蔣麗娟
(江西省贛農(nóng)投資發(fā)展集團(tuán)有限公司,南昌 330000)
與傳統(tǒng)的金屬管道相比,PVC管材具有輕質(zhì)、環(huán)保、成型快、柔韌性好、抗沖擊性強(qiáng)、耐化學(xué)和微生物腐蝕、抗震性好、耐絕緣、施工簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉等性能優(yōu)勢(shì),在給排水、農(nóng)業(yè)灌溉、輸水及農(nóng)田水利工程中有很大的應(yīng)用價(jià)值。熱熔對(duì)接焊是較為實(shí)用的農(nóng)田水利工程PVC塑料壓力管道連接施工技術(shù),其焊接設(shè)備簡(jiǎn)單,施工費(fèi)用低,對(duì)接焊效果和密封性能良好,在農(nóng)田水利工程中應(yīng)用較為廣泛,且對(duì)熱熔對(duì)接焊技術(shù)的研究對(duì)塑料壓力管道的推廣應(yīng)用具有積極作用。PVC管道焊接質(zhì)量和接頭的性能既取決于管材自身性能,也受焊接工藝參數(shù)的影響,由熱熔對(duì)接焊的施工工藝可以看出,影響其接頭性能好壞的因素主要有加熱板溫度、對(duì)焊壓力、加熱時(shí)間等,為此必須進(jìn)行PVC管道焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能影響程度及焊接工藝參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的探討。
上猶縣農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目位于上猶江水庫(kù)庫(kù)區(qū)小山丘上,區(qū)域地形較為低洼和陡峭,山頂高程為254.0m,本次所設(shè)計(jì)的農(nóng)田高效節(jié)水灌溉面積約60.03萬(wàn)m2,灌區(qū)內(nèi)全部采用噴灌灌溉方式。在灌溉區(qū)域內(nèi)新建2座提水泵站,且均從上猶江水庫(kù)直接提水至灌區(qū)各條帶進(jìn)行噴灌。其中,1#泵站直接修建在上猶江庫(kù)位位置,由水泵從上猶江水庫(kù)直接提水至灌區(qū)灌溉,1#泵站與6條灌溉分干管(1#-6#灌溉分干管)直接按豐字形連接和布置,并將一層篩網(wǎng)過(guò)濾器設(shè)置在輸水總干管前發(fā)揮過(guò)濾作用。2#泵站與8條灌溉分干管(7#-14#灌溉分干管)按豐字形連接和布置。也將一層篩網(wǎng)過(guò)濾器設(shè)置在輸水總干管前起過(guò)濾作用。噴頭采用ZY-2H型金屬搖臂噴頭,噴頭設(shè)計(jì)流量為4.38m3/s,噴射半徑為19.2m,地塊設(shè)計(jì)共520個(gè)噴頭。根據(jù)灌區(qū)基地面積及地形條件,本灌區(qū)基地共劃分成4個(gè)灌溉小片。1#-3#灌溉干管為1號(hào)小灌片,3#-6#灌溉干管為2號(hào)小灌片,7#-11#灌溉干管為3號(hào)小灌片,12#-14#灌溉干管為4號(hào)小灌片,各小片單獨(dú)運(yùn)行。各灌溉小片一次運(yùn)行2根支管,即15個(gè)噴頭;一次噴灌灌溉時(shí)間為1.6h,一天工作10h,一天噴6次,即一天工作90個(gè)噴頭,地塊6d噴完,每隔6d噴灌一次。
本工程PVC供水管道的連接采用熱熔對(duì)接方式,并結(jié)合使用熱熔對(duì)接焊機(jī)進(jìn)行管材焊接,具體步驟如下:首先,將待焊接PVC管材放置在熱熔對(duì)接焊機(jī)的夾具部位并旋緊;再將PVC管材待焊接端徹底清潔使其干燥,然后按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行連接面銑削,以保證連接端齊整干凈,防止發(fā)生漏水現(xiàn)象[1]。接著,將兩對(duì)焊接件校直處理,并保證其錯(cuò)位量在2mm以內(nèi);之后將其放入加熱板加熱,待加熱完畢后取出;并快速將兩個(gè)加熱面接合處理,還應(yīng)同步升壓至0.30MPa的設(shè)計(jì)熔接壓力,直至PVC管材焊接端冷卻。
為進(jìn)行熱熔對(duì)接焊工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能及焊接效果的影響分析,選擇DN110-PVC-U灌溉干管材料進(jìn)行試驗(yàn),并采用塑料壓力管道熱熔對(duì)接焊機(jī)進(jìn)行焊接。試樣拉伸試驗(yàn)在25℃的室溫下進(jìn)行,按照50mm/s的拉伸速率進(jìn)行焊接接頭拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。為進(jìn)行焊縫實(shí)際強(qiáng)度等的綜合評(píng)價(jià),在進(jìn)行試件制備的過(guò)程中,去掉焊接熔環(huán)并縮小焊縫處截面積。沖擊試驗(yàn)也在25℃的室溫下進(jìn)行,本工程通過(guò)Charpoy缺口沖擊試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)接焊縫沖擊韌性的檢測(cè),試驗(yàn)試件按照GB/T 1043-93的要求進(jìn)行制備[2]。
加熱板溫度是影響上猶縣農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目PVC管熱熔對(duì)接焊工藝及施工效果的重要參數(shù),加熱板溫度過(guò)高,則會(huì)導(dǎo)致PVC管的塑料管材發(fā)生熱氧化破壞,生成揮發(fā)性物質(zhì),難以在短時(shí)間內(nèi)全部排放至管道之外,導(dǎo)致管材發(fā)生脆性破壞。若加熱板溫度過(guò)低,則很難保證管端得到充分加熱,降低其黏結(jié)強(qiáng)度,影響焊接效果。所以,在進(jìn)行上猶縣農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目PVC管熱熔對(duì)接焊施工的過(guò)程中,必須嚴(yán)格控制加熱板溫度,以確保獲得最佳的焊接接頭拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性,具體見(jiàn)圖1。
圖1 加熱板溫度對(duì)焊接接頭性能的影響
由圖1可知,隨著加熱板溫度的升高,焊接接頭拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性均隨之增大,當(dāng)超過(guò)200℃和210℃后,焊接接頭拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性發(fā)生逆轉(zhuǎn),反而下降,為此,必須將PVC管道熱熔對(duì)接焊加熱板的溫度控制在200℃-210℃。
在進(jìn)行PVC管道熱熔對(duì)接焊施工的過(guò)程中,聚合物在加熱并壓緊時(shí),壓力的作用會(huì)使聚合物向焊縫邊緣流動(dòng)并形成熱熔環(huán),進(jìn)而導(dǎo)致焊接接頭形狀改變。在熱熔聚合物發(fā)生流動(dòng)后焊縫中央的熔化層厚度會(huì)減小,各區(qū)域溫度分布呈現(xiàn)出不均勻狀態(tài),為保證焊接施工質(zhì)量,必須在加熱和壓緊聚合物的過(guò)程中采用低壓。此外,熱熔加熱過(guò)程中的加熱壓力還會(huì)使PVC管道端面更加平整,并在加熱和壓緊的同時(shí)確保平面上氣體及夾雜物全部擴(kuò)散并使聚合物黏接面牢固結(jié)合。而在聚合物材料冷卻的過(guò)程中焊接壓力還應(yīng)能補(bǔ)償其冷卻時(shí)所可能發(fā)生的收縮,若因壓力過(guò)小而無(wú)法補(bǔ)償,則會(huì)增大結(jié)構(gòu)缺陷??梢?jiàn),焊接壓力的恰當(dāng)選擇是保證上猶縣農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目PVC管熱熔對(duì)接焊焊縫區(qū)域剪切流動(dòng)的合理性并達(dá)到最佳焊接效果的保證,試驗(yàn)結(jié)果表明,焊接壓力應(yīng)保持在0.15MPa。
PVC供水管加熱時(shí)間主要取決于管道壁厚、施工環(huán)境溫度、加熱板溫度等方面。加熱時(shí)間的延長(zhǎng)、熱熔區(qū)面積的增大有利于焊接施工質(zhì)量的提高、未焊透情況的避免及殘余應(yīng)力的降低,但是加熱時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)增大聚合物管材的熔壞程度,遮蓋管道通徑后導(dǎo)致焊接面應(yīng)力分布的不均勻,還會(huì)使對(duì)接面彎曲度增大,導(dǎo)致PVC管道捕集空氣而引發(fā)管道失穩(wěn)[3]。相反,若加熱時(shí)間不足,必然導(dǎo)致未焊透。所以,嚴(yán)格控制加熱時(shí)間才能確保焊縫強(qiáng)度和焊接質(zhì)量,根據(jù)加熱時(shí)間與PVC管材焊接接頭沖擊韌性的關(guān)系,應(yīng)將加熱時(shí)間控制在140s。
上猶縣農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目PVC管熱熔對(duì)接焊施工結(jié)束后管材逐漸冷卻,且隨著冷卻時(shí)間的增大,PVC管材焊接頭的強(qiáng)度持續(xù)增加,且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)冷卻時(shí)間<23min時(shí),冷卻時(shí)間與PVC管材焊接頭強(qiáng)度之間呈現(xiàn)正向變動(dòng)關(guān)系,而當(dāng)冷卻時(shí)間≥23min后,PVC管材焊接頭強(qiáng)度隨冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)反而下降,所以,應(yīng)將冷卻時(shí)間控制在23min,以達(dá)到PVC管材焊接頭強(qiáng)度的最大值。
由以上試驗(yàn)可以得出,上猶縣農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目PVC管熱熔對(duì)接焊接頭焊接性能質(zhì)量主要受加熱板溫度、焊接壓力、加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間等的影響??梢哉f(shuō)其焊接頭性能質(zhì)量是施工環(huán)境和各工藝參數(shù)綜合作用的結(jié)果,所以在該項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中,必須加強(qiáng)以上因素及增壓時(shí)間、設(shè)備狀況、施工環(huán)境、管材選擇、管道壁厚等參數(shù)的控制,以確保獲得最大的焊接接頭拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性,并使焊接接頭達(dá)到最佳的性能狀態(tài)。
通過(guò)文章對(duì)上猶縣農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目PVC管材熱熔對(duì)接焊工藝參數(shù)的試驗(yàn)分析表明,PVC管材熱熔對(duì)接焊焊接接頭性能受加熱板溫度和焊接壓力的影響十分顯著,受加熱時(shí)間的影響較為顯著,受壓焊時(shí)間的影響并不顯著。焊接頭性能質(zhì)量是塑料管材自身性能、施工環(huán)境、施工人員技術(shù)水平、各項(xiàng)焊接工藝參數(shù)綜合作用的結(jié)果,只有加強(qiáng)對(duì)各因素的控制才能獲得最大的焊接接頭拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性。文章試驗(yàn)結(jié)果表明,加熱板溫度應(yīng)控制在200℃-210℃,焊接壓力應(yīng)控制在0.15MPa,加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間應(yīng)分別控制在140s和23min。