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HDPE管道在石油化工中的应用及焊接工艺

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：陈雄士

[导读] 摘要：HDPE管主要用于燃气及污水输送，随着环保要求越来越高，石油化工行业污水处理投入也相应增加，HDPE管作为一种经济环保的材料，以其优异的性能已经广泛应用在石化企业污水处理中，结合某石化循环水场清污分流完善项目中的HDPE管施工，将HDPE管热熔焊接工艺进行分析，由于焊接工艺直接关系到焊接质量,因此制定符合要求的焊接工艺，加强焊接过程质量控制是PE管施工质量控制重要手段。

        中化泉州石化有限公司福建省泉州市 362000
        摘要：HDPE管主要用于燃气及污水输送，随着环保要求越来越高，石油化工行业污水处理投入也相应增加，HDPE管作为一种经济环保的材料，以其优异的性能已经广泛应用在石化企业污水处理中，结合某石化循环水场清污分流完善项目中的HDPE管施工，将HDPE管热熔焊接工艺进行分析，由于焊接工艺直接关系到焊接质量,因此制定符合要求的焊接工艺，加强焊接过程质量控制是PE管施工质量控制重要手段。
        关键词：HDPE管道；热熔对接；焊接工艺；质量控制
        1.概述
        PE管即聚乙烯管道，聚乙烯是高分子聚合物，是典型的热塑性塑料。石油化工用管道一般采用HDPE（高密度聚乙烯），分子量越高，其力学性能越好，越接近工程材料的水平，HDPE管具有优异的化学性能、韧性、塑性、耐磨性以及低廉的价格和安装费受到的重视，是使用量仅次于聚氯乙烯的塑料管道材料[1]。
        2.HDPE管特点
        HDPE管是目前应用最为成熟的塑料压力管道之一，主要应用于城市生活水、天然气及石油化工输油输气管道，与传统的钢管相比，HDPE管具有以下特点[2]：
        1、耐腐蚀，聚乙烯可耐大多数化学物质的腐蚀。
        2、韧性、塑性好，HDPE管是一种韧性很高的管材，其断裂延伸率一般超过500%。
        3、重量轻，安装方便、快捷
        4、低温抗冲击性能好：其低温脆化温度极低，在-60~+40℃范围内安全使用
        5、环保卫生，不易结垢、泄漏
        由于石油化工企业污水含有的介质很多，且不同装置的污水介质化学性质也不一样，对管道材质的要求也不一样，正是因为PE管的这些优点，在污水处理的应用越来越广泛。
        3.HDPE管的热熔焊接
        HDPE管的连接方法有多种，其中热熔接连接是最主要的连接方法。热熔连接是一种接头与管材熔合在一起的连接方式，具有很好的密封性[3]。PE管的热熔焊接主要是指热熔对接，此外也包括鞍形热熔连接等。本文重点研究热熔对接的焊接工艺。
        —般认为热熔对接适用于直径≥63mm或壁厚≥6mm管材的连接，施工现场使用的是规格为De400×39mm和De450×44mm的管材。
        3.1.HDPE管热熔焊接原理

        图3-1热塑性聚合物形变—温度曲线
        聚乙烯属于结晶性的热塑性塑料。其焊接主要是利用热塑性塑料随温度的变化而呈现不同的状态变化，将两个或者多个部件加热和加压条件下连接在一起并经冷却塑化成型的一种连接形式[4]。热塑性塑料在加热条件下会发生相态变化，首先由玻璃态转化为高弹态，这时的加热温度，称为玻璃化温度Tg；进一步加热，则会由高弹态转化为粘流态，此时加热温度称为粘流温度Tf。一般粘流温度也称为熔融温度Tm，聚乙烯在此温度下开始熔化，由固相转变为粘性流体。而当温度高于Td时，聚乙烯便开始受热分解，故称为分解温度Td。由图3-1可知：结晶型高聚物(如聚烯烃)的高弹态不明显，当温度高于粘流温度Tf时便会快速熔化而处于粘流态。因此Tf与Td之间的温度区域，定义为热塑性塑料加工的温度区间[1]。PE管的热熔对接也在这个温度区间内进行。根据相关实验测定及施工经验，PE管的热熔对接温度控制在210±10℃，一般情况下不得低于180℃，如果温度低于180℃，即使在很长的加热时间下，也不可能取得质量好的焊接接头。同时热熔温度不能高于250℃，温度过高会导致聚乙烯粘度降低，不利于焊接，同时也可能导致聚乙烯过热分解[5]。
        3.2.施工工序
        1.HDPE管材必须具有产品质量证明书，并且验收合格后才可使用施工。
        2.焊接前根据焊接工艺制定相应的焊接工艺卡。
        3.焊接前检查焊接设备是否有质保合格证，显示测量仪表是否标定。
        4.操作人员必须经过培训，有一定焊接经验，并持证上岗。
        5.按要求横平竖直放置焊接设备，且便于现场操作。管道对口要求横平竖直，目测和水平仪同时使用以确保施工质量，同时拧紧夹具螺母。
        6.调整管口端面间隙，放置铣刀，将端面铣平整，要求铣刀必须将整个端面加工完成后撤出铣刀，用拧干水的棉布擦洗管口端面，清除表面浮尘及毛刺等杂物。
        7.加热阶段：待管口干燥后，加热板加热至210±10℃后，放置加热板，加热压力0.25-0.8Mpa，加热2-3min后降压至0.15Mpa，继续加热，其中De400管道总加热时间约8-10min，De450管道总加热时间约10-12min，加热至端面全部发胶。同时记录加热时间。
        8.切换阶段：移除加热板。
        9.对接阶段：加压对接热熔，压力0.4Mpa，直至焊道自然冷却，时间约20min（根据环境温度调整，可用手轻轻触摸焊道是否冷却）。
        图3-2明确了热熔对接的过程。

        图3-2热熔对接压力—时间曲线
        3.3.热熔对接接头的质量与检验
        焊接接头的质量本质是其承载能力。首先，焊接工艺的选择，根据管道使用工况，制定出焊接工艺参数及控制焊接质量的方法。其次，施工过程中的焊接质量控制，严格按照焊接工艺进行焊接，确保每道工序按要求执行[6]。
        3.3.1焊接接头缺陷与分析
        根据以往施工经验，热熔对接接头可能存在的缺陷可分为四种[2]：
        (1)焊前准备：管口端面加工不合格，表面不洁净，管道组对不符合要求，轴向偏差过大等。
        (2)焊缝外观：主要是指焊缝翻边量和外观尺寸的偏差。
        (3)内部缺陷：气孔(聚合物的氧化分解)、未焊透(热熔焊接温度和压力偏低)、缩孔(焊缝的冷却速度过快和低温环境下焊接)、裂纹、杂质等。
        (4)分子结构方面：聚合物因高温氧化导致内部结构发生变化，使其性能变差。
        表3-1几种常见的缺陷及原因

        各种缺陷之间是有关联的。造成缺陷的主要环节有：相互熔接管材之间的互熔性、焊接工艺、焊接设备的质量和工况、焊接环境、操作人员的技能等。因此热熔对接焊缝的质量控制也集中在这几个关键环节上[7]。
        3.3.2焊缝焊接质量检验
        一般而言，焊缝的检验可分为两种，一种是非破坏性检验，另一种是破坏性检验[5]。
        非破坏性检验对焊缝不进行破坏，主要检测手段为目测，又称外观检查，同时超声波检测和射线检测也有使用，超声波检测目前发展较快。此外还有高频电子实验法、温谱图法、反射全息摄影法等[5]。根据设计要求及相关规范施工现场焊缝采用外观检查。即用肉眼对整个接口进行外表观察；该检验方法可直接发现焊接前及焊缝的一些缺陷。热熔对接焊缝的外观形状见下图

                  图3-3对接焊缝外观形状
        聚乙烯管合格焊缝的外观结构尺寸要求：
        焊缝高度A：焊缝不要低于管材表面。
        错边量V：错边量不超过管道壁厚的10%。
        焊缝宽B：焊缝宽B与母材、加热温度及所用的焊接工艺等有关。因此很难给出统一的确定值。但焊缝宽度是检验焊接是否按照要求执行的一个比较好的指示。根据焊接工艺要求和以往施工经验，针对现场所施工的管材，单边焊缝宽度不小于10mm，即B≥20mm。
        翻边检查，根据相关规范要求焊缝翻边应切除检查，翻边切除要使用专用的工具，切除后的接头高度不得低于母材，翻边切除检查应符合以下要求：
        1、翻边应是实心圆滑的，根部较宽。
        2、翻边底部不得有污染，气孔，若发现杂质，小孔，偏移或损坏时，则判定不合格
        破坏性检验包括焊缝热稳定性，耐应力开裂、压缩复原、纵向回缩率、断裂延长率等[6]，一般情况下，焊接工艺制定的时候焊缝试件已经按照要求进行各项物理和力学性能检测，施工现场不进行检测，但是为确保焊缝内部质量及强度，施工时会随机抽查几组外观成型相对较差的焊缝进行检查，检查焊缝内部是否有气孔，裂纹，未熔透等缺陷。最终管道系统完成后，进行水压试压，检验母材及焊缝的强度。水压试验时，压力应缓慢分级升压，当压力升至试验压力的50%和70%时，应分别稳压10min，然后对试压系统进行检查，无泄漏和异常情况后方可以继续缓慢升压，直至试验压力，达到试验压力后稳压10min，然后降至设计压力，并稳压30min，检查无泄漏，目测无变形即为合格。
        管道试压完成后，长时间日照会使HDPE管老化，影响其寿命，要按照要求进行防紫外线保护施工，施工现场考虑到管道热变形量较大，因此采用保温棉保温，铝皮保护。目前管道运行正常，能够满足不同水质（酸、碱性）工况需求。
        结束语
        HDPE管道采用热熔焊接，方法简单，操作方便，施工速度快，施工质量可靠，已经广泛应用在石油化工行业，但是由于焊缝本身无损检测手段有限，无法对内部缺陷进行有效的检测，给施工质量监管带来一定问题，因此焊接时，要制定可靠并有效的焊接工艺，同时随时监控施工过程，严格按照操作规程焊接，才能保证焊接质量，管道焊接完成后，进行水压试验对焊缝进行彻底的强度检验，才能保证管道系统安全使用。
        参考文献
        [1]张兴森,彭应秋.PE管热熔对接焊缝的超声波检测[J].无损探伤,2007, 31(2):37-38.DOI:10.3969/j.issn.1671-4423.2007.02.010.
        [2]桂祖桐.聚乙烯树脂及其应用，北京：化学工业出版社，2002.9
        [3]顾然.燃气用聚乙烯埋地管道质量监督检验.锅炉压力容器安全技术,2002（2）：13～14
        [4]梅胜，PE管应用技术发展的现状及前景分析，广州大学学报(自然科学版)，2004.3(3):226~280
        [5]张琳,王力.PE管道热熔对接焊缝无损检测技术研究现状[J].中国石油和化工标准与质量,2014,(22):4-5.DOI:10.3969/j.issn.1673-4076.2014.22. 004
        [6]郭支农,崔建国.对规范PE管热熔连接质量控制要求的若干见解[C].//2005年特种设备安全国际论坛论文集.2005:403-405.
        [7]姜振世，孙东喜，徐彦丰，聚乙烯压力管道的质量控制，燃气技术，2005.5：19~21