, , (泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 泰州 225300)
一種新型超高分子量聚乙烯增強管的制備
盧意,秦步祥,于雯
(泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 泰州 225300)
目前國內(nèi)外大部分使用的是PE100聚乙烯材料管道,這種管道性能優(yōu)良,但在高壓工作環(huán)境下的壁厚較厚。介紹了一種新型超高分子量聚乙烯增強管,該管道由5層材料構(gòu)成,各項指標(biāo)均優(yōu)于PE100,具備優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。對超高分子量聚乙烯增強管制備中內(nèi)管、增強層、保護層的材料選用,接頭和連接方式,以及增強管橢圓度、縱向回縮率、靜水壓強度、短時爆破強度性能檢測進(jìn)行了闡述。新型超高分子量聚乙烯管道突破了傳統(tǒng)管道壁厚大和現(xiàn)場安裝程序繁瑣的局限,保證了管道的工作強度和傳輸效率,具有較強的市場競爭力和較好的應(yīng)用前景。
管道; 超高分子; 聚乙烯; 復(fù)合材料; 制備
在石油、天然氣、煤炭、礦山、電力等工程領(lǐng)域,均需鋪設(shè)大量的不同直徑和不同承壓能力的管道。目前使用較多的主要是PE100聚乙烯管材和鋼骨架聚乙烯復(fù)合管,PE100承壓能力一般,在高壓環(huán)境下壁厚較大,會導(dǎo)致較多的材料消耗和較高的銷售價格[1]。鋼骨架聚乙烯復(fù)合管的鋼絲抗拉強度高,可以減少聚乙烯材料的消耗,但管材柔韌性不夠,接頭處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,易發(fā)生裂紋和斷裂現(xiàn)象,總體強度并不高[2]。另外,基材普通聚乙烯的抗拉強度、耐磨性和沖擊韌性較低,容易在沖擊、劃傷作用下開裂。
超高分子量聚乙烯管材的分子量可達(dá)250萬,性能非常優(yōu)良,集中了各種塑料的優(yōu)勢,具有普通聚乙烯、ABS、聚氯乙烯、聚丙烯等塑料產(chǎn)品無可比擬的耐壓性、耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性[3]。文中對由泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院和江蘇申視新材料科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的新型超高分子量聚乙烯增強管的材料選用、性能檢測等制備內(nèi)容進(jìn)行簡要介紹。
新型超高分子量聚乙烯增強管由3個主體層和2個連接層組成,見圖1。3個主體層分別是由超高分子量聚乙烯制成的內(nèi)管[4]、由高強度鋼絲制成的增強層以及由江蘇申視新材料科技有限公司自制的改性高密度聚乙烯制成的保護層。2個連接層均為高黏性、高強度的熱熔膠,熱熔膠將3個主體層緊密黏合在一起,發(fā)揮出了3種材料各自的性能特點。增強管企業(yè)內(nèi)部規(guī)格型號為DN125PN10,其外觀呈黑色,長1 150 mm、壁厚13.5 mm、外徑125 mm,公稱壓力10 MPa。
圖1 超高分子量聚乙烯增強管結(jié)構(gòu)
該種超高分子量聚乙烯增強管采用了先進(jìn)復(fù)合技術(shù),形成了完整的承力結(jié)構(gòu),具有高承壓、抗結(jié)垢、低摩阻和耐低溫等特點[5],是一種高性能、低損耗、壽命長的新型綠色管材,在油氣田集輸油管線、煤礦煤粉漿的高效安全輸送等方面得到了廣泛應(yīng)用,具有獨特的優(yōu)勢。
增強管的內(nèi)管為介質(zhì)的傳輸層,材料選用非常重要。幾種聚乙烯材料的性能見表1,可以看出,超高分子量聚乙烯UHMWPE的拉伸屈服強度、斷后伸長率和其他的聚乙烯相差不大,但缺口沖擊韌性、砂漿磨耗性能非常優(yōu)秀[6]。UHMWPE的沖擊韌性在常溫下具有很高的水準(zhǔn),在-70 ℃時仍能保持很高的沖擊吸收功,其摩擦性能可以和聚四氟乙烯相媲美[7]。UHMWPE化學(xué)穩(wěn)定性好,能耐各種腐蝕性介質(zhì)(酸、堿、鹽)及有機溶劑的侵蝕[8],見表2。
表1 幾種聚乙烯材料性能比較
表2 超高分子量聚乙烯耐化學(xué)腐蝕性能
復(fù)合管增強材料主要有鋼絲網(wǎng)、鋼板孔網(wǎng)等金屬材料以及玻璃纖維、超高纖維、碳纖維、芳綸纖維等非金屬材料這兩類[9]。芳綸纖維、超高纖維、碳纖維是世界上公認(rèn)的三大超強纖維,但其價格太高,會使復(fù)合管成本大幅上升。玻璃纖維價格低,但受自身脆性限制,抗沖擊性能無法適應(yīng)野外復(fù)雜地形和惡劣環(huán)境。同時,由于纖維體積強度低,對于工作壓力較高的管道,會因增強層過厚而影響管道通徑。
鋼骨架增強在普通高密度聚乙烯復(fù)合管道中的應(yīng)用已比較成熟,但現(xiàn)有產(chǎn)品主要用于埋地低壓輸水管道,難以適應(yīng)3.5 MPa以上工作壓力和高硫、高黏原油及固/液混合物料的輸送要求。經(jīng)過綜合分析和力學(xué)計算,采用1 870~2 600 MPa高強度鋼絲繩作為增強層材料。為解決鋼絲繩腐蝕問題,對鋼絲繩表面進(jìn)行了鍍鋅處理。為解決鋼絲繩與粘接材料的親和性問題,提高底層鋼絲繩與超高分子量聚乙烯內(nèi)管的黏合效果,在纏繞前對已進(jìn)行鍍鋅處理的鋼絲繩表面預(yù)先涂覆聚烯烴專用粘接樹脂。
普通的聚乙烯鋼骨架增強復(fù)合管保護層大多以普通高密度聚乙烯為材料,這種管道大多作為埋地、低壓、輸水管使用[10]。超高分子量聚乙烯增強管主要用作油氣田輸油管,礦山、煤礦、熱電、化工、航道疏浚行業(yè)的礦漿、泥漿、煤灰等物料管,除了要滿足管線工作壓力等主要技術(shù)參數(shù)外,更要適合野外鋪設(shè),并滿足特殊環(huán)境使用要求。普通高密度聚乙烯耐候性和耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能差,通常在室外使用時間不長就發(fā)生龜裂。筆者采用不含雙鍵的熱塑性彈性體、納米材料、抗靜電劑、抗紫外等助劑對高密度聚乙烯進(jìn)行改性,可使保護層具有優(yōu)良的耐環(huán)境應(yīng)力開裂、防紫外線、抗靜電、耐寒等特點,滿足增強管的使用要求。
超高分子量聚乙烯增強管的接頭、連接方式是整個管路系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。針對增強管的特性及使用工況、環(huán)境,對管道接頭現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行篩選,通過實際使用和測試,確定了溝槽式管接頭連接方式,見圖2。
圖2 溝槽式管接頭結(jié)構(gòu)示圖
溝槽式管接頭施工安裝非常簡便。安裝前,先將一只相配備的O形橡膠密封圈嵌入其中一根管道端口凹槽內(nèi),再將另一根管道移來,二者端口相對。再把溝槽式卡箍卡在兩管中的溝槽上,擰緊螺栓即可。受卡箍內(nèi)部空間的限制,密封圈被擠壓,從而起到增強密封的作用。
溝槽管件的連接操作也非常簡單[11],根據(jù)現(xiàn)有的安裝經(jīng)驗,熟練工連接1處管接頭僅需6 min,極大降低了現(xiàn)場安裝的技術(shù)難度,也使工程質(zhì)量更加穩(wěn)定。
根據(jù)SY/T 6662.2—2012《石油天然氣工業(yè)用非金屬復(fù)合管 第2部分:柔性復(fù)合高壓輸送管》[12]中的規(guī)定,在室溫下對DN125PN10型管道樣品TZ5TYD-1進(jìn)行橢圓度檢測,樣品外觀光滑、平整,橢圓度為0.33%,滿足SY/T 6662.2—2012中管道橢圓度低于5%的要求。
根據(jù)SY/T 6662.2—2012中的相關(guān)規(guī)定,在110 ℃條件下進(jìn)行DN125PN10型管道樣品縱向回縮率檢測,試驗時間為2 h,測得樣品TZ5TYD-2、TZ5TYD-3、TZ5TYD-4的縱向回縮率分別為1.01%、0.91%、1.20%,平均值為1.04%,均滿足SY/T 6662.2—2012中管道縱向回縮率小于3%的要求。
根據(jù)SY/T 6662.2—2012的規(guī)定,在室溫下進(jìn)行DN125PN10型管道受壓開裂穩(wěn)定性檢測,樣品TZ5TYD-5、TZ5TYD-6、TZ5TYD-7的檢測結(jié)果均為壓縮至管道直徑1/2時目測表面無裂紋,滿足SY/T 6662.2—2012中的相關(guān)要求。
根據(jù)SY/T 6662.2—2012的規(guī)定,在20 ℃室溫下進(jìn)行DN125PN10型管道靜水壓強度檢測,試驗時間1 h,所施加靜水壓強度為公稱壓力的2倍,即20 MPa,試驗結(jié)束后樣品TZ5TYD-8、TZ5TYD-9、TZ5TYD-10均無破裂、無滲透,3個樣品均滿足SY/T 6662.2—2012中的相關(guān)要求。
根據(jù)SY/T 6662.1—2012《石油天然氣工業(yè)用非金屬復(fù)合管 第1部分:鋼骨架增強聚乙烯復(fù)合管》[13]中的相關(guān)規(guī)定,在XGNB-10/6W型耐壓試驗系統(tǒng)上進(jìn)行DN125PN10型管道的短時爆破強度檢測,室溫下一直加壓直到管道爆破,測得樣品TZ5TYD-11、TZ5TYD-12、TZ5TYD-13的短時爆破強度分別為33.0 MPa、33.2 MPa、34.1 MPa,滿足SY/T 6662.1—2012中爆破強度不得小于公稱壓力的3倍,即30 MPa的要求。
超高分子量聚乙烯是一種特殊的聚乙烯樹脂,在裝配式輸油管的使用中綜合性能優(yōu)異,在漿體、液體及氣體的耐磨和耐腐蝕方面有其他管材無可比擬的優(yōu)勢,受到業(yè)內(nèi)的青睞[14]。文中所述的新型超高分子量聚乙烯管道突破了傳統(tǒng)管道壁厚取值大和現(xiàn)場安裝程序繁瑣的局限,保證了管道的工作強度和傳輸效率,部分油田中已安裝使用此類管道,實際使用初步效果比較滿意。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,各行業(yè)對超高分子量聚乙烯增強管的需求將會不斷增加,應(yīng)用前景廣闊。
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PreparationofaNewUltra-highMolecularWeightPolyethyleneReinforcedPipe
LUYi,QINBu-xiang,YUWen
(Taizhou Polytechnic College, Taizhou 225300, China)
A new ultra-high molecular weight polyethylene reinforced pipe expected to replace PE100 polyethylene pipe under high pressure working conditions is introduced. Compared with the PE100 which is mostly used in international and domestic market in current, the new reinforced pipe is prepared with excellent mechanical performance and corrosion resistance performance as well as than that of PE100. The pipe is made up of five layers with technical indexes better than that of PE100. The material selection of inner tube, reinforce layer, protective layer, the pattern selection of joint and its connection and , are elaborated the pipe performance testing items including ellipticity, longitudinal retraction rate, hydrostatic strengthen and short-time blasting strength are elaborated. Two limits of traditional pipe in a large wall thickness and complicated on-site installation have been broken through, and working strength and transmission efficiency were ensured. Therefore, the new ultra-high molecular weight polyethylene reinforced pipe possesses strong market competitiveness and better application prospects.
pipeline; ultra-high molecular; polyethylene; compound material; preparation
1000-7466(2017)06-0014-04
2017-05-30
泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點科研項目(TZYKY-15-6)
盧 意(1985-),男,江蘇泰州人,講師,碩士,從事機電材料類專業(yè)的教學(xué)和科研工作。
TQ055.8; TE832
B
10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.003
(張編)