焊接塑料管专利技术综述

徐凌霄（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北　武汉　430070）

焊接塑料管专利技术综述

徐凌霄
（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北武汉430070）

塑料管材作为金属管材的良好替代品已经进入到千家万户，具有耐腐蚀、耐压强度高、卫生安全、水流阻力小、节约能源、节省金属、改善生活环境、使用寿命长、安装方便等诸多特点，并形成了一种势不可挡的发展趋势。本文从专利角度出发，研究了塑料管材焊接技术的发展路程、国内外的发展动态以及行业的专利申请分布，为国内的塑料管材焊接技术的研究和专利布局提供一定的借鉴。

塑料管；焊接；专利技术

塑料管材如今在我国社会诸多行业（如燃气输送、给水、农业灌溉等）已经大量取代了金属管材，尤其在燃气输送方面应用非常普遍。在塑料管道应用逐渐普遍时，也产生了一些新的问题，管道的连接便成了一个问题，一直值得我们去深究。在塑料管道系统的制造与铺设过程中，塑料管道之间的连接直接影响着其结构的强度以及结构的持久性。在塑料管道中输送的液体中必然会含有部分的有害或是危险介质，比如天然气与煤气等，若是管道的结构被破坏，那么将会产生很严重的后果，所以，现今对于塑料管道的焊接问题已经成为了主要的研究问题，对于塑料管道的连接技术已经成为了关键的研究技术［1］。

1　概述

塑料管与传统金属管道相比，具有自重轻、耐腐蚀、耐压强度高、卫生安全、水流阻力小、节约能源、节省金属、改善生活环境、使用寿命长、安装方便等特点，受到了管道工程界的青睐。为此，许多发达国家塑料制品商与管道工程界进行广泛的合作，投入了大量人力、物力和财力进行全方位的开发研究，使原料合成生产、管材管件制造技术、设计理论和施工技术等方面得到了发展和完善，并积累了丰富的实践经验，促使塑料管在管道工程中占据了相当重要的位置，并形成一种势不可当的发展趋势。

塑料管道是指用塑料材质制成的管子的通称。常用的塑料管道有：PPR（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）PB（聚丁烯）、PE-RT（耐热聚乙烯）、PE（聚乙烯）HDPE（增强高密度聚乙烯）等［2］。塑料管道材料的分类根据其受热变化的不同，分热塑性、热固性塑料。热塑性即受热后熔融塑化，冷却后变硬定型，这一过程可反复数次而其分子结构和性能无明显的下降；热固性即受热后，分子结构发生体型或网型交联反应而固化成型，成型固化后失去可塑性。热塑性有PVC、PE、PP、PB、ABS等材料，热固性有PEX/VPE、PF、EP等。

塑料管材焊接方式目前一般分为两种，即热熔焊接和电熔焊接［3］。热熔对接焊是采用热熔对焊机来加热管道端面，使其熔化，迅速将其贴合，保持有一定的压力，经冷却使管道连接。各种规格的PE管均可采取热熔对接方式连接，一般公称直径大于90 mm的管材推荐采用热熔对接焊，该方法焊接时不需要其他附件，经济可靠，其接口在承拉和承压时都比管材本身具有更高强度，如图1所示。

图1　热熔焊接的主要工艺过程

具体步骤如下：

（1）清洁塑料管道焊接部位的油污及泥土等脏物，将待焊管道或管件用焊机夹紧装置夹紧。

（2）切削和修整管道的端面，保证端面的平整及与轴线的垂直度。

（3）矫直待焊管道或管件，使其位错量＞壁厚的10％。

（4）放入加热板加热，加热完毕，取出加热板。

（5）迅速接合两加热面，升压至熔接压力并保压冷却。

焊接过程中，压力和时间的变化关系如图2所示。对于PE管材热熔对焊的参数，许多专家进行了深入的研究。需要特别指出的是，目前应用的一些薄壁PE管材，如外护保温PE管材、钢管内衬防腐用PE管材等因其壁薄的特殊性，在热熔对接焊时需根据实际情况和施工经验进行适当调整，如果完全依靠公式推导焊接参数可能会出现熔融物料被全部挤出的“假焊”等非正常现象。

图2　焊接过程中压力与时间的关系

而电熔焊技术原理，主要是利用电流所产生的热效应来使塑料融化，并且利用聚合物分子的扩散，在冷却后能够使其连接到一起，以此来达到了焊接的目的。对于电熔焊技术的发展，主要有三个方面：①在美国的相关公司开发了可以利用导电填料与聚乙烯树脂结合制成的电熔焊管件。在树脂中带有导电的颗粒，可以使电流通过，并且最终主要是利用热效应的来达到焊接的效果，在二十世纪八十年代初，这种电熔焊管件成功的到了应用，但是随着社会的发展、新技术的产生，使其逐渐的被淘汰出了市场；②主要是将金属丝嵌入到管件中，这种设计思想是在二十世纪七十年代末到二十世纪八十年代初提出的一种设计理念。主要的原理就是在接头的部位连续施加一些变化的磁场，使其能够在金属丝中产生电流，并且使电流能够发生热效应，从而来对管件进行加热。在美国的相关的公司很好的采用了这一技术，并且取得了很好的效果；③第三种技术是最为普遍，同时也最为传统的技术，主要原理是将金属丝植入到塑料管件中作为发热源，当通电时，电流通过金属丝，由于焦耳效应最终会使接头的界面的塑料融化，并且通过分子扩散，在最后进行凝固，从而形成了焊接的效果。这种技术在最初是由比利时的相关公司开发的，并且逐渐的得到了应用，在很多特殊的领域都应用比较广泛。在随后，法国的相关公司将电熔焊技术作为法国唯一的管道连接技术，并且在这一领域进行大力的研究，在很大的程度上，推动了电熔焊技术的发展。

2　两种焊接方式的比较

从操作上看，热熔电焊机比较繁琐，需要切削，清理管口，对口，焊接吸热，带压冷却和泄压冷却几个步骤，需要的熟练度比较高，要有专门的技工来操作。电熔电焊机只需要用刮刀把管材口处的外面氧化层刮掉，加上电熔套桶就可以焊接，对于焊接的参数，机器已经根据管材的尺寸设计好了，选择好参数就能直接焊接，操作简便。电熔焊接准备过程的去除氧化层步骤中，如果管材刮的不够均匀，氧化层还保留在管材上，可能造成焊接时吸热不均匀导致还接质量问题出现，电熔焊接吸热融化的过程中，焊接的管材不能随意的摆动，小的摆动就会导致焊接口不牢固。焊接口的稳定性比较低。

从灵活性来看，塑料管材的不同，热熔电焊机的型号也不同，管径增大相应的热熔电焊机尺寸也增大，使得焊接时候携带也不方便。而对于焊接不同管径的PE管，电熔电焊机的型号是一致的，焊机的体积小，携带方便，拿Dn250的热熔电焊机和电熔电焊机比较，热熔电焊机需要四名配合工才能把机器顺利的移动进行焊接，而电熔电焊机只需要一个人就可以轻松的把机器带走，方便于流动性施工。

从焊接条件上来看，热熔焊机体积比较大，对于相对狭窄的管沟就不太适合，对于坡度比较大的地段用热熔电焊机更是不方便。因为热熔电焊机焊接时候需要一定的液压缸行程，所以对于连接死头的时候，管线相对已经固定，焊接行程不够导致焊接的质量难以保证，用热熔电焊机比较费劲。这些时候就不如电熔电焊机实用。

从保管上来看，热熔电焊机的卡瓦是根据管径需要随时添加的，卡瓦比较小，能拆卸下来，不妥善保管容易丢失。卡瓦都是铝制的，没有太大的抵抗冲击力的能力，比较脆弱，所以要小心保护。热熔电焊机中的液压油也要及时的添加，以免影响生产。电熔电焊机的比较精细，不能有大的磕碰，操控都是数字化系统，出现错误就只能是根据错误提示按说明书调试。

3　发展历程

德国是开发使用塑料管材最早的国家，始于1936年，50年代以后，获得了迅速发展，1989年在德国西部塑料管的消费量就达39.3万t。目前，德国的饮用水管中采用Pvc饮水管已占60％以上，总计达500万m。

我国从60年代中期开始研制生产和应用PVc塑料管道，70年代进行了聚乙烯、聚丙烯塑料管道的开发与应用。改革开放以来，我国在塑料压力管道的开发、生产与应用方面有了很大的发展，在我国大规模铺设塑料压力管道已经是国家基

础设施建设的一项重要内容［4］。

图3是我国塑料管历年来专利申请量占比情况。从图中可以看出，我国1990年申请了第一份塑料管技术专利申请。一直到2002年，整个专利申请数量较少。这个阶段与国际先进的焊接技术差距很大，2002-2008年，国内塑料管焊接技术开始发展，申请量稳步增长。进入2005年以来，塑料管焊接技术开始出现急剧增长趋势。2012年专利申请量已经达到了450件，这表明国内企业加强了塑料管焊接技术的创新。

图3　我国历年塑料管焊接技术申请量总量

在我国的塑料管焊接技术专利申请中，主要申请人还是企业，占总申请量的83％，其次是个人申请，占总申请的11％，学校/研究所专利申请占6％。这表明，塑料管焊接技术的研发主要还是企业。

图4是我国塑料管焊接技术专利申请主要区域。江苏省、广东省和山东省是塑料管焊接技术专利申请最多的三个省份。由图4可以发现，这三个省份从事塑料管焊接技术研发的企业最多，比如江苏省有苏州市星河塑料机械有限公司、无锡市永大企业制造有限公司以及广东省有深圳市华瀚管道科技股份有限公司。江苏省和广东省的申请占了总数的将近46％。

图4　我国塑料管焊接技术专利申请主要区域

4　最新发展动态

从上述陈述可见热熔对接焊以及电熔焊在管道的焊接中应用已经非常广泛，但是这种方式也存在一些问题，就是焊接的时候有些过于长。针对这一点，2010年左右新兴地出现了一些以能量束（主要为红外线）辐射的方式来进行管道焊接，焊接过程与热熔焊接过程基本一致，只不过区别在于，其加热工具主要是由钨丝以及镍镉丝制成，这样可以利用钨丝与镍镉丝在加热时会出现红外线，利用红外线来对管道进行辐射加热。这种方式的主要优点是：减少了焊接的时间，并且在进行加热时，加热板不需要与管道的断面进行接触，有效的避免了热源污染等现象。但是这种红外线焊接方式本身也存在一些问题，相关的专利技术也较少，有待完善。

5　展望

在我国，对于塑料管道焊接技术的研究起步比较的晚，因此在技术方面与发达国家依然一定的差距，而我国大多数的管道设备都是国外进口产品，我国的焊接设备比较的落后，主要是工人凭借自身的经验进行手动焊接，但是这样在很大程度上增加了劳动的强度，十分的耗费人力物力。并且工人在进行焊接时，无法保证焊接标准型，因此其质量无法保证。所以我国的相关学者也加强了对塑料管道焊接技术的研究，并且也逐渐的取得了不错的成绩。国内的各大高校的教授都对塑料管道进行了研究，比如相关高校教授，开发了新型的电熔管件，利用价格比较低的碳毡，作为了电流载体与聚乙烯采用层压复合法制备用于聚乙烯管道电熔焊接的复合材料，利用这种材料具有很大的优点，这种材料的价格很低、比较容易控制并且成本低，是一个十分理想的发热体，并且这种材料不会发生短路，具有很强的稳定性。因此这种材料具有很大的发展空间［5］。

6　结语

根据我国国情，目前，我国应在以下几个方面展开全面系统的研究工作：①开展国产塑料压力管道焊接的工艺参数对焊接接头力学性能的影响方面的研究工作。一般应进行长期试验（水压和持久拉伸试验等）和短期试验（拉伸、弯曲和冲击试验等）。另外，还应研究工艺参数对焊接接头抗快速裂纹扩展性能的影响，以保证整个管线的安全运行。②热熔对接焊适合于各种不同的管径，而且焊接质量稳定，但电熔焊应用于大直径的塑料压力管道时质量不稳定。因此，应加强对电熔焊的基础理论方面的研究，改进其工艺参数，提高焊接质量。电熔焊控制的参数较少，一般只控制焊接时间和电流，可否改变控制参数，如熔融塑料的流动指数等，以改善焊接接头的性能［6］，也可以利用新材料、新技术研制和开发新型的电熔焊接头，如可利用导电塑料来制做电熔焊接头等。③加强对热熔对接焊机自动化方面的研究。尽管热熔对接焊这种方法比较成熟，焊接质量也稳定，但过程较复杂，需要控制的参数较多，受人为因素和环境因素的影响较大。因此要有效地控制焊接质量，一方面加强对操作人员的培训，另一方面利用计算机技术研制自动化程度较高的焊机，消除人为因素和环境因素的影响，改善焊接质量。此外，非接触式的焊接方式由于其独特的优势已经逐渐兴起，但工艺尚不成熟，仍需改进。

［1］潘红斌.塑料压力管道的应用及其焊接技术［J］.太原科技.2002（02）.

［2］阳代军，霍立兴，张玉凤，齐芳娟.塑料压力管道的连接技术［J］.焊接技术.2002（01）.

［3］田悦.PE管电熔焊接和热熔焊接在施工中的比较［J］.辽宁化工.2011（09）.

［4］张玉川.塑料管道国内外技术发展新动向［J］.塑料.2008 （03）.

［5］温彦.塑料管道的连接技术［J］.城市建设理论研究（电子版）.2014（30）.

［6］刘伯元，冯立新，廖正品，张玉川.我国塑料管材发展趋势概述［J］.中国建材.2003（03）.

Summary of plastic-pipe welding on patented technologyXuLingxiao

Xu Lingxiao
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office，SIPO，Wuhan Hubei 430070）

Plastic-pipe，as an excellent alternative for metal-pipe，has been widely used in domestic industry，which has been leading a new trend because of its corrosion resistance，high-pressure resistance，security，low hindrance，energy-saving，metal-saving，endurance，convenience，etc.This study mainly researches on the developments of plastic-pipe welding technology，as well as its patent distribution and novel revolution，from the perspective of patented technology，which may provides reference for researches and interests on plastic-pipe welding technology.

plastic-pipe；welding；patented technology

TB324

A

1003-5168（2016）05-0055-04

2016-5-10

徐凌霄（1987-），男，硕士，实习研究员，研究方向：高分子材料。