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杏彩体育_KCG(C型)纤维增强衬塑复合管的开发

  大口径塑料管道开发中首先遇到的问题是:相对于金属而言,塑料的强度、刚性比较差,因此管道的壁厚比较...
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  大口径塑料管道开发中首先遇到的问题是:相对于金属而言,塑料的强度、刚性比较差,因此管道的壁厚比较厚。并且管道直径越大,壁厚也越厚。因此大口径塑料管道消耗材料较多,管道成本较高,一直是影响市场推广的重要因素。过去十几年来,国内多是采用塑料和金属复合增强来解决这个问题,但是经过长期的市场应用实践,发现塑料和金属复合增强管道存在复合性能不稳定、容易发生脱层或者由于塑料保护层破坏引起金属腐蚀导致管道失效的风险。因此多年来塑料和金属复合增强管道在压力给水领域始终没有取得突破。在排水管道领域,塑料和金属复合增强排水管道的不足,使得近年来全塑料缠绕成型排水管道(克拉管)发展较快,已经成为重要排水工程的首选塑料管道品种。

  大、中直径中、低压力管(0.4-1.6MPa )是个大市场,主要是输水管道,包括水利工程中的长途输水管道,市政工程中的引水、给水管道,有压排水管道,工业、矿山、海水淡化和石油天然气开采中的各种输水输浆液管道等。大部分直径在800-2000mm 范围,工作压力在0.4-1.6MPa范围。大部分埋地铺设。这个市场目前国内外塑料管道业都在努力争取,有希望成为塑料管道行业新的增长点。

  中国塑料管业高速发展二十多年,在很多领域内已经被广泛应用。然而在大、中直径中、低压力管市场上至今应用非常有限。虽然我国早已有生产直径1600mm HDPE 以及1200 mmPVC-U实壁管的能力,也有大直径HDPE和PVC-U压力管工程的业绩报道,但是我国大、中直径中、低压力管市场至今仍然是传统管道的天下,热塑性塑料管在这个市场份额还很小。

  目前国内大口径管道市场主流产品仍然是传统的球墨铸铁管、焊接钢管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)和玻璃纤维增强塑料夹砂管(RPMP)四类。热塑性塑料管道所占的市场份额还很小。主要原因是性能有差距,用材料太费,成本较高并且连接施工不方便。因此国内外都在探索开发大直径增强塑料压力管,新出现的使用连续纤维增强热塑性塑料管道CFRTP ,给塑料管业带来了新的技术突破和发展机遇。吉林荣亿工程管道有限公司所开发的即是使用连续玻纤带制造增强大口径聚乙烯管道,称为“ 聚乙烯(PE)大口径长纤维增强复合给/排水管道”。

  我国是世界上聚氯乙烯树脂生产第一大国,聚氯乙烯管道是我国塑料管道最重要的品种之一。相对于聚乙烯树脂,聚氯乙烯树脂强度和刚度都有明显优势。但是由于聚氯乙烯树脂流动性差,难以生产制造大直径实壁管,因此国内大量使用的硬聚氯乙烯PVC-U 压力管直径一般在800mm以下。目前国外生产的PVC-U管道最大直径1200mm(美国和加拿大),生产的PVC- O管道最大直径800mm (西班牙)。

  近几年美国JM Eagle公司在我国建立了“ 泉恩高科技管业”,产品有直径800-1200 mm(压力0.63-0.8MPa )的PVC-U 管,并且已经有1200mm直径的管道进入市场。但是生产制造更大口径的PVC-U压力管从设备能力、生产工艺技术等一系列问题上都很困难。

  高密度聚乙烯HDPE 管道是国内发展最快的塑料管道品种。由于聚乙烯树脂流动性较好,可以生产制造较大直径实壁管,国外报道生产的HDPE 管道最大直径达到2500mm。我国也给国外配套制造过可以生产直径2500mmHDPE管道的部分设备。国内报道生产的HDPE管道最大直径1600mm。但是由于HDPE的强度比较低,需要较大的壁厚,管道成本很高。大直径HDPE管的应用被限制,往往只能用于较低压力的领域。下表是性能最好的混配料PE100制造的管道在不同直径不同压力下要求的管道壁厚:

  可见直径800-2000mm 、压力0.4-1.6MP a的PE100 实壁管,直径越大、要求承压能力越高时,壁厚越厚,往往在50mm 以上。挤出生产壁厚在50mm以上的聚乙烯管是很困难的,除去设备的原因,原材料的‘熔垂’现象(从机头模口挤出的熔融体,受到重力影响,有向下流动的趋势,直接影响管壁厚度的分布)也是主要的技术瓶颈。近年国际上开发了“低熔垂”的混配料,才使得挤出生产壁厚在50mm 以上的厚壁管成为可能,但最厚的记录壁厚也仅在100mm左右。

  因此虽然国外报道挤出生产HDPE 管的最大直径可达到2500mm,最大壁厚有超过100mm的,但是基于成本上的考虑,大口径HDPE管实际上应用的都是压力较低(即壁厚较小)的场合,如引入和排出海水的管道。例如Borouge在中东工厂的直径1600mm 海水管道壁厚是61.5mm(SDR26)。葡萄牙一渔场用PIPELIFE 生产的直径2000mm 海水管道壁厚是76.9mm(SDR26)。耐压都在0.6MPa 以下。

  高密度聚乙烯HDPE 管道绝大部分采用熔接或用对接熔焊或用电熔管件。熔接有许多优点,比如连接可靠。但是用到大直径HDPE管上,就既不方便又不可靠了。

  用电熔管件连接必须保证管件和管材之间的间隙恰当并均匀,而且为保证熔接质量还要求管材表面刮去氧化层,这在大直径管材管件上很难做到。

  用于对接熔焊的焊接设备,当管道直径较大时,焊接机很庞大很贵,焊接时需要有严格的焊接工艺,并且管端需要在现场切削平整。因此完成大直径管的一个焊接点往往需要几个小时。对气候和环境条件也有一定的要求。最主要的还是对焊接的质量难以检测,因此工程施工单位都不太愿意用这种方法施工。

  目前市场上大中直径中低压力管的传统产品是球墨铸铁管、焊接钢管、预应力钢筒混凝土管(PCCP),玻璃纤维增强夹砂管(RPMP)。这四类管道多数采用胶圈密封承插连接,尤其是较大直径的采用更多(图示)。

  墨铸铁管可以采用胶圈密封的承插连接(滑入式柔性接口,T 型)、法兰连接、机械压紧承插连接等连接方法。应用最多是承插连接。早期中低压输水钢管也习惯采用焊接(高压输油气的钢管必须采用焊接)。

  通过国内外长期实践中积累的经验,近年越来越多采用胶圈密封的承插连接。原因是在野外现场进行焊接往往不容易保证质量,如果焊缝没有经过检验,可能在使用中焊缝爆裂。而采用胶圈密封的承插连接不仅更安全而且使铺设更方便和经济。

  近年我国水利工程和市政工程都大量采用PCCP ,一方面是因为PCCP的性能/价格比有明显优势,另外一方面是因为它采用胶圈密封的承插连接,由于其钢制的承口插口尺寸精密(配合间隙很小),所以可以保证良好的密封。

  纤维增强衬塑复合管的连接有胶圈密封的承插连接、承插粘接、法兰连接、对接(现场包糊固化)等。但大、中直径中、低压力的玻璃纤维增强夹砂管大都采用承插连接。

  大、中直径传统管道长期实践证明,如果设计合理、精心施工,胶圈密封的承插连接可以保证管道密封的长期可靠性和稳定性,同时具有方便铺设的突出优点。

  但是,聚乙烯实壁压力管是公认不能采用承插连接的(无压排水用聚乙烯管可以用)。原因在于聚乙烯容易蠕变,全聚乙烯制作的承口插口的蠕变,会使胶圈密封件失去必要的压缩。

  目前国内能够应用于大、中直径中、低压力管的热塑性塑料管道只有HDPE 实壁管。但是因为HDPE强度较低所以需要较大的壁厚,造成管材价格高。

  以下在同样直径和压力要求下,粗略比较HDPE 实壁管和四种传统管材的价格(仅供参考)。可见塑料实壁管的价格明显高于传统管材。

  注:因为管材价格的影响因素很多,又经常变化,很难准确比较。上表中四种传统管材的每米价格是根据工程专业期刊《特种结构》2011 年8月一文《玻璃钢夹砂管的性能对比及其在长距离输水工程中的应用》(作者张亚峰武汉凯迪水务公司)中提供的“管材的单位综合造价比较” :

  该文中没有HDPE 实壁管的价格,上表中2804元/m是根据塑协管道委员会CPPA 发布的“塑料管道产品行业指导价格(2014 年第2号)”给水用PE 管材:17200元/吨,和米重163kg/m计算出来的。

  总之,塑料实壁管进入大、中直径压力管市场是不太可能的。塑料实壁管应用于这个领域的机会只在很低压力下或者用作传统管材的衬管。必须开发新型的大口径塑料增强管道以适应市场的需求。

  长期以来由于国内塑料原料的价格偏高(相对钢材价格和劳务价格),因此国内很早在中低压管道领域就开发了钢增强聚乙烯管。目的主要为减少树脂消耗。降低成本。其中钢丝增强聚乙烯管(CJ/T187)应用最广,主要用于中小直径范围,采用电熔管件连接。近年来发展到最大直径可以达到1000mm ,电熔管件也做到DN630mm ,但继续制造更大的电熔管件技术上已经非常困难,并且管材和管件的公差配合也很难保证,因此这个产品很难继续向更大口径发展。国内也有企业在探索开发新型大中直径钢增强聚乙烯压力管,但至今没有见到较成熟的产品。钢增强聚乙烯管最大的问题在于钢和聚乙烯不能很好的复合,需要用粘接树脂作为中介实现粘合,但是粘结界面的强度有限,并且要受到使用环境温度的影响。因此寻找新的增强材料来开发大口径塑料管道已经提到议事日程。

  德国KRAH 公司十多年来一直在探索用缠绕熔接成型内衬层+短玻纤增强聚乙烯层的方法制造大、中直径聚乙烯压力管。已经进入市场的是其开发的玻纤增强聚乙烯(glass fibre reinforced polyethylene)管——被称为PE-GF 管。

  PE-GF 管是三层结构,内外层是PE100 ,中间层是短玻纤增强聚乙烯,采用缠绕熔接成型。内径可到4。



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