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PE电熔管件技术标准商榷

 2014-07-10 09:57:18 浏览量:10

 

PE电熔管件的技术标准,应该具备技术指标、试验方法和判定准则三个内容。焊接热功量、焊接功率密度、加热速度等技术指标直接决定了电熔管件的制造质量和焊接质量。

2005年10月和12月,国家先後颁发了给水用PE电熔管件技术标准GB/T13663.2-2005和燃气埋地用PE电熔管件技术标准GB15558.2-2005。按理说,标准的颁发应当对行业起到规范作用,结束混乱局面。然而3年过去了,状况依旧。原因何在?仔细看一下标准文本便知,标准中连电熔管件的设计方法和技术指标都定不出来,何以规范一个行业?有鉴於此,本文将对上述两个电熔管件技术标准的核心内容与提出单位、起草单位和组织管理单位以及颁发单位进行商榷,以期促成标准的早日修订。

    电熔管件技术标准质疑

    众所周知,标准是针对具体的产品制定的,它是产品制造和检测的技术规范和判定准则,其主要内容由三部分组成:一是技术指标;二是试验方法;三是判定准则。第一部分是核心,後两个部分是第一部分的技术支持。作为电熔管件的技术标准,同样应该具备这些内容。

    对於电熔管件,其技术性能可以分成两部分:一是机械性能,包括几何尺寸、熔区宽度、机械强度、材料配方等。机械性能是保证电熔管件在管网中能够长期承受规定压力的技术参数,这些参数容易确定也容易实现。二是电气性能,包括固有热功量、焊接热功量、熔融材料的重量、焊接电压、焊接时间、管件电阻、功率密度、加热速度、电阻丝的材料、电阻温度系数、电阻丝埋设深度、电阻丝的螺距、径向热负荷、轴向热负荷、观察孔深度等等。一个电熔管件能否焊好,主要是由电气技术指标来保证的。如果一个电熔管件的电气参数设计不合理,焊接质量根本无法保证。所以笔者认为,电熔管件更应该归类为电气产品,由精通电气技术的人员来设计技术指标更合适。现在我们看一下两个标准对电熔管件的“电气技术指标”是如何规定的。

    在BG/T13663.2-2005中:

    6.3电熔管件的电阻值应在下列范围内:

    最大值:标称值×(1+10%)+0.1Ω;

    最小值:标称值×(1-10%)。

    电熔管件竟然只有这一个电气技术指标?标称值到底该为多少?该如何确定?

在GB15558.2-2005中:

    6.5电熔管件的设计

    电熔管件的设计应当确保管件与管材或其他管件装配时,电阻线和/或密封件不移位。一共35个字,这就是电熔管件的设计。

    6.6电熔管件的电气性能:

    电熔管件应根据工作时的电压和电流及电源特性,设置相应的保护措施。

    对於电压高於25V的情况,当按照管件制造商和熔接设备制造商的规程操作时,在熔接过程中,应确保人无法接触到带电部分。

    在23℃下,电熔管件的电阻应在下列范围内:

    最大值:标称值×(1+10%)+0.1Ω;

    最小值:标称值×(1-10%);

    最大值内+0.1Ω是考虑到测量时可能存在接触电阻。

    把这两段连起来看,本质是完全一样的,没有给出任何有用的电气技术指标和设计方法。目前电熔管件市场技术现状十分混乱的根源就在於此,任何厂家怎麽干都有理,而且谁也说服不了谁,所以应当尽快修订完善的标准。

    电熔管件应具备的技术指标

    焊接热功量Q

    对於一个电熔管件,其焊接过程就是做热功的过程,如同我们平时烧开水一样。图1是一个电熔套筒和管材装配後的剖面示意图。我们知道,每一个电熔管件的熔区宽度是一定的,熔融深度也是可以确定的,图中的红线区域就是焊接时理想的熔融区。当管件的直径(内径)确定以後,我们就可以计算出,要焊好一个管件,熔融区内有多少克PE材料要升到230℃(230℃是PE比较好的熔融状态)。这个重量为:

 W=3DL2δ/1000(克)(1)

    式中,D为管件直径;L2为熔区宽度;δ为熔融深度。

    一克PE升到230℃所需的热功为K焦耳,W克PE升到230℃需要的热功量为:

    Q=WK=πDL2δ(焦耳)(2)

    由(2)式可知,Q是电熔管件的一个固有参数,我们称为固有热功,它的大小取决於管件直径、熔区宽度和熔融深度三个参数。每个电熔管件的固有热功是一定的,一个电熔管件能否焊好,主要取决於这个参数。

    由於电熔管件的焊接热功是电阻丝产生的,要能焊好一个电熔管件,电阻丝产生的焊接热功必须等於固有热功,於是有:

    Q=U2T/R=PT(焦耳)(3)

    式中,U为焊接电压,R为管件电阻,T为焊接时间,P为焊接功率。这样,固有热功和管件的电气参数就联系起来了。由(3)式可知,焊接热功的大小取决於焊接电压、管件电阻和焊接时间三个参数。根据(2)式和(3)式我们马上就可以判定一个电熔管件是否合格,因为一个电熔管件做成後,焊接电压和焊接时间厂家已经给出,电阻值R可用仪表测得,先根据(2)式计算出固有热功,再根据(3)式计算出焊接热功。如果焊接热功等於固有热功,管件是合格的;如果焊接热功远大於固有热功,焊接时就可能出现过焊、炭化和喷浆甚至焊爆;如果焊接热功远小於固有热功,肯定焊不好。

由於(3)式中Q是一个三元函数,当Q一定时,如何确定U、R、T的值,这是电熔管件设计的关键所在。要确定U、R、T的值,必须对它们进行数学优化。

    焊接功率密度dp/ds

    焊接功率密度是电熔管件另一个重要参数,设计电熔管件时必须确定。电熔管件的直径不同,焊接功率密度也不同。所谓功率密度就是熔区内单位面积上容许施加的焊接功率,当它确定了之後,就可以计算出电熔管件的焊接功率:

    P=(dp/ds)S(4)

    式中,S为熔区面积。因为P=U2/R,如按照惯例,焊接电压U取39.5V,於是管件电阻为:

    R=U2/P

    这样管件电阻的大小就确定了。又根据(3)式得:

    T=Q/P或T=QR/U2

    焊接时间也就确定了。可以看出,这个时间并不等於管径,所以“管径多粗就焊多少秒”的说法是没有根据的。可能对个别管件是对的,那是巧合,不是必然规律。这里举一个Dn63电熔套筒的例子,根据笔者的优化计算,管件固有热工Q=55191(焦耳),熔区面积S=118.692cm2,功率密度dp/ds=5.167W/cm2,焊接功率P=5.167×118.692=613(W),如焊接电压取39.5V,则管件电阻R=39.52/613=2.545(Ω),焊接时间T=55191/613=90(秒)。显然焊接时间也不是63秒。

    加热速度dQ/dt=P

    加热速度也是一个很重要的电气参数,由它可以算出一克塑料在不燃烧的条件下,升到230℃允许的最短时间,进而算出一个特定电熔管件允许的最小焊接时间,以验证所确定的焊接时间是否正确。在优化的条件下,dQ/dt|max=Q/T,据此我们可以判定一个管件给出的参数是否合格。如果管件给出的dQ/dt>>Q/T,焊接时间未到管件可能就焊喷了;同理,如果管件给出的dQ/dt<

    电阻丝的螺距s

    电阻丝的螺距是电熔管件极其重要的一个参数。一个电熔管件,如果电阻、焊接电压、焊接时间、焊接功率等技术参数完全按照前面的方法进行设计,如果螺距确定不正确,同样焊不好,因为螺距直接决定着管件的轴向热负荷和径向热负荷。轴向热负荷与螺距成正比,为了达到理想的焊接效果,我们希望轴向热负荷要小,於是螺距不能太大。而径向热负荷与熔融深度δ成正比,为了达到规定的熔融深度,在管件设计时,热功的分配应该径向大,轴向小。减小螺距的直接效果就是减小轴向热功,增大径向热功。那麽一个特定的电熔管件,电阻丝的螺距到底等於多少才合理呢?笔者通过分析推导,已经得出了计算公式,在此不做详述。

电阻丝的温度系数λ

    据笔者所知,目前制造电熔管件所用的电阻丝有:合金丝、康铜丝、黄铜丝、紫铜丝,还有的用铜包铁丝。它们的电阻随温度升高不断增大,属於正温度系数。由前可知,焊接功率为:

    P=U2/R=U2/R0(1+λt)(5)

    式中,R0为冷态电阻,t为焊接过程中的温度。由於温度系数λ的存在,随着温度的升高,分母不断加大,如果焊接电压保持不变,则功率就会不断减小,结果导致焊接热功不够,焊不好。如图2所示,在焊接过程中,功率曲线不断往下掉,这表明,总的焊接热功达不到规定值,焊接质量无法保证,所以电阻丝的温度系数是一个非常重要的参数,要求越小越好,为0最好。但任何材料的电阻温度系数都不可能为0,所以制造电熔管件时,应当选用温度系数低且稳定的电阻丝。在上述几种电阻丝中,康铜丝的电阻温度系数最低,铜包铁丝最大,且极不稳定。为了保证电熔管件的质量,标准应对电阻丝的温度系数作出强制规定,禁止使用高温度系数且不稳定的电阻丝。

注意,图中的P-R曲线并非直线,只是为了说明问题,帮助理解,才将其画成直线。这对定性分析没有影响。

电阻丝的埋设深度h

电阻丝的埋设深度也是电熔管件非常重要的技术指标。从理论上讲,电阻丝最好与管件内壁和管材外壁同时相切,裸丝电熔管件能做到这一点,但对於後布线工艺和过塑工艺的电熔管件,就无法做到这一点。电阻丝的埋设深度直接影响到径向热功的传递。如果埋设深度过深,径向热功传递性能大幅降低,管材表面得到的焊接热功大幅减小,影响管材表面的熔融效果,从而影响焊接质量。笔者认为,电阻丝的埋设深度不得大於0.5mm甚至应更低,这一技术指标也应在标准中进行强制限定,否则现场会留下很多事故隐患,威胁管网的安全。

    焊接电压、焊接时间的确定

    焊接电压和焊接时间是电熔管件必给的参数。焊接时间是根据固有热功和焊接功率来确定。焊接电压的确定有两种方法:一是按照惯例定为39.5V,这样做的好处是兼顾到了老式焊机,不利之处是,它没有考虑加热速度,往往容易使管件焊喷;二是先确定功率密度,再根据焊接功率来确定焊接电压。这样做的好处是,既保证了固有热功的实现又保证了加热速度的优化,焊接效果比较理想,不会过焊和喷浆。但确定出来的焊接电压就不是39.5V,只有39.5V固定输出的老焊机就不能用。笔者认为,这种方法更科学一些。

    电熔管件的设计完全能够给出一套完整的设计原则和计算方法,所有的参数都可以通过优化计算唯一确定,这些参数也完全可以作为标准的强制条款进行实施。因此,笔者建议标准的组织与归口单位,尽快对上述2个标准进行修订,组织一批既精通电气技术又懂PE性能的技术专家,对“电熔管件的设计和电气性能部分”进行修改和增补,争取新颁发的标准既符合科学性,又有统一性和权威性,更有可操作性,对行业真正起到统一和规范的作用。

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