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KCG(C型)纤维增强衬塑复合管的开发

发布时间:2022-09-23 06:09:16 来源:爱游戏app官网
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产品介绍

  大口径塑料管道开发中首要遇到的问题是:相对于金属而言,塑料的强度、刚性比较差,因而管道的壁厚比较厚。而且管道直径越大,壁厚也越厚。因而大口径塑料管道耗费资料较多,管道本钱较高,一直是影响商场推行的重要要素。曩昔十几年来,国内多是选用塑料和金属复合增强来处理这个问题,可是经过长时刻的商场运用实践,发现塑料和金属复合增强管道存在复合功用不安稳、简单发生脱层或许由于塑料维护层损坏引起金属腐蚀导致管道失效的风险。因而多年来塑料和金属复合增强管道在压力给水范畴一直没有获得打破。在排水管道范畴,塑料和金属复合增强排水管道的缺乏,使得近年来全塑料环绕成型排水管道(克拉管)开展较快,现已成为重要排水工程的首选塑料管道种类。

  大、中直径中、低压力管(0.4-1.6MPa )是个大商场,首要是输水管道,包含水利工程中的远程输水管道,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挖掘中的各种输水输浆液管道等。大部分直径在800-2000mm 规模,工作压力在0.4-1.6MPa规模。大部分埋地铺设。这个商场现在国表里塑料管道业都在努力争取,有期望成为塑料管道职业新的增长点。

  我国塑料管业高速开展二十多年,在许多范畴内现已被广泛运用。然而在大、中直径中、低压力管商场上至今运用十分有限。尽管我国早已有出产直径1600mm HDPE 以及1200 mmPVC-U实壁管的才能,也有大直径HDPE和PVC-U压力管工程的成绩报导,可是我国大、中直径中、低压力管商场至今仍然是传统管道的全国,热塑性塑料管在这个商场份额还很小。

  现在国内大口径管道商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商场份额还很小。首要原因是功用有距离,用资料太费,本钱较高而且衔接施工不便利。因而国表里都在探究开发大直径增强塑料压力管,新呈现的运用接连纤维增强热塑性塑料管道CFRTP ,给塑料管业带来了新的技能打破和开展时机。吉林荣亿工程管道有限公司所开发的便是运用接连玻纤带制作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出产榜首大国,聚氯乙烯管道是我国塑料管道最重要的种类之一。相对于聚乙烯树脂,聚氯乙烯树脂强度和刚度都有显着优势。可是由于聚氯乙烯树脂活动性差,难以出产制作大直径实壁管,因而国内许多运用的硬聚氯乙烯PVC-U 压力管直径一般在800mm以下。现在国外出产的PVC-U管道最大直径1200mm(美国和加拿大),出产的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,而且现已有1200mm直径的管道进入商场。可是出产制作更大口径的PVC-U压力管从设备才能、出产工艺技能等一系列问题上都很困难。

  高密度聚乙烯HDPE 管道是国内开展最快的塑料管道种类。由于聚乙烯树脂活动性较好,能够出产制作较大直径实壁管,国外报导出产的HDPE 管道最大直径到达2500mm。我国也给国外配套制作过能够出产直径2500mmHDPE管道的部分设备。国内报导出产的HDPE管道最大直径1600mm。可是由于HDPE的强度比较低,需求较大的壁厚,管道本钱很高。大直径HDPE管的运用被约束,往往只能用于较低压力的范畴。下表是功用最好的混配料PE100制作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、要求承压才能越高时,壁厚越厚,往往在50mm 以上。挤出出产壁厚在50mm以上的聚乙烯管是很困难的,除掉设备的原因,原资料的‘熔垂’现象(从机头模口挤出的熔融体,遭到重力影响,有向下活动的趋势,直接影响管壁厚度的散布)也是首要的技能瓶颈。近年国际上开发了“低熔垂”的混配料,才使得挤出出产壁厚在50mm 以上的厚壁管成为或许,但最厚的记载壁厚也仅在100mm左右。

  因而尽管国外报导挤出出产HDPE 管的最大直径可到达2500mm,最大壁厚有超越100mm的,可是依据本钱上的考虑,大口径HDPE管实践上运用的都是压力较低(即壁厚较小)的场合,如引进和排出海水的管道。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 出产的直径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 管道绝大部分选用熔接或用对接熔焊或用电熔管件。熔接有许多长处,比方衔接牢靠。可是用到大直径HDPE管上,就既不便利又不牢靠了。

  用电熔管件衔接有必要确保管件和管材之间的空隙恰当并均匀,而且为确保熔接质量还要求管材外表刮去氧化层,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,焊接机很巨大很贵,焊接时需求有严厉的焊接工艺,而且管端需求在现场切削平坦。因而完结大直径管的一个焊接点往往需求几个小时。对气候和环境条件也有必定的要求。最首要的仍是对焊接的质量难以检测,因而工程施工单位都不太乐意用这种办法施工。

  现在商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)。这四类管道大都选用胶圈密封承插衔接,尤其是较大直径的选用更多(图示)。

  墨铸铁管能够选用胶圈密封的承插衔接(滑入式柔性接口,T 型)、法兰衔接、机械压紧承插衔接等衔接办法。运用最多是承插衔接。前期中低压输水钢管也习气选用焊接(高压输油气的钢管有必要选用焊接)。

  经过国表里长时刻实践中堆集的经历,近年越来越多选用胶圈密封的承插衔接。原因是在野外现场进行焊接往往不简单确保质量,假如焊缝没有经过查验,或许在运用中焊缝爆裂。而选用胶圈密封的承插衔接不只更安全而且使铺设更便利和经济。

  近年我国水利工程和市政工程都许多选用PCCP ,一方面是由于PCCP的功用/价格比有显着优势,别的一方面是由于它选用胶圈密封的承插衔接,由于其钢制的承口插口尺度精细(合作空隙很小),所以能够确保杰出的密封。

  纤维增强衬塑复合管的衔接有胶圈密封的承插衔接、承插粘接、法兰衔接、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选用承插衔接。

  大、中直径传统管道长时刻实践证明,假如规划合理、精心施工,胶圈密封的承插衔接能够确保管道密封的长时刻牢靠性和安稳性,一起具有便利铺设的杰出长处。

  可是,聚乙烯实壁压力管是公认不能选用承插衔接的(无压排水用聚乙烯管能够用)。原因在于聚乙烯简单蠕变,全聚乙烯制作的承口插口的蠕变,会使胶圈密封件失掉必要的紧缩。

  现在国内能够运用于大、中直径中、低压力管的热塑性塑料管道只需HDPE 实壁管。可是由于HDPE强度较低所以需求较大的壁厚,构成管材价格高。

  以下在相同直径和压力要求下,大略比较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显着高于传统管材。

  注:由于管材价格的影响要素许多,又常常改动,很难精确比较。上表中四种传统管材的每米价格是依据工程专业期刊《特种结构》2011 年8月一文《玻璃钢夹砂管的功用比照及其在长距离输水工程中的运用》(作者张亚峰武汉凯迪水务公司)中供给的“管材的单位归纳造价比较” :

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

  总归,塑料实壁管进入大、中直径压力管商场是不太或许的。塑料实壁管运用于这个范畴的时机只在很低压力下或许用作传统管材的衬管。有必要开发新式的大口径塑料增强管道以习惯商场的需求。

  长时刻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),因而国内很早在中低压管道范畴就开发了钢增强聚乙烯管。意图首要为削减树脂耗费。下降本钱。其间钢丝增强聚乙烯管(CJ/T187)运用最广,首要用于中小直径规模,选用电熔管件衔接。近年来开展到最大直径能够到达1000mm ,电熔管件也做到DN630mm ,但持续制作更大的电熔管件技能上现已十分困难,而且管材和管件的公役合作也很难确保,因而这个产品很难持续向更大口径开展。国内也有企业在探究开发新式大中直径钢增强聚乙烯压力管,但至今没有见到较老练的产品。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,需求用粘接树脂作为中介完结粘合,可是粘结界面的强度有限,而且要遭到运用环境温度的影响。因而寻觅新的增强资料来开发大口径塑料管道现已说到议事日程。

  德国KRAH 公司十多年来一直在探究用环绕熔接成型内衬层+短玻纤增强聚乙烯层的办法制作大、中直径聚乙烯压力管。现已进入商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,表里层是PE100 ,中间层是短玻纤增强聚乙烯,选用环绕熔接成型。内径可到4m,这种管材厚度能比一般的PE100管削减近30-40%。PE-GF管能够对接熔焊和承插电熔等。这种管材近年现已在比利时、土耳其、哥伦比亚和日本等地运用。而且现已已进入DIN和ASTM规范。(DIN SPEC 19674 ,ASTM F2720)。可见其牢靠性现已得到必定。上图是KRAH 公司为澳大利亚出产的DN4000 1MPa SN8 PE-GF管。

  KRAH 公司开发的PE-GF管,以它用于排水管道出产的环绕工艺来出产压力管道,证明了热塑性塑料压力管不必定有必要选用传统的直接挤出法,是或许选用环绕熔接的办法制作的。这就为开发大直径塑料压力管添加了一种新的工艺技能,避开高本钱高难度的直接挤出工艺。可是KRAH公司开发的PE-GF管并没有被广泛承受。依据该公司2013年陈述,至今全球出产PE-GF管的DR出产线条。原因在于用短玻纤增强聚乙烯,增强效果不高:其最高等级资料PE-GF 200 的MRS值仅有 20 MPa,规划应力为12.5 MPa(DIN SPEC 19674[1])。比PE100 的规划应力8 MPa仅高1.56倍。所以在削减资料耗费,下降本钱方面效果不是很大,与传统管材的商场竞赛才能有限。

  现在国外复合增强资料的热门是接连纤维增强热塑性塑料CFRT (Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic),高功用/ 分量比和高功用/价格比的CFRT资料正在迅速开展而且从航空轿车等范畴推行到许多工业,包含管道业。

  近年国表里都开端在积极探究选用接连纤维增强开发增强热塑性塑料压力管CFRT 。CFRT管材的资料包含多种高强度纤维(玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维…… )和多种热塑性塑料(聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、PVDF…… )。其间最常用的是玻纤增强聚乙烯,其间选用长玻纤增强聚乙烯带的工艺道路现在看在性价比上有显着的优势。在玻纤带中玻璃纤维是接连均匀平行摆放的,完美地包覆和散布在聚乙烯中。玻纤带环绕在管材内层的外壁,而且和增强管的表里聚乙烯层充沛熔接。玻纤带增强聚乙烯压力管一般是三层复合结构:

  内衬层:内衬层是PE100 的实壁层用于容纳运送的介质,能够用挤出环绕熔接成型的,也能够用直接挤出的薄壁实壁管。

  增强层:中间层是玻纤增强带环绕熔接构成的增强层,用于承受内压负载。假如要求管材一起承受环向和轴向负载,增强带选用螺旋环绕或环向+ 轴向替换环绕;假如只需求管材承受环向负载,增强带选用近环向环绕。

  外护层:最外层是PE100 的外护层,用于维护管材增强层(包含抗紫外线),用挤出熔融的聚乙烯带材环绕熔接成型。在需求完结某些功用(如成型承口插口,添加管道刚性)时能够经过多种环绕工艺来完结。

  开始实验证明选用玻纤带增强管道和选用环绕熔接办法制作大直径热塑性塑料压力管在技能和工业上是可行和牢靠的,能够明显削减壁厚,下降资料耗费。现在一些国产接连玻纤增强带的拉伸强度都在500MPa 以上(实践可到700MPa 以上),约是PE100 拉伸强度25MPa的20倍。所以实验中直径1000mm压力1MPa 的管材只需求约3毫米厚的玻纤带复合层就能够确保爆炸压力超越3MPa。而国产玻纤带的价格约在25元/公斤,仅是PE100价格12元/公斤的2倍,玻纤带比重约1.4,PE100比重约0.94,所以3毫米厚的玻纤带复合层的本钱约恰当于9毫米的PE100,而强度恰当60毫米PE100。依据实验产品的成果,用玻纤带增强的大直径聚乙烯压力管和相同直径和压力的PE100 管比,管材壁厚能够削减50%以上,本钱能够节省40%左右。

  现在国外开发CFRT 管道重点在中小直径的高压管道(如深海采油气的管道),CFRT 的中小直径管一般选用接连挤出内管和接连环绕玻纤带的方法出产,经过带式环绕机来完结增强层的制作。大中直径管一般在相似“克拉管出产线”的环绕熔接设备上分层制作。CFRT 管各层之间要彻底熔接,断面相似实壁管的方式,归于彻底结合型的增强热塑性塑料管RTP 。

  依据前文的剖析,塑料管要进入大中直径中低压力管商场,而且具有和传统管道的竞赛才能,产品有必要到达的方针是:

  --- 安全牢靠:大中直径中低压力管首要运用于输水干管,一旦呈现爆管事端就会构成严重损失和恶劣影响。要汲取PCCP的历史教训,确保50年以上运用寿命;

  --- 归纳造价能与传统管道竞赛:管材的价格要和传统管道挨近,加上较低施工和维护费用使归纳价格能和传统管道竞赛;

  “ 聚乙烯(PE)大口径长纤维增强复合给/排水管道”是全结合型增强热塑性塑料管,环向用接连玻璃纤维带环绕熔接增强。管材选用承插衔接。

  “ 聚乙烯(PE)大口径长纤维增强复合给/排水管道”由三层组成。内层是高密度聚乙烯内衬层,中间层是接连玻纤带环绕熔接的增强层,外层是高密度聚乙烯的外护层。

  管材两头别离经过环绕熔接和机械加工构成连体的承口插口。承口插口壁中埋入加厚的接连玻纤带环绕熔接的增强层添加刚度防止蠕变。

  由于选用承插衔接,内压不会构成的轴向应力。在制作转移进程中和埋设后由于不均匀下沉等构成的轴向应力由管材的聚乙烯壁承受。

  依照抗内压规划的增强聚乙烯管管壁很薄,只能运用于没有外压负载的地上铺设或管廊中。假如要求承受外压负载(如埋地铺设),可依照用户对环刚度要求在护套层外熔接聚丙烯增刚肋。

  为了确保产品安全牢靠,有必要在产品规范中对功用和检测要求作出明确规定。“ 聚乙烯(PE)大口径长纤维增强复合给/排水管道”产品规范中提出的首要要求是:

  ——静液压强度及爆炸压力;其间特别学习美国/ 加拿大硬聚氯乙烯压力管出产经历,要求每根管材都经过“逐管短时静液压实验”。

  ——体系适用性实验(承插衔接的密封性);为确保管道衔接的密封功用,体系适用性实验是有必要和必要的。

  聚乙烯在恰当的工艺条件下能够完善熔接,而且熔接的强度能够到达本体强度。要完结完善的熔接有必要有严厉的工艺要求。所以增强聚乙烯压力管熔接成型内衬层的进程有必要有严厉的工艺,精心的操作。其要求是和出产无压排水结构壁管——‘ 克拉管’不同的。内衬层的任何小缺点都或许构成管材走漏,以致爆裂。

  依据国表里环绕管道的出产实践经历,内衬层要由多层环绕熔接组成。由于沿近环向环绕熔接的内衬层熔接缝十分长,假如只用单层,不管工艺多么严厉,呈现缺点处的或许机率仍是比较大。选用多层环绕熔接,并让后一层聚乙烯带的方位错开 带宽,用后一层聚乙烯带覆盖住前一层聚乙烯带的熔接缝,就能够明显削减呈现缺点的机率。只用单层环绕熔接是风险的,不容许的。德国克拉KRAH 公司的压力管说明书中就介绍其管壁由聚乙烯带多层环绕熔接成型的,特别指出后层跨在前层接缝上。

  增强聚乙烯压力管内衬层熔接进程中对聚乙烯带的方位,温度- 压力-时刻(速度)等要求都有必要有严厉的工艺规程并有纪录,而且能够操控。为此增强聚乙烯压力管的出产设备要精细并装备检测和显现工艺参数的体系。

  玻纤带有必定宽度,为确保带宽向玻纤均匀受力,带的方位有必要平行于管材轴线。铺设好的玻纤带层从轴向截面看应相似完善的砖墙图形。不允许玻纤带在宽度方向处于斜置,曲折的方位,防止玻纤带受力不均,应力会集。

  2)玻纤带和内衬层经过适度预热,在熔接界面结合点前,界面的聚乙烯温度要到达熔点,经过结合点完结熔接后要适度冷却。

  增强管在环绕成型中是一个热成型进程,由于聚乙烯热膨胀系数大,导热系数小,弹性模量小,简单蠕变。因而在每道工序完结后,要有满足的冷却条件和时刻,让管材冷却、安稳下来,尽量消除内应力。在机械加工承口、插口前,更需充沛冷却和时效?,以确保加工后的承口插口安稳。

  --- 安全牢靠:不同于PCCP、钢管、球铁管,PE-GF管结构中只需聚乙烯和彻底被聚乙烯浸渍包覆的玻纤,没有腐蚀的风险。能够安全运用50年以上。

  --- 节能环保:能够比运用塑料实壁管节省资料一半以上。由于分量比传统管材轻许多,能够明显削减运送和铺设进程的能耗。

  --- 便利铺设:选用胶圈密封的承插衔接便利铺设,现场不需求专用设备和动力。选用承插衔接也简单被国内工程施工单位承受。

  --- 灵敏习惯:只需转换芯模,改动环绕熔接工艺就能够出产不同直径,不同压力等级,不同结构规划的CFRTP管。

  --- 本钱较低:由于用资料省,管材本钱明显低于塑料实壁管;挨近钢管,球墨铸铁管。加上能够节省运送和铺设费用,能够下降管道工程总本钱。

  PE 大口径长纤维增强复合给/排水管(CFRTP )与HDPE 实壁管、表里涂塑防腐钢管、球墨铸铁管(K9 类型)和预应力钢筒混凝土管(PCCP),在管径为1000mm、承压1.0MPa的平等条件下,功用指标比较如下:

  --- 管件配套的困难。尽管大直径管首要运用于输水干管,一般长距离直铺,需求管件不多,可是管件配套是有必要的。现在国内还没有企业在开发玻纤带增强聚乙烯管件,国内球墨铸铁管的管件很兴旺,能够借用商场上的球墨铸铁管件, 当然此刻CFRTP管道的承插口尺度要按球铁管规范。主张紧迫修正时选用机械卡压衔接的管件。

  大直径PE-GF 管难以依照上述规范经过长时刻静水压实验进行压力评级,因而怎么验证长时刻牢靠性还待研讨。用玻纤带增强后的承口、插口能否能够确保长时刻不发生影响密封性的蠕变也有待验证。

  “ 聚乙烯(PE)大口径长纤维增强复合给/排水管道”仍是一个新事物,还有失业表里同仁共同努力改善并完善,使之成为我国塑料管道新的增长点。