蔣麗娟

(江西省贛農(nóng)投資發(fā)展集團(tuán)有限公司，南昌 330000)

0 引 言

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。

1 工程概況

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。

2 試驗(yàn)方法及過(guò)程

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]。

3 熱熔對(duì)接焊工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能的影響

3.1 加熱板溫度的影響

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℃。

3.2 焊接壓力的影響

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。

3.3 加熱時(shí)間的影響

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。

3.4 冷卻時(shí)間的影響

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。可以說(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)。

4 結(jié) 論

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。