高密度聚乙烯外护保温管的开裂原因

2019-09-10

在寒冷地区,预制直埋式保温管在储存和施工过程中会出现聚乙烯外护层开裂现象。针对高密度聚乙烯外护保温管开裂的工程实例,从保温管材料的物理性能,外护管原料及配方,挤出温度、冷却速度、牵引速度等成型工艺,聚氨酯保温层的预制过程,保温弯管的结构特

    在寒冷地区,预制直埋式保温管在储存和施工过程中会出现聚乙烯外护层开裂现象。针对高密度聚乙烯外护保温管开裂的工程实例,从保温管材料的物理性能,外护管原料及配方,挤出温度、冷却速度、牵引速度等成型工艺,聚氨酯保温层的预制过程,保温弯管的结构特点,环境温度以及施工过程等方面,全面分析了可能导致高密度聚乙烯外护保温管开裂的原因。介绍了采用粘弹体胶带和热收缩带对现场已开裂保温管的修复补救措施,提出了选用适宜原材料、严格控制生产过程工艺参数、控制聚氨酯泡沫投料量以及加强高密度聚乙烯外护层保护等建议。
    通常情况下,预制直埋式保温管主要由3 层结构组成,由内向外依次为低碳钢管、聚氨酯泡沫保温层、聚乙烯(PE)外套管保护层。
    在某寒冷地区,管道施工穿越冻土层、低洼沼泽地区时,设计采用了预制直埋式保温管,该保温管在常温下预制,当环境温度范围在-5~-20 ℃时,在施工线路和堆放场地出现了聚乙烯外护层开裂现象。保温弯管环向焊缝和轴向外护层均出现了不同幅度的开裂,裂缝形状不规则(图1),保温直管多为外护层轴向开裂,裂缝形状较规则(图2)。两者保温层裂缝宽度介于0~30 mm 之间,贯穿整个保温层,部分外护层出现脱落。
图1 保温弯管外护层沿环向焊缝和轴向开裂
    图1 保温弯管外护层沿环向焊缝和轴向开裂

图2 保温直管外护层轴向开裂
    图2 保温直管外护层轴向开裂
    针对保温管现场开裂的实际情况,从高密度聚乙烯外护保温管材料的物理性能、预制过程、结构特点、环境因素及施工过程等方面分析其开裂原因,提出补救和预防开裂措施,旨在为以后寒冷地区聚乙烯外护保温管的设计、预制、施工以及应用提供参考。
1 材料的物理性能
    保温管的3种材料物理性能差异较大,外护层高密度聚乙烯、聚氨酯泡沫和钢管的线膨胀系数分别为300×10-6/℃、40×10-6/℃和10.6~12.2×10-6/℃,高密度聚乙烯的线膨胀系数约是钢管的25~28 倍,是聚氨酯泡沫的7.5 倍。当温度降低时,各种材料的收缩量因存在明显差异而产生较大应力,且随着温差和收缩量的增大而增大。此外,高密度聚乙烯材料的塑性随温度的降低而下降,造成材料塑性储备不足。在温度下降过程中,当材料的塑性储备无法弥补收缩量的变化时,将导致保温管开裂。
2 预制过程
2.1 外护管原料与配方
    高密度聚乙烯外护管的预制应根据使用性能和成型工艺选择原材料,并确定最佳配方。这是确保高密度聚乙烯外护管质量的前提。
    通常情况下,PE 的分子量越大(熔体流动速率越小)、分子量分布越窄、分子链长度越均匀、分子链支链越多、晶片间的系带分子数越多,外护管耐环境应力开裂的能力越强,加入炭黑、抗氧剂和填料可以提高管材的耐老化性能、降低成本。实验结果表明:随着炭黑的加入,PE 分子间的作用力减弱,管材在外力及环境介质的作用下易发生开裂;抗氧剂有助于提高管材的耐环境应力开裂性能;填料使管材在外力及溶剂作用下易发生龟裂,若使用母料填充,影响较小。CJ/T114-2000 规定:“可使用不超过15%(质量分数)的洁净回用料,但回用料必须是由制造商自己的产品生产的。”在实际生产过程中,掺加再生料或回用料不易控制,也无法进行检测,易造成产品质量的降低。
2.2 外护管成型工艺
    (1)挤出温度:PE 管材通常采用挤出成型工艺生产。在成型过程中,挤出温度与物料在该温度下的停留时间直接影响残存晶核的数量、大小以及存在与否,对成型时的结晶速度影响较大[5]。结晶速度的快慢影响结晶的完善程度,结晶越完善,生成的晶体越完整,强度越大。成型时,应根据所用树脂的熔融温度设定机筒和机头温度,且不宜过高。
    (2)冷却速度:PE 管材成型时,冷却速度对结晶状态的影响较大,不同的结晶程度对管材的力学性能影响较大。当冷却速度能够较快越过最佳结晶温度时,管材表面将形成一层结晶度较低的聚集态结构。中间和内表层则因PE 传热慢,致使在较高温度下停留时间较长,从而获得晶核数量及生长速度较为有利的结晶层。内外结构的不均匀性对管材力学性能的影响较大,挤出温度适当降低,配合适宜的冷却速度,可使PE 管材内部生成球晶细小且结晶度较高的聚集态,有利于提高PE 管材的耐环境应力开裂性能。
    (3)牵引速度:其直接影响PE 管材的壁厚、尺寸公差、性能及外观,应与挤出速度相匹配[4],不能仅通过调节牵引速度而大幅度调节管材壁厚。牵引作用对管材产生纵向拉伸,影响管材力学性能和纵向尺寸的稳定性。当冷却速度不变时,提高牵引速度,冷却定型后的残余热量会引起管材已形成取向结构强度的降低,并易在表面形成划痕。牵引速度越快,管材壁厚越小,冷却后其纵向收缩率越大,这样的管材易在轴线方向上产生裂纹;牵引速度越慢,管材壁厚越大,易造成口模与定径套之间积料,导致管材表面粗糙,破坏正常生产。
2.3 保温层
    在实际生产过程中,高密度聚乙烯外护保温管的外护管可产生一定的塑性变形,聚氨酯发泡时体积膨胀,易导致其外径增大,使其长期处于受力状态。投料量越大,聚氨酯泡沫的密度越大,外护管受到的应力越大。实验结果表明:聚氨酯泡沫在20 ℃时的抗压强度最低,随着温度的升高或降低,抗压强度逐渐升高[6]。当温度降低时,聚乙烯外护管收缩,由于受到泡沫的束缚,聚乙烯外护管无法收缩,造成应力逐渐增大,导致聚乙烯外护层和保温层开裂。
3 其他原因
3.1 保温管的结构特点
    在现场开裂的保温管中,保温弯管数量占多数,这与其结构特点有较大关系,其角度越大,开裂越严重。弯管采用冷煨工艺制作,存在较大应力。弯曲的形状使聚乙烯管的轴向拘束度增大,造成聚乙烯外护管受力复杂,在轴向和径向上均受到约束作用,较保温直管更易开裂。对于已经完成焊接且进行数百米连接的保温弯管,当温度发生变化时,两端较长的金属管段会对弯管产生更大的作用力,致使弯管向平直方向拉伸变形,对聚乙烯外护管产生更大的应力,极易造成开裂。
3.2 环境因素
    环境因素的影响主要指温度影响。外护管材料为黑色高密度聚乙烯,具有较强的吸热能力。进行保温管施工时,日照对外护管表面温度的影响较大,在某些地方外护管向阳侧与背阳侧的温差高达50~60 ℃,夜间时温度均降至环境温度。外护管各位置温差变化存在差异且交替进行,每天为一个周期,相当于冻融循环。长期的冻融循环势必导致聚乙烯外护管发生疲劳断裂。
3.3 施工过程
    聚乙烯在低温环境中的塑性较低、脆性较大。用于穿越冻土层、低洼和沼泽地区的保温管需在冬季施工,开挖难度较大,且在保温管运输和存放过程中,外护管极易受到划伤和磕碰。当现场已经铺设部分管段时,若采用炸药进行爆破开挖,则应对沟上保温管进行遮挡保护,以避免被飞溅的土块砸坏。当温度较低时,未下沟的保温管因长时间与支撑墩接触而致使外护层与支撑墩紧密冻结在一起,下沟吊装时产生拉力,破坏外护层。此外,处于收缩极限且尚未开裂的保温管在外力的激发下也易发生开裂。
4 补救与预防措施
    对于现场已经开裂的保温管,可以采取以下补救措施:对于尚未焊接的开裂保温管,返厂重新预制;对于现场已完成焊接的开裂保温管,首先采用捆扎带复原并利用钢带箍紧,然后采用粘弹体胶带密封裂缝,最后利用热收缩带整体缠绕进行修复;对于已修复的保温管,应尽快下沟回填,减少环境温度对修复材料的影响,避免再次开裂。
    针对影响高密度聚乙烯外护保温管开裂的原因,提出以下建议:
    (1)根据使用性能要求选择原材料,宜选择分子量大、分布窄,分子链长短适宜、支化度高和长支链含量相对较高的原料,严格控制使用再生料或回用料,确保外护管的质量。
    (2)严格控制高密度聚乙烯外护管生产过程工艺参数。挤出温度不宜过高,通过适用性实验确定冷却水温与该温度下牵引速度的最佳成型适宜值,确保牵引速度与挤出速度相协调。
    (3)控制聚氨酯泡沫投料量,采取适当的措施(如捆扎带捆绑)减少发泡过程对外护管外径增大率的影响,增加外护管的收缩余量。
    (4)保温弯管预制结束后,先将中间焊缝打开,释放应力,下沟后再进行焊接;弯管现场补口时,尽量采取沟下补口,减少两端管段对弯管的影响。
    (5)在施工过程中,加强高密度聚乙烯外护层的保护,避免磕碰、划伤和撞击。
    (6)已完成补口的保温管应及时下沟回填,未下沟的保温管应采取必要的遮阳保温措施,减少环境因素对保温管外护层的影响。