一、發(fā)展大直徑聚乙烯壓力管的意義

聚乙烯材料由碳(C)和氫(H)元素組成，無毒無害且可回收再利用，屬于環(huán)保型材料，聚乙烯管道具有優(yōu)良的抗內(nèi)壓能力，良好的抗蠕變性、耐腐蝕性和抗老化性，使用壽命長(超過50年)，剛性、強度、韌性俱佳，水流阻力小，質(zhì)量輕，運輸方便，施工快捷、簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于給水、排水、石油化工、礦山、農(nóng)田灌溉、排污、垃圾填埋等領(lǐng)域。

聚乙烯管道分為壓力管與無壓管，無壓管無工作壓力要求，一般用于排水。聚乙烯壓力管有承壓要求，可用于有壓力要求的場合，例如引水、供水、壓力排水以及化工生產(chǎn)領(lǐng)域，工作壓力要求0.32-2.0MPa之間甚至更高。但由于聚乙烯材料本身強度較低，大口徑聚乙烯實壁管道壁厚要求較厚，致使管材生產(chǎn)成本較高，而且擠出設(shè)備的投資很大，在工藝上擠出成型的難度也大，因此大口徑聚乙烯實壁管道的應(yīng)用范圍受到影響，目前**上**直徑達到2600mm，也由我公司于2015年研發(fā)成功。

由于聚乙烯材料的強度有限，大直徑聚乙烯實壁管需要很厚的管壁。部分要求的管壁厚度已經(jīng)超過制造工藝的可能范圍。所以目前較大直徑塑料壓力管的耐壓能力都不高。為了提高聚乙烯壓力管道的承壓能力和降低成本，需要采用復(fù)合管道成型技術(shù)。以聚乙烯和其他不同材料復(fù)合成型生產(chǎn)管道，通過增加增強層以提升管材承壓能力，并通過一定方式提高管材的環(huán)剛度。復(fù)合增強材料可以選擇非金屬或者金屬兩種，通過反復(fù)的試驗，選擇長玻纖材料作為增強層，這樣充分發(fā)揮了兩種材料各自的優(yōu)勢，也克服了金屬材料與聚乙烯易脫層的缺點。

二、大口徑纖維增強聚乙烯(PE)復(fù)合管成型技術(shù)

與纏繞成型排水管道不同的是：大口徑纏繞排水管道成型是一個口模擠出熔融單層板帶作為底板，另一個口模擠出熔融管坯料，然后板帶作為內(nèi)層而管坯作為增剛層依次纏繞在鋼芯模具上，冷卻脫模；聚乙烯(PE)大口徑長纖維增強復(fù)合管是兩個口模均擠出熔融板帶，然后以不同的速度先后纏繞在鋼芯模具表面上，并且后板帶壓在前板帶的縫隙上，確保內(nèi)層的完整性和密封性。然后纏繞增強層達到設(shè)計的厚度，**纏繞外保護層和必要的增剛層，**完成增強聚乙烯壓力管道的制造。

管材經(jīng)檢測，性能達到標準的要求(見表1)。新工藝生產(chǎn)的聚乙烯(PE)大口徑長纖維增強復(fù)合管道，成本低，耐壓較高，直徑更大(制造管道直徑達到DN3000mm，工作壓力達到1.6MPa)。

表1 ?聚乙烯(PE)大口徑長纖維增強復(fù)合管道(1.0MPa)檢測數(shù)據(jù)

纏繞成型技術(shù)已經(jīng)有多年發(fā)展歷史，可分為熔接成型與焊接成型。焊接成型的如“中空壁纏繞管”，存在焊縫焊接的不可靠性和內(nèi)應(yīng)力問題。熔接成型的優(yōu)點是熔接雙方都處于相同的物理條件下，有利于層間充分的一體化，**限度減小成型過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。熔接型纏繞成型工藝制作的聚乙烯纏繞結(jié)構(gòu)壁排水管已應(yīng)用多年，其優(yōu)良的品質(zhì)深受用戶滿意。通過對纏繞成型工藝長期研究與探索，我們積累了大量的工藝數(shù)據(jù)，總結(jié)出可行、可靠的連續(xù)纖維帶復(fù)合纏繞工藝方案。其重點表現(xiàn)在熔接溫度和時間準確把握、以保持纖維材料在熱熔成型后物理性能不變。

由于非金屬材料與聚乙烯料具有更好的親合性，并且可以避免使用熱熔膠，所以采用非金屬的復(fù)合材料作為纏繞增強層更有利于管材的加工成型。非金屬復(fù)合增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維等幾種。玻璃纖維具有成本低、強度高、有明顯增剛作用等優(yōu)點，更加適合生產(chǎn)大口徑管材。

纏繞材料中所使用的聚乙烯為常規(guī)高密度聚乙烯，增強纖維對提高管道的抗內(nèi)壓能力提供的絕大部分的支持。玻璃纖維與聚乙烯的復(fù)合帶密度值較小，技術(shù)經(jīng)濟指標優(yōu)異，適合不同壓力等級管道的制造。

纏繞成型工藝條件的控制和穩(wěn)定對生產(chǎn)高品質(zhì)管道是至關(guān)重要的，并且規(guī)定每根管材在下線后都要進行規(guī)定的耐壓試驗，盡管這樣將增加不少專用裝備，但是我們認為，這是對于保證管道質(zhì)量是必不可少的。

三、大口徑纖維增強聚乙烯(PE)復(fù)合管道連接方式

近年來復(fù)合管道技術(shù)取得了很大的進步，但復(fù)合管道**的技術(shù)難點是管道連接。業(yè)內(nèi)的技術(shù)人員提供了很多的解決方案，但是經(jīng)過長期的應(yīng)用實踐，有些方式存在成本高、長期可靠性不確定、施工質(zhì)量不易控等難點。究其原因，主要是管道的塑料層可以熔焊連接，并且塑料的熔接很可靠，但增強材料在相同的條件下無法熔接，在連接段容易出現(xiàn)增強材料失效，從而致使整個管線失效。電熔套筒的出現(xiàn)，解決了直徑較小管材(DN300以下)的連接問題，但直徑超過DN300mm領(lǐng)域管材的軸向負荷很大，負荷由套筒傳遞。而大口徑纏繞管道采用是大角度纏繞，增強主要體現(xiàn)在徑向，軸向的增強很有限。所以大口徑纏繞管道并不適合電熔套筒連接。通過實驗，大口徑纖維增強聚乙烯(PE)復(fù)合管道也可以像聚乙烯纏繞排水管一樣采用承插式電熱熔連接，但是在連接過程中務(wù)必要控制溫度，避免溫度過高時造成增強層失效。

綜合各種大口徑管道(PCCP、玻璃鋼夾砂管)的連接技術(shù)，采用承插橡膠圈密封連接是長纖維增強復(fù)合管道的連接的另一種解決方案。由于復(fù)合材料的加入，不僅提高管道的抗內(nèi)壓能力，同時也提高了管道的環(huán)剛度，能夠確保承插橡膠圈密封連接要求，另外管端具有較好的剛度或圓度，能保證承插橡膠圈密封連接的密封。大口徑纖維增強聚乙烯(PE)復(fù)合管的承口段加厚復(fù)合材料是管體復(fù)合層厚度的5-7倍，具有足夠的環(huán)剛度等級，使承插橡膠圈密封(雙或單膠圈)得以實現(xiàn)（如圖1-圖3）。

圖1 聚乙烯（PE）大口徑長纖維增強復(fù)合管連接圖

圖2 大口徑纖維增強聚乙烯（PE）復(fù)合管樣品

圖3 聚乙烯（PE）大口徑長纖維增強復(fù)合管結(jié)構(gòu)圖

四、大口徑纖維增強聚乙烯(PE)復(fù)合管道技術(shù)參數(shù)

大口徑纖維增強聚乙烯(PE)復(fù)合管道與同等承壓條件下PE實壁管管材壁厚比較(見下表2)。

表2 ?與同等承壓條件的PE管材壁厚比較(SDR17) ?(單位：mm)

五、結(jié)論

DN1000的大口徑纖維增強聚乙烯(PE)復(fù)合管道成功通過埋地測試，水循環(huán)壓力1.0MPa，管材無破裂，連接處無滲漏。說明了口徑長纖維增強復(fù)合管道從原料的選定、管道設(shè)計、生產(chǎn)加工都是成功的。

在檢驗、設(shè)計、運輸、安裝和運行無誤的情況下，經(jīng)實踐檢測表明大口徑長纖維增強復(fù)合管道在整個使用過程中無需維護，真正實現(xiàn)了低成本。具有耐壓高等優(yōu)勢。

在輸水領(lǐng)域，雖然大口徑纖維增強聚乙烯（PE）復(fù)合管道不會完全取代PCCP、玻璃鋼夾砂管，但仍然有很大的推廣應(yīng)用空間。

大口徑纖維增強聚乙烯（PE）復(fù)合管道是一種新型塑料管道，具有出色的技術(shù)性能和性價比。經(jīng)過多年的努力目前已經(jīng)基本成熟，正在通過生產(chǎn)制造和工程實踐，逐步日趨完善，并引起業(yè)內(nèi)同行的關(guān)注，希望這個產(chǎn)品從開始就堅決杜絕“粗制濫造”，走上健康發(fā)展的道路，為我國塑料管道的發(fā)展做出貢獻。

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