PP-R材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.21W/m?k[1]，PE材料的導(dǎo)熱為0.42W/m?k[2]，PP-R材料的導(dǎo)熱只有PE的一半，因此需要充分考慮材料吸熱與擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)平衡。

2 PP-R電熔管件設(shè)計(jì)原則

PP-R電熔管件的設(shè)計(jì)主要可分為尺寸設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)兩大部分。尺寸設(shè)計(jì)方面，在軸向上主要是管件長(zhǎng)度，依據(jù)GB/T18742.3-2017標(biāo)準(zhǔn)要求，PP-R電熔長(zhǎng)度一般按最長(zhǎng)的要求設(shè)計(jì)，內(nèi)外冷卻區(qū)盡量進(jìn)行均分，確保熔融料不會(huì)溢出；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的熔接區(qū)長(zhǎng)度較短，一般以標(biāo)準(zhǔn)最小要求的1.8倍以上進(jìn)行設(shè)計(jì)。在徑向上主要是管件壁厚，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PP-R管系列主要分為S2、S2.5、S3.2、S4、S5、S6.3這六個(gè)系列[3]，S2和S6.3在管道應(yīng)用中較少，因此在設(shè)計(jì)PP-R電熔管件時(shí)，S2.5-S5這四大類(lèi)是主要設(shè)計(jì)規(guī)格。PP-R管道通常應(yīng)用于熱水管道系統(tǒng)，因此管件壁厚比PE厚，從S2.5到S5跨越多個(gè)等級(jí)的規(guī)格時(shí)，不同系列的PP-R電熔管件壁厚差異更大，設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行區(qū)分。通常將S2.5和S3.2歸為同一個(gè)系列，按S2.5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壁厚設(shè)計(jì)；將S4和S5歸為同一個(gè)系列，按S4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壁厚設(shè)計(jì)。

電氣設(shè)計(jì)方面，主要是電熔管件焊接能量的設(shè)計(jì)，焊接能量由管件內(nèi)置的電阻絲通電后發(fā)熱產(chǎn)生。電阻絲所產(chǎn)生的能量可由以下公式算出：

式中，Q為管件的輸出能量，P為焊接功率，T為焊接時(shí)間，U為焊接電壓，R為管件電阻值[4]。PP-R焊接電壓通常采用39.5v的固定值，電氣設(shè)計(jì)主要是以電阻值和焊接時(shí)間為主。

3 焊接功率對(duì)焊接質(zhì)量的影響

固定焊接電壓為39.5v，通過(guò)調(diào)整電阻值調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)功率，測(cè)試焊接時(shí)熔融料溢出情況及剝離情況。本次焊接規(guī)格為dn110，焊接電壓為39.5v，焊接時(shí)間為250s，見(jiàn)表1。

測(cè)試結(jié)果表明，在總的焊接時(shí)間不變的情況下，焊接功率較高時(shí)，焊接后熔融料越容易溢出，焊接后剝離測(cè)試的脆性開(kāi)裂占比較高，主要是焊接后內(nèi)部氣孔較多。焊接功率降低后，焊接后熔融料無(wú)溢出，焊接后剝離測(cè)試的脆性開(kāi)裂有所上升，主要是虛焊現(xiàn)象增多。

表1 焊接功率對(duì)焊接質(zhì)量的影響

4 焊接時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量的影響

焊接規(guī)格選用dn110，以相同焊接功率進(jìn)行不同焊接時(shí)間的焊接性能測(cè)試。焊接電壓為39.5v，設(shè)計(jì)電阻值為2.00Ω，管件設(shè)計(jì)的標(biāo)稱(chēng)焊接時(shí)間為250s。

表2 焊接時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量的影響

在固定的焊接功率下，從熔融料溢出的情況上看，焊接時(shí)間加長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)熔融料溢出。從焊接后剝離測(cè)試上看，焊接時(shí)間越短，則出現(xiàn)脆性開(kāi)裂的占比越高，主要為管件的虛焊增多；焊接時(shí)間越長(zhǎng)，在超過(guò)一定量后，會(huì)出現(xiàn)脆性開(kāi)裂占比增加，主要為焊接后內(nèi)部氣孔增加。

5 電阻絲材質(zhì)對(duì)焊接質(zhì)量的影響

不同材質(zhì)電阻絲的電阻溫度系數(shù)不同，溫度系數(shù)越高則焊接后電阻值越大，焊接功率下降越明顯，反之則焊接功率越穩(wěn)定。在相同的設(shè)計(jì)功率下進(jìn)行焊接，分析純銅絲和不同鎳含量銅絲管件的電阻值變化與剝離效果。焊接電壓為39.5v，設(shè)計(jì)電阻值為2.00Ω，管件設(shè)計(jì)的標(biāo)稱(chēng)焊接時(shí)間為250s。

隨著銅絲中鎳含量的上升，管件焊接結(jié)束時(shí)的電阻值上升越小，說(shuō)明焊接的功率更為穩(wěn)定。從剝離測(cè)試上看，純銅絲管件的焊接后脆性開(kāi)裂占比最高，鎳含量越高的管件焊接后脆性開(kāi)裂占比越低。

6 結(jié)語(yǔ)

表3 不同材質(zhì)電阻對(duì)焊接質(zhì)量的影響

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證表明，PP-R電熔焊接功率高、焊接時(shí)間長(zhǎng)，焊接后的融熔料會(huì)有溢出，焊接功率的明顯更為明顯。在設(shè)計(jì)PP-R電熔焊接工藝時(shí)，需要考慮電阻絲的溫度系數(shù)，溫度系數(shù)大的電阻絲對(duì)管件焊接時(shí)功率影響顯著，會(huì)使得管件的實(shí)際發(fā)熱功率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)PP-R電熔管件時(shí)，在焊接功率相同情況下，盡量選取溫度系數(shù)較低的電阻絲，同時(shí)兼顧成本，制造出性能優(yōu)異的產(chǎn)品。