無(wú)機(jī)非金屬之PE電熔管件的淺探,

1、學(xué)號(hào)：學(xué)年論文學(xué) 院 化學(xué)化工學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 年 級(jí) 2012級(jí) 姓 名 題 目 PE電熔管件的設(shè)計(jì)淺探 成 績(jī) 2015 年 6 月 15 日目 錄1.PE電熔管件概述11.1PE管道系統(tǒng)的發(fā)展11.2PE電熔管件的特點(diǎn)22.PE電熔管件的應(yīng)用領(lǐng)域22.1埋地燃?xì)夤艿?2.2給水管33.PE電熔管件的設(shè)計(jì)原則與思路33.1機(jī)械性能設(shè)計(jì)思路33.1.1原材料的選用33.2電氣性能設(shè)計(jì)思路43.2.1固有熱功量Q43.2.2焊接熱功量W53.2.3焊接功率密度dp/ds53.2.4電熱絲溫度系數(shù)54.結(jié)語(yǔ)5參考文獻(xiàn)6PE電熔管件的設(shè)計(jì)淺探摘要：隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，我國(guó)市政燃?xì)?/p>

2、及給水市場(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Abstract: With the development of urbanization in China, the municipal gas and water supply market is rapidly expanding. In the international

3、 trend of plastic steel, the PE pipeline system of municipal pipeline is developing rapidly, and the demand of PE pipe is increasing. In all kinds of PE pipe fittings, the technology of electric melting pipe is the highest. In this paper, the characteristics of PE (polyethylene) - electric melting p

4、ipe fittings are introduced, and the design principle and the problems of PE electric melting pipe fitting are presented.Keywords: PE fused fittings、gas pipelines、water supply pipe、heat capacity、inherent welding power density前言 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。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

5、開(kāi)始嶄露頭角，本文特提出電熔管件的設(shè)計(jì)思路，對(duì)電熔管件進(jìn)行深入的研究。1.PE電熔管件概述1.1PE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

6、。1.2PE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(hù)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

7、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2.1埋地燃?xì)夤艿?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

8、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

9、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510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。3.PE電熔管件的設(shè)計(jì)原則與

10、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

11、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)

12、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

13、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=DL2PK(1)其中，K為PE比熱，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

14、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)QW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，

15、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+t) (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)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，

16、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。4.結(jié)語(yǔ)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。參考文獻(xiàn)：1Moser APBuried pipe design.2nd ed. New York：Mc-Graw-Hill.20012李祖德.塑料加工技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)M.北京：中國(guó)物資出版社.19973北京化工大學(xué),華南理工大學(xué).塑料機(jī)械設(shè)計(jì)(第2 版修訂本)M北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社.19954龔瀏澄,等.塑料成型加工實(shí)用手冊(cè)M.北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社.19905燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng)第二部分：管件6ISO 8085-3-2001 Polyethylene fittings for use with poly-ethylene pipes for the supply of gas