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钢塑复合压力管采用热熔焊接的兼容性分析

作者: 发布时间:2021-09-17 00:39:19点击:579

信息摘要:

钢塑复合压力管一般采用机械连接,由于钢塑复合压力管内外采用聚乙烯原料,它也具备聚乙烯管的部分性能,有的安装公司也采用内外热熔焊接作为连接方式。

1 前言

钢塑复合压力管(PSP管)是一种新型的金属与塑料复合管材,它采用钢带辊压成型为钢管并进行钨极氩弧对接焊,采用内外均有塑料层,中间为增强焊接钢管的复合结构,克服了钢管存在的易锈蚀、有污染、笨重、使用寿命短和塑料管存在的强度低、线胀量大易变形的缺陷,具有钢管和塑料管的共同优点,如隔氧性好、有较高的刚性和较高的强度,埋地管容易探测等。近年来,钢塑复合压力管以其优异的性能及价格优势,在城镇建设管网系统中得到较好使用。

钢塑复合压力管一般采用机械连接,由于钢塑复合压力管内外采用聚乙烯原料,它也具备聚乙烯管的部分性能,有的安装公司也采用内外热熔焊接作为连接方式。但实践表明,由于热熔焊接管道目前尚没有像钢管那样完善可靠的检测手段,因此一旦管道接口质量不过关,则有可能成为最易损坏和泄漏的地方,管道系统的强度取决于它薄弱的环节,因此钢塑复合压力热熔焊接管接口质量在管道施工中尤为重要。本文针对采用热熔焊接方法的钢塑复合压力管材,对其焊接兼容性做进一步分析研究,从根本上保证良好的焊接质量。

 

2 热熔焊接的理论基础

热熔焊接是焊接部件表面与热板接触热熔后,变成粘滞的流体,将熔融的表面压在一起,聚合物分子在热及压力的作用下运动,相互穿插盘绕,产生范德华作用力,冷却后形成坚固的焊接面,分子之间没有产生化学连接键,焊接强度取决于焊接面之间的相互穿插盘绕程度。如图1所示。

 

 

 

2.1 粘合理论

该理论强调相互焊接的两种聚合物之间具有零或近乎零的表面接触能量的重要性。两种完全相同的聚合物相焊接是更好的情况,如相同牌号的聚乙烯之间的焊接。一些杂质和添加剂或不同牌号的树脂,则可能会影响焊接质量,依据此理论,选择相同材料的管材与管件进行焊接是更佳的选择。

2.2 分子扩散缠绕理论

两种相容的高分子材料,加热到一定温度,使大分子得到能量和空间。由于分子的热运动,并在得到的外力作用下,强制的彼此流动进行迁移、扩散,相互缠绕,随着温度的下降开始结晶,得到一定的结晶度则达到理想的焊接目的。因此两种材料的相容性越好,则扩散越充分,连接性越好。

2.3 流动过程理论

该理论强调了焊接压力的重要性,指出焊接强度随焊接压力的升高而提高,直到焊接强度达到曲线的平稳段,几乎不再受压力的影响。根据该理论,可以解释为什么管道热熔连接宜采用相同或相近材料的管材和管件。对性能相似的不同牌号、材质的管材和管材与管件之间的连接,应经过试验,判定连接质量能得到保证后,方可进行。

 

3 不同聚乙烯材料的焊接兼容性理论分析

影响两种聚乙烯材料焊接兼容性的主要因素是聚合物的分子量分布和分子结构的不同,作为一种表现形式就是熔体流动速率的不同。熔体质量流动速率(MFR)是表征材料在熔融状态时的粘度大小的物理量,是分子平均尺寸和流动性的量度。定义是在190℃和5kg荷载下,按质量计算的聚乙烯流动速率,它是制定焊接工艺的重要依据。通过焊接温度及焊接压力,从熔体流动速率的层面,可以对焊接兼容性进行分析。

3.1 焊接温度

根据分子扩散缠绕理论,两种聚乙烯材料热熔焊接时需要具备一定的焊接温度。焊接温度是材料的熔融粘流转化温度。此时,聚乙烯产生熔融流动。大分子相互扩散和缠绕,继而结晶连接,因此钢塑复合压力管热熔焊接温度对焊接兼容性有重要影响。而熔体流动速率是焊接工艺中焊接温度设定的重要参考因素。

根据PPI(美国塑料管协会plastics pipe institute)编制的TN-13/2001《general guidelines for butt,saddle,and socket fusion of unlike polyethylene pipes and fittings》,一品鲍成人APP下载可以知道,不同熔体流动速率的材料,设定的焊接温度不同。熔体流动速率在1-4级时,焊接温度一般采用171℃-232℃;熔体流动速率为5级及4级中的一部分材料,焊接温度可以采用232℃-260℃

熔体流动速率依据ASTMD 3350的分级情况如表1。

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备注:A:190℃,2.16kg;B:190℃,21.6kg


此外,对于不同材料各项材料耐温指标也不尽相同,例如维卡软化点、熔融温度、热变形温度等。因此当两种熔体流动速率不同的材料焊接时,由于焊接温度要求不同,则要么一方加热温度相对过低,加热不充分而导致材料软化不够,分子扩散和缠结受到影响,焊接兼容性差;要么一方加热温度过高,卷边尺寸增大,聚合物产生热氧化破坏,会导致原料产生降解使得接头强度降低。

3.2 焊接压力

依据流动过程理论,焊接时熔合部位的熔体应建立一定的压力,而这要求熔体有一定的粘度,防止熔体从熔合部位过渡挤出,形成冷焊。而一定温度下的熔体粘度可以通过熔体流动速率来反映。

对于不同熔体流动速率的材料,在同一压力下,对于熔体流动速率高的材料,则压力相对过低,焊接连接量过少,熔合面的部分熔膜不能挤出,很难形成尺寸合理的翻边,不利于加热过程中焊接面与热板接触时产生的污染及受空气中氧气、灰尘影响的熔膜层的排出,导致焊接质量不过关;压力相对过大,则会使熔料挤出,造成塑料熔体流向焊端的边缘形成焊瘤刺,使熔化层的深度减少,无法形成合理的熔膜厚度,而且会使熔合区域材料的结晶度提高,使焊缝部位抗冲击性下降;在熔膜层过多被挤出的同时,在翻边的根部加剧形成与管壁垂直的分子定向,产生应力集中的力学薄弱点,容易发生破坏,这也被实际经常发生的破坏类型所证实,影响焊接质量。

要形成良好的焊接,前提必须是适当的卷边高度及其对称性,据此,良好的焊接理论准则就可以表述为焊区内适当的粘度及其分布的对称性,但是不同熔体流动速率的材料其焊区温度和粘度分布不同(见图2),需要通过改变两者的温度分布即加热历史,力求使两者的粘度适当并分布一致,从而获得良好的焊接质量。

 

 

TN-13/2001认为,在相同的热驱动下,不同熔体流动速率的两种材料焊接,要先加热熔融指数高的材料,才会同时达到近乎一致的熔融深度。为了达到不同MFR材料良好的焊接目的,往往对两种被焊材料的加工工艺要求是不同的。熔体流动速率较高的材料可设定较高的温度,而熔体流动速率较低的材料可以通过延长保温时间来获得合适的熔膜厚度,但操作起来比较困难,难于保证焊接质量,故不予以提倡。

但当两种材料的熔体流动速率差距在一定范围内时,试验证明可以达到良好的焊接效果。国际标准ISO/TR11647中指出。熔体流动速率O.3g/10min-1.3g/l0min(190c,5kg)区间的管材与管件之间进行焊接会取得令人满意的效果。

德国焊接学会规程DVS2207认为:MFR(190℃,5KG)=(O.3-1.7)g/lOmin的聚乙烯都是可焊的。

标准GBl5555.1-2003中的要求是原材料熔体质量流动速率应在0.2-1.4g/10min,之间,且更大偏差不应超过混配料标称值的20%。

一品鲍成人APP下载建议在实际操作中,依据规范在O.3g/10min-1.3g/10min(190℃,5kg)范围内,且MFR差别值不小于0.5g/10min(190℃,5kg),并且通常希望相互焊接的钢塑复合压力管与管件的MFR位于同一分组内:

·0.3g/10min-0.4g/10min(190℃,5kg)

·0.4g/10min-0.65g/l0min(190℃,5kg)

·0.65g/l0min-1.15g/10min(190℃,5kg)

·1.15g/10mi-1.7g/10min(190℃,5kg)

目前新兴铸管有限公司常用的生产钢塑复合压力管及热熔管件的聚乙烯原料为6100M、6380M 和7600M,上述PE80原料的熔体流动速率大于0.5g/lOmin(190℃,5kg),PE100熔体流动率约0.3g/10min-0.45g/10min(190℃,5kg)。故理论上PE80与PEl00不在同一分组内,两者焊接存在兼容问题。

3.3 不同种类钢塑复合压力管与管件焊接试验分析

a.管材与管件:齐鲁石化公司的HDPE DGDB2480,熔融指数(190℃,5kg)0.56g/10min;

b.管材与管件:燕山石化公司的HDPE 6100M,熔融指数(190℃,5kg)0.31g/10min;

c.管材:燕山石化公司的HDPE 6100M,管件:齐鲁石化公司的HDPE DGDB2480。

测试结果表明,在DVS条件所推荐的210℃±10℃的焊接温度范围内,同一材料的管材与管件均取得了大于本体材料的短时焊接强度。本体材料的强度较高,焊接接头的强度亦比较高,此外,DGDB2480与6100M互焊性能也较好,在测试误差的范围内,互焊的焊接强度与焊接双方本体材料强度较低的一方基本相当。互焊接头的焊接强度相当于6100M的本体材料强度而小于DGDB2480本体材料的强度。焊接强度大于本体材料的原因是焊缝区域里的材料聚态结构发生了变化,焊缝区的熔融吸收热量明显高于本体材料的熔融吸收热量,特别是在焊缝对称截面的附件,材料熔融吸收热量曲线出现更大值,硬度和强度也更高。

这与焊缝附近熔融材料因焊接压力而导致的二维流动有关,二维流动使得材料原有的晶核基础上诱导而产生更多晶核,从而使这个区域内的晶核增高,而在焊缝对称截面上又形成一个较低值,这是由于撤出加热板时(切换周期),材料加热表面突然成为开放面,与空气的热交流和热交换,使这两个表面的温度可下降大约15℃-20℃,从而降低了这个截面上的结晶度。


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