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、施工簡便、價(jià)格低廉等性能優(yōu)勢，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)備簡單，施工費(fèi)用低，對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，且對熱熔對接焊技術(shù)的研究對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)對焊接接頭性能影響程度及焊接工藝參數(shù)優(yōu)化問題的探討。

1 工程概況

上猶縣農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目位于上猶江水庫庫區(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位位置，由水泵從上猶江水庫直接提水至灌區(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)過濾器設(shè)置在輸水總干管前發(fā)揮過濾作用。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)過濾器設(shè)置在輸水總干管前起過濾作用。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號小灌片，3#-6#灌溉干管為2號小灌片，7#-11#灌溉干管為3號小灌片，12#-14#灌溉干管為4號小灌片，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接方式，并結(jié)合使用熱熔對接焊機(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)方法及過程

為進(jìn)行熱熔對接焊工藝參數(shù)對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)度等的綜合評價(jià)，在進(jìn)行試件制備的過程中，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Charpoy缺口沖擊試驗(yàn)進(jìn)行對接焊縫沖擊韌性的檢測，試驗(yàn)試件按照GB/T 1043-93的要求進(jìn)行制備[2]。

3 熱熔對接焊工藝參數(shù)對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管熱熔對接焊工藝及施工效果的重要參數(shù)，加熱板溫度過高，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管熱熔對接焊施工的過程中，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，具體見圖1。

圖1 加熱板溫度對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管道熱熔對接焊施工的過程中，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程中采用低壓。此外，熱熔加熱過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，若因壓力過小而無法補(bǔ)償，則會(huì)增大結(jié)構(gòu)缺陷?？梢?，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、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

通過文章對上猶縣農(nóng)田水利高效節(jié)水項(xiàng)目PVC管材熱熔對接焊工藝參數(shù)的試驗(yàn)分析表明，PVC管材熱熔對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。