电热熔管件设计的基础研究

       FUNDERMENTAL ASPECTS FOR DESIGN OF ELECTROFUSION FITTINGS

       D.Petry, M.Gressmann, D. Pylarski

       摘要:

       在供水、供气系统中,电热熔连接无疑是塑料管道的最重要的连接方式。5年前,电热熔连接方式仅应用于315mm以下口径的塑料管道的连接;而在今天该技术已可以普遍应用于PE100级管材专用料的塑料管产品和DN500mm以下口径的塑料管道的连接。为使熔接条件达到最优,需要对间隙闭合过程有良好的理解,这对大口径电熔而言尤为重要。此外,设计人员需在-10℃(环境温度)、最大间隙(管材与管件均保持在公差范围内)、最小的输入能量的恶劣的条件下测试管件的性能。

       为了解熔接过程,管件设计人员测量了熔接过程中熔区的界面温度、熔化压力和周长变化状况。此外,采用诸如有限元(FEM)等数学模拟方法,计算管件内部强度和温度分布,分析、优化熔接条件和产品性能。

       运用这些工具,完成了两项尤其有利于大口径电熔的改造。

       首先,改变熔接区末端的加热导线的螺距结构(特殊螺距)。采用这种特殊螺距可以形成更加均一的温度分布场和熔接区域。这形成了更长的“有效”熔接区,并增大了界面强度。

       其次,使用加强环改善间隙闭合进程和大口径电熔的粘接质量。在设计方案中,PE加强环紧压在内嵌加热导线的PE套筒外部。外加强环可防止电熔在熔接过程中的膨胀。由于间隙闭合过程加快,导致管材内部熔接区熔融压力提高,熔融深度加大,从而使粘接强度提高。

       应用上述概念,可以开发一系列的大口径的单线电熔。熔区的末端在同一个加热周期中同时熔接完毕,既可以节约时间,又可以提高粘接质量。

       塑料管道的熔接过程

       目前,熔接方式是塑料管道最常用的连接方式。它广泛地应用于工业管道建筑与输送系统。在过去的40年中,出现并发展了各种各样的熔接方法,以期在特定的应用范围内采用最佳的熔接工艺。今天,对接熔接与层插熔接主要应用于工业管线,而埋地管线主要采用对接熔接与电热熔连接方式。

       Fig 1:Fusion processes(表一、熔接过程)

       对接熔接时管材的末端需用热板加热。对接熔接技术在近年来得到了发展,以满足工业上的特殊要求。采用红外熔接技术,管材末端可以得到均匀的加热而不必与红外热源接触,该技术极大的排除了熔区加热表面被污染的危险。,在对接熔接过程中采用温包装置,其目的是为了阻止焊珠的产生??杀苊饬魈遄杂闪鞫那虻难顾?,因此不会发生任何影响流动状态的现象。

       除了对接焊以外,在输水、输气系统中,电熔接是最主要的连接方式。由可控电源输入电流,将植入管件中的导线加热,产生足够的能量把管材与管件熔接在一起。长期经验的积累与持续深入的研究使得PE管的规格与尺寸范围进一步扩展。文献/1/中介绍了采用不同的PE原料与管材(管件)熔接的进步,以及降低原位安装的错误发生机率。原位安装快速且成本低。电热熔已经成为全世界通用的连接方法。今天,新电子技术整合到熔接设备中,首次形成了完全可描述熔接过程系统,并且使管道网络可能实现/2/。

       除产品性能外,原位安装对于产品的连接质量也有重大的影响。因此对全体员工进行培训也成为成功安装的基本前提条件/3/。

       电热熔套筒

       电熔管件生产者需对产品的技术功能负责。国家标准或国际标准提供了基本的测试产品性能的手段。除人们所熟知的较高温度下静力学压力测试外,极端条件下为设定目标进行的产品测试也是有指导意义的标准。比如说,必须将所有与公差有关的消极因素结合起来,如在-10℃的温度条件下,使管件与管材之间的间隙最大并给予最小的能量进行熔接。同时电熔管件的生产者也需对在可控的、能再现的条件下生产的产品负责?;诖四康?,也必须对包括所有单个零件与生产阶段跟踪在内的全面质量控制。

       本文侧重于描述电热熔连接的设计特点,而非细节。尤其需要考虑的是加热导线和大口径电熔套筒实际操作中所必需的加强装置。为分析对熔接发生作用的参数,在熔接过程中测量熔融温度、压力以及周长的变化,和可能对熔接质量产生影响的因素,。由于不同的安装条件下,如使用夹紧器,马鞍连接并不会产生间隙,我们只考虑电热熔连接。

       熔接过程

       对于熔接过程而言,压力(P)、温度(T)、时间(t)是最重要的三个参数。这三个参数不能分开考虑。至于对接焊,这三个参数之间的平衡也是实现电熔接最优连接的先决条件之一。上文提及的原位安装技术(比如,熔区的预处理)同样要对最佳的熔接质量负责,这需要考虑去除管材表面的氧化层,注意保持熔接界面的洁净和安装过程中发生的应力松弛。为达到最佳的熔接结果,所提供的熔接参数必需保持在“压力-温度-时间三角形”的平衡区域内。各参数间的相互作用是非常重要的。只要有一个参数未进行充分的考虑,即使其它参数达到极限,也不能回到平衡状态。另一方面,熔接设备的操作窗口要远宽于对接焊的操作窗口,为产品设计者留有较大空间。

       首先,由已刮削的管材与PE管件内径所形成的间隙,决定了熔接压力。同时,管件的设计、产品生产工艺、以及能量的分布也有一定的影响。

       管件的设计和熔接参数决定了温度参数。该参数在产品发展过程中已经确定。熔接时间的自动补偿系统对不同的环境温度进行校正。须强调一点,只有完全冷却,才可能确保良好的平衡和低应力冷却过程。

       电热熔管件的设计

       模拟方法

       作为研究开发的参考工具,模拟已经日益成为日常工作的基础,可以提高和加速过程本身。模拟可用于检验过程变化中的临界参数和边界条件,以实现产品设计的最优化。

       (Fig.3.)Fusion Triangle (表三、熔接三角形)(略)

       今天,在全部的电熔接过程中可以采用有限元方法进行模拟,需要考虑的参数包括安装的间隙,环境条件和管件内的温度变化。结果表明,样本的计算值与测量值之间有很好的相关性。因此,George Fischer公司通过计算力学强度、加热和流动,设计电热熔管件。

       作为最重要的参数,管件加热热量,在模拟时需保证其精确度。通过这种模拟方法,可以采用加热导线变螺距(专利技术)技术,可确保熔接表面的加热温度曲面均一。采用该种技术可以使熔区未端与熔区中部的温度相当,保证极佳的粘接强度,并不会达到极高的温度。

       Fig.5表明熔区温度的计算值与测量值之间良好的相关性。

       对于管道系统的支路连接而言,管件内部的流动行为是最重要的。下图是不同连接管件与T形件之间的对比。不同的颜色表明在静态条件下应力松弛的不同状态。即使是最小的连接件的流动截面,在无较大差异的操作条件下,不同的流动状态同样可以被检验出来。

       设计特点

       在电热熔产品的发展过程中有两种类型:

       a) 嵌入加热导线的管件;

       b)裸露加热导线的管件。

       过去的30年中,在最恶劣的环境下已被数百万次证明。

       如果输入同样的能量,由于能量源在熔区位置均衡的缘故,裸线电熔管件具有优势。这偏重于理论方面考虑,套筒与管材之间的间隙未被考虑。

       事实上,恰恰相反,包线电熔管件具有更大的优势,不只是更加可靠的产品生产过程,更多的细节将在下面讨论。

       (四幅图片,一,裸线,窄螺距;二,包线,宽螺距;三,裸线截面;四,包线截面)(略)

       这些图片是两种可替代的设计。导线材料为铜或铜合金,不同于管材、管件材料。连接质量由导线间的PE确定。为获得有效的负载承受界面,每个设计者的设计目标是尽可能地实现导线间距与其直径的比值最大,但在小距离内是为了不打断管材与管件的连接,以达到最大熔接强度。Fig.8 表明导线采用不同螺距,在强度上的巨大差异。前提条件是相同的口径,不同的螺距和导线外径。Hessel /5/ 的实验表明具有大螺距/线径比的管件的长期拉伸强度是小螺距线径比的对照管件的X倍。

       分析裸线电熔熔区的温度曲线,材料温度差异很大。导线表面材料温度大约280℃,导线间的温度为220℃。相反包线电熔熔区的温度更加均一,温度范围大约为220~240℃。

       另外,由于多余的热量不能释放到环境中,所以无法阻止过热的危险。完全埋入PE的导线产生的热量能有效地分散到塑料中。间隙未闭合而导致的过热现象不会发生。

       电热熔管件的熔接过程

       管道安装者希望安装过程简便易行,而不需要重复去除氧化皮和较大安装强度。此外,管材的椭圆度而带来的间隙是不可避免的。除熔接参数以外,熔接与冷却过程中的温度与压力也是达到较高的连接强度的标准。间隙闭合过程的完成也依靠管件的设计。关于熔接参数的影响,可参见早期的出版物/4/。

       为使间隙闭合过程尽可能地快速完成,管件必需呈放射状地向内收缩,然后加热管材,通过与电熔内部的接触使其达到熔接温度。完全闭合的加热线圈使聚乙烯的膨胀更加有效。数秒内管件与管材接触,管材与管件加热,真正的熔接过程开始。

       大口径电熔上的应用

       截止到1995年电熔技术仅能应用于直径在225mm以下的管道中,而到今天这个上限是710mm。这些规格的管件需要采用新生产方法解决。由于间隙与椭圆度在绝对值上是非常大的,而焊接设备的容量不能大于2.5kW,所以熔接表面的单位功率必需减小。

       对于这些规格的电熔产品通常采用相应尺寸短管制造,而非注射成型。由于环向上未发生分子取向,管件的刚性降低。因缓慢加热的缘故,管件全部膨胀,刚性降低,不能达到正常的熔接压力。冷却过程中,因熔区内的体积收缩不能得到有效补偿,而形成孔洞。

       因此需对电熔增强以避免该现象的发生??刹捎糜邢拊治龇椒ɡ囱兄普庵旨忧考?。对George Fischer公司的ELGEF连接系统而言,在设定温度下,高精度尺寸加强环压在由PE制成的管件基体上。

       该加强件同管件的基体相同,由PE制成。相对于其它的解决方法,它具有突出的优点??啥杂捎诨肪潮浠贾挛露鹊谋浠胁钩?,以及任何因此产生的尺寸变化。这种状况被称做“主动增强”。

       两个相同的电熔件,A用加强环,B未用加强环,进行熔接以验证加强件的影响。将一压力测量装置安装在管材熔区界面。一个装有传感器的金属带放置在套筒的圆周上,测量电熔套筒周长的变化。

       与样件A未产生收缩相反,样件B在能量输入的初期,管件便立刻膨胀。尽管通过缓慢加热的方式可将因膨胀而产生的间隙弥补,但熔接压力没有增高。样件B的熔接质量检验结果不能令人满意。反之,在同样的检验条件下,经过增强的样件A的熔接结果良好。由于增强件的存在,电熔套筒快速向管材收缩,在很短的时间内间隙消失。同样,任何的套筒或管材的椭圆均可弥补。这导致更多的热量传递到管材上,因而获得较佳的熔接结果。样件A的最大爆破压力远远高于样件B。由于加强环的存在可有效地阻止冷却过程中孔洞的形成。这可由外径尺寸的变化的测量数据证实。而应用到实际中,即可以生产出相对内径较大的电熔套筒,使安装变得容易。

       结论

       结果表明:通过对熔接过程知识的积累,以及模拟方法的应用,可有效的设计电热熔管件。尤其是对于直径在315mm以上规格而言可得出如下结论:

       ●熔区中具有高的螺距/线径比的管件可形成更加紧密的结构??墒共僮骷蚧?,并可原位安装。

       ●包覆线结构的电热熔管件可使管件与管材快速接触,并保证加热温度均一。

       ●熔区不会被外来材质隔开。

       ●主动增强件允许在整个加热温度范围内,有更大的间隙存在,及获得更大的操作窗口。

       ●通过现代的计算模型可对过程模拟。

       参考文献

       略

       (译于2001年12月)


2015年11月18日

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