怎样选择聚乙烯管道系统电熔焊机设备

一、序言

      近年来，塑料管道在燃气和给水领域得到了赿来赿多的应用。塑料管道从原料上主要分为PVC、PE和PP－R管道三大类。其中PE管道系统以其强度大、刚度高、经久耐用、复合能力和抗断裂能力强、易于生产和安装、成本低等优点，占据了市场相当大的分额，并且还处于上升期。特别因为耐腐蚀、柔韧性、连接可靠等突出的优点，在燃气输配管网（压力在1.0MPa以下，不是长途高压输气的主干管线）领域，世界各国都已经公认采用PE管道系统是最佳选择。加之，因其无毒性、内壁光滑阻力小、使用寿命长、重量轻、安装劳动强度低、施工费用少、抗震性能强、材质柔韧性好等特点，PE管道系统也越来越受到供水企业、市政建设的欢迎与亲睐，使其具有了良好的应用前景和显著的经济、社会效益。
  二、选择高性能电熔焊机的必要性
      随着PE管道系统在燃气和给水领域的广泛应用，PE管道的连接成为了一个不可避免的课题。
      一方面由于燃气及给水用PE管道属于压力管道，管道接头的焊接质量在管道系统中占有举足轻重的地位，为了减少人为因素对管道焊接质量的影响，提高焊接设备的可靠性就成了改善焊接质量的主要途径。因此，焊接设备的自动化程度、焊接的稳定性是管件厂家及施工单位选择高性能焊机的主要指标。 
      另一方面由于管道焊接多数是野外施工，施工环境恶劣，电网波动较大，这些都将对管道焊接质量产生影响，这就要求焊接设备要具备宽电源功能，能够适应不同的电网电压，保证输出电压的稳定，并具有较轻的重量，便于野外搬运。
      目前比较成熟的PE管焊接技术包括热熔焊接和电熔焊接。其中属于电熔焊接的电熔管件熔融焊接，由于便于搬运，操作简单，焊接速度快，人为因素对焊接效果影响小，能有效提高焊口安全性等优点，在实际应用中已得到了大力发展和推广。
      因此，从以上情况分析可以得知，PE管道的快速发展必将使焊接设备也得到较快的增长与发展，电熔焊机在其中必将扮演一个非常重要的角色。
  三、电熔焊机发展情况分析
      1、 电熔焊机发展的国内国际现状
      电熔焊机的焊接领域主要集中于PE管道行业，进入电熔焊机生产领域的企业大多数是PE管道生产企业或者热板焊机生产企业，专业的电力电子企业较少涉足该领域。由于电熔焊机能量控制技术属于变流技术领域，技术门槛相对较高，许多企业的非专业制造导致现阶段国产电熔焊机可靠性较差、稳压精度低，不能适应大范围的电压波动。因此PE管道的焊接质量也就无法得到可靠保证。
      现阶段国内PE管道生产及施工企业采用的电熔焊机多数是一些国外品牌，进口焊机相对国产焊机在焊接的稳定性及自动化程度上具有一定的优势，但是其对电网电压波动适应能力较差(AC220V±15%)。由于我国电网建设相对滞后，在野外施工时电网电压(包括便携式发电机供电)波动经常达AC220V±20%，通常情况下电熔焊机在焊接管道时检测到电网电压超范围后将会报警停机。由于塑料管件均是一次性焊接，如果中途停机将会使管件报废，从而给施工单位造成较大的经济损失。
      随着PE管材生产技术的不断发展，对电熔焊机也提出了更高的技术要求：如多段焊接、大功率焊接等。现阶段大多数进口电熔焊机功率均为3.5kW，且不具备多段可编程焊接功能。而国内部份焊机企业已经开发出了多阶段可编程焊接功能和大功率焊机，如四川英杰电气有限公司开发的IEFD电熔焊机就具有10阶段可编程焊接功能，并有3.5kW、8kW、12kW三种不同的规格，满足了不同口径管件的焊接要求。
      2、 电熔焊机国家标准起草情况简介
      为了规范国内的焊机市场，全国塑料制品标准化委员会(SCA/TC48)塑料管材管件及阀门分技术委员会(TC48/SC3) 于2004年4月启动了电熔焊机国家标准《塑料管材和管件聚乙烯系统融熔连接设备 第二部份：电熔连接》的制定工作，参与该标准起草的单位分别是西安塑龙熔接设备有限公司、亚大塑料制品有限公司、四川英杰电气有限公司、港华辉信工程塑料(中山)有限公司，其中四川英杰电气有限公司是唯一自主研发、生产、销售电熔焊机的内资企业。
      国家标准《塑料管材和管件 聚乙烯系统融熔连接设备 第二部份：电熔连接》从我国国情出发，并参照ISO12176-2国际标准，从启动起草工作至标准报批稿的完成，共经过了西安、大连、北京、无锡、杭州、都江堰六次会议，参会单位在标准制定过程中，根据电熔焊机在我国的发展现状，提出了许多建设性意见，为标准的顺利制定作出了积极努力。
      电熔焊机国家标准的制定必将对国内电熔焊机市场的规范起到重要作用，同时为管材和管件的连接质量提供更高的质量保证。
  四、怎样选择电熔焊机
      1、 电熔焊机的分类
      现在市场上的电熔焊机主要有三种类型：变压器抽头调压、晶闸管调压、可关断功率 (IGBT、IPM、GTR)高频开关器件调压。
      变压器抽头调压是一种十分粗糙的控制方式。在PE管道发展初期得到了广泛的应用，但是由于变压器的抽头数不可能太多，因此调压精度不高，对电网电压、管件阻值等因素变化引起的输出电压波动无法实现调节，属于开环控制。而要得到良好的管件焊接质量，这种控制方式是无法实现的。因此，随着PE压力管道焊接质量要求的提高，这种调压方式已逐渐退出市场。
      晶闸管调压是一种目前普遍采用的方案，国外产品基本采用此方案。这种方案的优点是控制精度高，对电网电压波动、管件阻值变化等各种扰动量通过无静差的闭环控制可以得到消除，对环境温度可以进行加热时间或能量上的补偿，是一个经济、可靠的技术方案。 可关断高频开关器件调压的最大优点是由于采用了高频变压器使整机重量、体积相对于晶闸管调压方案有所减小，这一体积和重量上的优势，对于3KW以上功率焊机在野外施工和搬运有利，缺点是成本相对略高，设计时可靠性和高频干扰是难以解决的问题。
      从以上分析可以看出，晶闸管调压是目前电熔焊机普遍采用的方案，相对其它两种调压方式在技术、价格等方面具有一定的优势，是一种符合我国国情的质优价廉的PE管道焊接设备。
      2、 电熔焊机的结构
      电熔焊机在野外的运输和现场操作，很可能降低电熔焊机的性能，所以优质的焊机在设计时就已经考虑了将化学腐蚀或机械损伤的风险降到最低，同时由于在运输和操作期间可能因踫撞而损伤控制面板，所以控制面板的设计也应具有防止踫撞的保护措施。
      电熔焊机在野外使用时，容易遇到恶劣的天气，为了防止野外使用时飞扬的尘土或雨水溅入电熔焊机造成焊机内部电路故障，电熔焊机的外壳防护等级应达到IP54,即防尘、防溅水。
      所以，只有当电熔焊机具备了以上结构特点后才是适合野外焊接作业的优质焊机。
      3、 电熔焊机的性能要求
      ⑴ 电源要求
      电熔焊机主要用于野外使用，因此要求其在电网供电或发电机供电情况下均能正常工作，如果电熔焊机使用的是便携式发电机，应避免发电机的谐波、自感、互感的干扰，同时输入电压的允许偏差不得低于电熔焊机额定电压的±15%。这些都是对电熔焊机的最低要求。由于我国电网波动较大，要保证焊接过程连续进行，并保证可靠的焊接质量，应选择具有更宽电源调节范围(±20%)的电熔焊机。
      ⑵ 能量输出要求
      电熔焊机在熔接过程中，要保证输出能量平稳增长，满足管件熔融要求，必须采用恒电压、恒电流或恒功率的控制方式。
      电熔管件电阻丝的阻值是电阻丝温度的函数，一般是正温度系数，即温度越高，阻值越大，为了保证管件在加热过程中能量均匀传递和平稳累积，避免管件由于能量增长过快或能量分布不均匀而导致管件碳化，采用恒电压控制方式是最好的选择，进口电熔焊机也均是采用恒压控制方式。
      选择恒压控制的电熔焊机要求其输出电压的允许偏差应在设定电压的±1.5%以内，但不得超过±0.5V，同时要求其瞬时电流不得超过100A。
      ⑶ 有效值要求
      电熔焊机是对管件加热所需的温度(能量)进行控制，因此必须引入电流、电压或功率的有效值负反馈，之所以采用有效值负反馈是因为有效值是度量任意波形电能发热量的物理量(有效值定义：交流电流的有效值是指在同一电阻中分别通以直流电流或交流电流，如经过一个交流周期时间 ，它们在电阻上所产生的热量是相等的，则将该直流电流的大小作为交流电流的有效值)。
      有效值能够真实的反映管件焊接时产生的能量，所以一台真正意义上的焊机必须具有有效值功能或者具备有效值、平均值双重功能。
      ⑷ 能量补偿要求
      环境温度变化会影响焊接时能量的消耗。因此，焊机要具备环境温度补偿功能，即电熔焊机能够根据环境温度及时调整焊接时间。
      电熔焊机环境温度测量系统测量的环境温度值与环境温度的真实值的精度应保证在±1℃，因此电熔焊机必须采用高精度的温度传感器，将温度信号通过测量辅助电路采集进入电熔焊机后，和基准温度进行比较，如果有偏差的话则进行焊接时间补偿，从而保证焊接质量。
      ⑸ 焊接可追溯性
      电熔焊机是保证压力管道焊接质量的重要设备，其焊接时的数据必须能够保存，便于追溯查阅。
      电熔焊机内部必须设计有数据存储电路和数据输出电路，用来存储焊接结果、管件情况和操作者情况。为了实施焊接可追溯性，电熔焊机还要具备焊接数据存贮和通讯功能，从而将焊接数据上载到计算机进行存档管理。
      4、 电熔焊机的安全要求
      为了保证操作者、焊接设备的安全，电熔焊机应满足以下安全要求：
      ⑴ 输入电源
      电熔焊机的输入电源电压超过允许范围的时间大于5S，熔接过程应当中断；当输入电源的频率超过允许范围的时间大于5S，熔接过程也应当中断。
      ⑵ 输出电源
      电熔焊机的输出电源电压超过设定值的±2%，且持续时间超出额定熔接时间的5%，最长3S时，应当中断熔接过程。
      电熔焊机通过输出电缆在整个熔接过程中，应始终监测电路通断性，当输出回路有中断(开路)产生，电熔焊机应在1S之内关断，并显示错误信息。
      ⑶ 管件阻值检测
      为了保证操作者的安全，电熔焊机应具有管件阻值检测功能，当管件电阻值大于200Ω时电熔焊机应不能启动工作。