PP-R电熔管件设计与应用研究

高莉 毛星剑 谢青娜 陈伟

浙江伟星新型建材股份有限公司 浙江临海 317000

PP-R管道在建筑给水及工业领域中得到广泛的应用，施工的工况也越来越复杂，且管道的应用口径越来越大。传统PPR管道连接主要采用热熔承插连接，在小口径领域由于其操作方便，占据着重要地位，但随着焊接口径的加大，其焊接所需的设备及操作空间也越来越大，普通热熔承插焊接施工无法满足需求，操作不够便利，同时焊接质量无法得到保障。而国家标准对于PP-R电熔管件内容相对较少，无法进行科学设计指导，同时焊接质量判定没有明确，阐述的不够详细。

1 PP-R电熔管件概述

电熔连接在PE管道上应用较多，技术也较为成熟，但在PP-R管道上的应用相对较少，技术也不够成熟。目前，国内外生产厂家较少，从生产工艺上看，PP-R电熔管件加工技术与PE电熔管件类似，主要有先注塑后布线和先布线注塑两种成型模式。两种生产的管件加工技术虽有不同，但管件焊接的工作原理相通，均是通过管件内置电阻丝发热，管件与管材熔接区的材料受热膨胀并熔融，在熔区位置形成一定的熔体压力，最终将管件与管材的分子重新缠绕结合为一体。PP-R材料的导热系数为0.21W/m•k[1]，PE材料的导热为0.42W/m•k[2]，PP-R材料的导热只有PE的一半，因此需要充分考虑材料吸热与扩散的动态平衡。

2 PP-R电熔管件设计原则

PP-R电熔管件的设计主要可分为尺寸设计与电气设计两大部分。尺寸设计方面，在轴向上主要是管件长度，依据GB/T18742.3-2017标准要求，PP-R电熔长度一般按最长的要求设计，内外冷却区尽量进行均分，确保熔融料不会溢出；国家标准要求的熔接区长度较短，一般以标准最小要求的1.8倍以上进行设计。在径向上主要是管件壁厚，标准规定PP-R管系列主要分为S2、S2.5、S3.2、S4、S5、S6.3这六个系列[3]，S2和S6.3在管道应用中较少，因此在设计PP-R电熔管件时，S2.5-S5这四大类是主要设计规格。PP-R管道通常应用于热水管道系统，因此管件壁厚比PE厚，从S2.5到S5跨越多个等级的规格时，不同系列的PP-R电熔管件壁厚差异更大，设计时需要进行区分。通常将S2.5和S3.2归为同一个系列，按S2.5标准进行壁厚设计；将S4和S5归为同一个系列，按S4标准进行壁厚设计。

电气设计方面，主要是电熔管件焊接能量的设计，焊接能量由管件内置的电阻丝通电后发热产生。电阻丝所产生的能量可由以下公式算出：

式中，Q为管件的输出能量，P为焊接功率，T为焊接时间，U为焊接电压，R为管件电阻值[4]。PP-R焊接电压通常采用39.5v的固定值，电气设计主要是以电阻值和焊接时间为主。

3 焊接功率对焊接质量的影响

固定焊接电压为39.5v，通过调整电阻值调节设计功率，测试焊接时熔融料溢出情况及剥离情况。本次焊接规格为dn110，焊接电压为39.5v，焊接时间为250s，见表1。

测试结果表明，在总的焊接时间不变的情况下，焊接功率较高时，焊接后熔融料越容易溢出，焊接后剥离测试的脆性开裂占比较高，主要是焊接后内部气孔较多。焊接功率降低后，焊接后熔融料无溢出，焊接后剥离测试的脆性开裂有所上升，主要是虚焊现象增多。

表1 焊接功率对焊接质量的影响

4 焊接时间对焊接质量的影响

焊接规格选用dn110，以相同焊接功率进行不同焊接时间的焊接性能测试。焊接电压为39.5v，设计电阻值为2.00Ω，管件设计的标称焊接时间为250s。

表2 焊接时间对焊接质量的影响

在固定的焊接功率下，从熔融料溢出的情况上看，焊接时间加长会出现熔融料溢出。从焊接后剥离测试上看，焊接时间越短，则出现脆性开裂的占比越高，主要为管件的虚焊增多；焊接时间越长，在超过一定量后，会出现脆性开裂占比增加，主要为焊接后内部气孔增加。

5 电阻丝材质对焊接质量的影响

不同材质电阻丝的电阻温度系数不同，温度系数越高则焊接后电阻值越大，焊接功率下降越明显，反之则焊接功率越稳定。在相同的设计功率下进行焊接，分析纯铜丝和不同镍含量铜丝管件的电阻值变化与剥离效果。焊接电压为39.5v，设计电阻值为2.00Ω，管件设计的标称焊接时间为250s。

随着铜丝中镍含量的上升，管件焊接结束时的电阻值上升越小，说明焊接的功率更为稳定。从剥离测试上看，纯铜丝管件的焊接后脆性开裂占比最高，镍含量越高的管件焊接后脆性开裂占比越低。

6 结语

表3 不同材质电阻对焊接质量的影响

通过试验对比验证表明，PP-R电熔焊接功率高、焊接时间长，焊接后的融熔料会有溢出，焊接功率的明显更为明显。在设计PP-R电熔焊接工艺时，需要考虑电阻丝的温度系数，温度系数大的电阻丝对管件焊接时功率影响显著，会使得管件的实际发热功率达不到设计要求。设计PP-R电熔管件时，在焊接功率相同情况下，尽量选取温度系数较低的电阻丝，同时兼顾成本，制造出性能优异的产品。