电熔连接在大口径低熔指100级HDPE管道中的应用.docx

1、电熔连接在大口径低熔指100级HDPE管道中的应用大口径低熔指100级HDPE管道的电熔连接性能Predrag Micic（澳大利亚） Cliff Mure（美国）概要：本项目从多个方面研究了电熔连接技术在低熔指100级HDPE（MFR50.2g/10min）管材上的适用性，测试时所使用的管材最大公称直径为800mm，管件的种类包括普通管接头和鞍形管件，也评估了电熔焊接工艺；结果表明：电熔连接技术很好的适用于100级HDPE（MFR50.2g/10min）管材。关键词：电熔焊接，管材，标准，100级HDPE，MFR50.2g/10min。1. 摘要：100级HDPE原料已经成功的应用到塑胶管道

2、行业很长一段时间，使用这种原料生产的管材可以通过电熔或热熔连接组成管道系统，而接头处的强度和耐久性都可以达到与管材本体相等，这很好的适应了管道工业发展的需要，也缓解了管道风险工程师一直把接头部位视为整个管道系统整体安全着眼点的问题。当前，管道行业还是朝着大口径、厚壁管材的方向发展，因此，当我们推出这种容易成型加工的低熔指MFR50.2g/10min（MFR5是指，按照第三等级进行熔指测试，即：砝码重量5kg，温度190）100级HDPE新材料时，必须把使用这种材料生产的管材的连接性能作为重点去试验、验证。下面介绍的内容，主要针对使用Qenos公司推出的100级HDPE树脂所生产管材的电熔连接适

3、用性能；这种新原料的商品牌号为Alkadyne HDF 145B，采用Univation Technologies开发的双峰催化剂PRODIGY BMC-200生产，熔指MFR50.2g/10min；他符合EN1555、ISO4437和EN12201、ISO4427列出的对于100级、低熔指MFR50.2g/10min聚乙烯树脂原材料的性能要求。随着管材公称直径的越来越大，管材与管件的尺寸公差和管材与管件之间的配合缝隙都会增大，这给电熔焊接技术的应用提出了特别的挑战。澳大利亚、以色列、德国三个国家合作推出了这个项目，主要工作分工如下：在澳大利亚使用符合标准要求的熔指MFR5=0.17 g/10

4、min的100级HDPE原材料，利用工业设备生产SDR17，公称直径为dn800、dn630、dn560、dn110的HDPE管材（管材壁厚从7mm到50mm）；管材与电熔管接头和鞍形电熔管件的连接与测试均在以色列的Plasson和德国Friatec、SKZ研究所进行。对焊接工艺的评估，包括：焊接环境温度（从-10到45）、管材与管件之间的配合间隙、焊机能量输入强度。连接部位的质量通过静液压强度（按照EN12201-03标准测试）和脱粘测试和条弯测试（按照ISO21751标准测试）来评价，试验结果表明：电熔连接适用于使用100级HDPE（MFR50.2g/10min）生产的管材，接头部位质量可

5、靠。2. 项目介绍：聚乙烯管道已经应用了50多年，表现出优异的应用性能；今天，聚乙烯树脂已经牢固占据着燃气输送、饮用水输送、污水处理、下水管道系统的应用市场；同时，在工业领域如：泥浆输送、瓦斯气体收集也有广泛应用；而且，大口径聚乙烯管道也成为民用工程公司在大规模灌溉工程招投标和技术标准中的优先选用的产品。塑胶管道工业已经成功的推出各种技术标准来确保产品耐用性和可靠性符合实际应用要求，并且制定了各种操作规范和流程文件确保工程质量，这要归功于整个产业链包括原材料供应、产品制造、实验室测试和终端用户对这些技术文件的共同制定和遵守；同时，这些技术标准也鼓励原材料和产品供应商不断的提高原材料质量、推出更

6、多创新型产品。对于聚乙烯树脂来说，熔指和密度两项指标只能部分的反映他的内在性能，只有通过有针对性的分子结构设计，才能使原料性能最终满足一些特殊应用领域的需要；所以，在制定或修订管材质量标准和技术规范时，要确保只有使用最优质的原料生产的产品才符合标准要求。最新版本的ISO4427-1/2/3/5:2007和ISO4437-1/2/3/4/5:2014两份系统标准文件，在最近一次修订中体现了过去十年100级HDPE原材料质量的提高，也反映了低熔指（MFR50.2g/10min）、双峰型100级HDPE树脂新产品的成功应用领域。例如：上述两份标准在2007版中明确规定，符合要求的聚乙烯树脂的MFR为

7、0.20-1.40 g/10min，但现在的版本允许使用为熔指不低于0.15g/10min的；而且，考虑到管道系统的整体安全性，使用这种低熔指原料是标准中特意注明中增加了熔接适用性检测要求。具体的条款修订内容摘录和备注见在下表1：表1. ISO4437关于熔体流动速率测试的相关条款摘录测试项目技术要求参数设置测试方法项目数值PE80或PE100熔体流动速率测试0.20-1.4g/10min（与标准值偏差不超过20%）载荷5kgISO1133测试温度190时间10分钟抽样数量参照ISO1133-11）原料的熔指0.15MFR0.2 g/10min时，要关注熔接适用性能；而且熔指MFR的实测值不能

8、低于0.15 g/10min。上面两份最新标准也涉及到管材最大公称直径的提高，对于大口径管材的连接，电熔连接成为不可缺少的技术手段；加工与应用过程中的相关技术工艺知识不仅是安全、可靠生产和使用产品的基础，也是在建设和运营阶段有效提高效益的保障。现在，电熔管接头可用于公称直径高达800mm的管材的轴向连接，也可以通过电熔鞍形管件形成分支管道；按照相关技术规范，连接后的管道系统，可以公称压力高达2.5Mpa的饮用水输送或1.0Mpa的燃气输送；甚至在澳大利亚的一些煤矿实际应用中，压力高达1.6Mpa的瓦斯气体也用这种方式连接的管道来输送；所以，确保电熔连接接头与低熔指100级大口径HDPE管材的整

9、体焊接质量显得至关重要。对电熔焊接过程来说，管材的外径尺寸、管材与管件配合间隙的公差至关重要；但是，随着管材工程外径增大，尺寸公差的可变范围肯定也会越来越大；所以，在大口径管材挤出阶段，提高其外径尺寸稳定性，最终决定电熔焊接过程的成败。2008年，澳大利亚的一家公司已经开始使用双峰催化剂生产低熔指（MFR50.2g/10min）100级HDPE树脂；这种管材专用料除熔指MFR5低于标准外，其他各项性能均与ISO4427和ISO4437的质量要求一致；这种原料制造的管材，即使在尺寸为2000mm、壁厚高达120mm时，无论从可焊接性还是管道系统运行情况来看表现的都非常出色。为了全面评价低熔指（M

10、FR50.2g/10min）100级HDPE树脂生产的管材的现场试验情况和连接性能，我们发起了一个专门的试验评估项目。3. 结果与讨论3.1树脂特性本项目用到的管材是使用双峰型100级HDPE树脂为原料制造而成；这种树脂采用气相聚合法工艺生产，使用催化剂为双峰催化剂；从表面上来看，除了他的熔指MFR5通常低于0.2g/10min,一般在0.15-0.18g/10min外，其他各项性能与通用的100级HDPE树脂非常类似。由于这种100级HDPE树脂具有独特分子量分布且熔指MFR5很低，所以，他表现出独特的性能。例如：从流变行为上，他的熔体表现出高度的剪切变稀能力。图1为190时不同的剪切速率下

11、测定该树脂复合粘度的实验结果，由表中数据可知，在剪切速率较低时，该树脂熔体的复合粘度很大，但当剪切速率逐渐增大到与正常挤出生产相当时，该树脂的复合粘度逐渐降低到与通用100级HDPE相当。图1. 190两种100级HDPE树脂复数黏度对比测试结果低剪切速率时的复合粘度数据可以近似反映聚合物的熔体强度，也进一步反映出聚合物熔体离开口模后抵抗流动的趋向，这个特性对于塑料成型加工来说具有非常重要的意义。所以，可以推测这种低熔指（MFR50.2g/10min）100级HDPE树脂熔体强度会很高，能用于生产壁厚范围相差很大的但不圆度变化较小的管材，这两个几何特征对于能否高效的完成管材连接也极为重要。管材

12、专用料在加热熔融和冷却过程中表现出的热学特征也非常重要，实验室一般使用差示扫描量热仪（DSC）来测试，在DSC测试时，聚合物在熔化、冷却、二次熔化过程的热流动都被检测记录下来。下图2为新型低熔指（MFR50.2g/10min）100级HDPE树脂和通用100级HDPE树脂的DSC曲线，由图可知：两种树脂在熔融和冷却过程中DSC曲线上吸热和放热峰的位置以及峰与基线间的面积基本相同，说明两种树脂具有相近热学行为，他们的结晶特征和热力学性能非常相似。这说明当管材与管件使用不同类型的100级HDPE树脂连接时，他们在加热和冷却过程中的熔体发生的变化非常相似，这对于管材与管件的热（电）熔连接来说，具有重

13、大的意义。图2. 两种100级HDPE树脂DSC测试结果3.2管材制造这个测试项目还包括使用低熔指（MFR50.2g/10min）100级HDPE树脂生产SDR17的管材，管材的规格共四种，分别是：dn800、dn630、dn560、dn110；图3示例为dn630 SDR17燃气管打包准备海运到Plasson完成电熔连接和测试。所有的管材都由澳大利亚两家专业的管材制造企业生产，其中Vinidex生产dn630（SDR17）和dn560（SDR17），ZEZT生产dn800（SDR17）和dn110（SDR17）。图3. dn630 SDR17燃气管准备运往以色列Plasson测试进行连接和测

14、试在管材的生产过程中，通过与已经成功推出的通用100级HDPE树脂进行对比，来评价低熔指（MFR50.2g/10min）100级HDPE树脂在的加工性能；实验结果表明，由于具备前文所述的独特流变学特性，这种新型100级HDPE树脂在管材挤出生产时单位产量（kg/hr/rpm）最大、熔融温度最低，表现优异的加工性能；具体的对比测试结果见下图4。图4. 100级HDPE树脂在管材制造时的单位时间产量和熔融温度这种双峰催化剂低熔指100级HDPE树脂独特的流变性能，有利于他在大口径、厚壁管材生产中的推广应用；低熔融温度也使得管材冷却速度更快，能够更好的控制壁厚和不圆度；这两个特点对于有效的提高管材连

15、接质量来说也非常重要。3.3电熔连接及测试这个电熔焊接适用性试验项目是澳大利亚、以色列、德国三个国家间的国际合作项目，表2详细的列出了试验项目中的部分测试计划。大部分研究工作都在以色列的Plasson进行，主要测试普通电熔焊接管件、鞍形管件与SDR17、公称直径为dn800、dn630、dn560、dn110的HDPE管材的连接性能。在以色列Plasson和德国Friatec连接和测试时使用市场上现有管件成品，生产这些管件所使用的100级HDPE原料都符合本国相关技术标准。表2. 电熔管件测试项目技术参数设定表管材规格/mm壁厚/mmMFR5g/10min管件类型规格焊接条件静液压测试脱粘试验

16、dn11070.160PE100管接头dn110 SDR112Min+1Max180/1000hrs/6.3bar2静液压测试后2PE100鞍形三通dn11040 SDR11Min+Max1dn560350.150PE100管接头dn560 SDR11Min+Max180/1000hrs/6.3bar2静液压测试后2dn630400.196PE100管接头dn630 SDR11Min+Max180/1000hrs/6.3bar2静液压测试后2dn800500.165PE100管接头dn800 SDR11标准80/1000hrs/6.3bar2静液压测试后3图5和图6分别展示的是dn630和dn

17、110鞍形管件组合后正在以色列Plasson测试场进行静液压项目的测试。dn800电熔管接头的测试工作在德国Friatec和SKZ研究所进行。（1）极端焊接条件的最高值和最低值描述如下：最低值：焊接温度：-10焊缝间隙：管件的内径尺寸取尺寸公差上限，管材的外径尺寸取尺寸公差的下限；可以使用机加工设备适当切削管材外径，模拟管材与管件的配合间隙的达到实验要求。焊接能量：按照设备控制器的设计标准，选取能量最小的输出档位，设定温度为所连接产品允许使用温度的上限。最高值：焊接温度：45焊缝间隙：管件的内径尺寸取尺寸公差取上限，管材的外径尺寸取尺寸公差的下限；可以使用机加工设备适当切削管材外径，模拟管材与

18、管件配合间隙的达到实验要求。焊接能量：按照设备控制器的设计标准，选取能量最高的输出档位，设定温度为所连接产品允许使用温度的下限。（2）测试按照EN12201规定的尺寸比SDR/PN设定试验条件。（3）对于dn630鞍形管件，按照ISO21751规定进行条弯曲试验。图5. dn630 SDR17燃气管和电熔管接头在以色列Plasson进行静液压测试图图6. dn110 SDR17饮用水输送管与鞍形电熔管组装完毕在在以色列Plasson进行测试3.4测试结果整个项目所有测试结果都为“合格”，充分说明电熔焊接技术能够用于100级HDPE（MFR50.2g/10min）大尺寸、厚壁管材的连接。实验室评

19、价结果也表明，所使用的电熔连接管件在焊接时可以很好的覆盖住管材。表3. 电熔管件连接性能测试结果样品情况静液压测试脱粘测试管材规格管件类型dn800 SDR17管接头合格合格dn630 SDR17管接头合格合格dn630 SDR17鞍形管件合格合格dn560 SDR17管接头合格合格dn110 SDR17管接头合格合格dn110 SDR17管接头合格合格4. 结论：ISO4427和ISO4437两份系统标准在最近一次修订时，都涉及到一种新推出的MFR50.2g/10min 的100级HDPE树脂，这反映出了技术标准试图跟紧管道专用料发展的目的。使用双峰催化剂、气相聚合法生产的MFR50.2g/10min 的100级HDPE树脂，已经在澳大利亚多个管道输送领域应用有很长时间，无论是实际应用效果和连接整体性都表现的无懈可击。电熔连接适用性研究结果表明，可以使用通用100级HDPE生产的电熔管件来连接100级MFR50.2g/10min 的HDPE树脂生产的管材，而且连接质量较好。多方面的试验研究结果表明，电熔连接管件可以用于连接公称外径高达800mm、壁厚达到50mm的HDPE管材。5. 致谢6. 参考文献