保温管道预制成型工艺技术的发展和应用

2019-05-30

由于高密度聚乙烯具有良好的防水、防腐性能和优异的机械性能,聚氨酯泡沫塑料具有优异的保温性能和良好的防水及机械性能,所以用高密度聚乙烯材料做外保护层、用聚氨酯泡沫塑料做保温层构成的防腐保温管道得到了广泛的应用,尤其是对于直埋地下的中低温热力

    由于高密度聚乙烯具有良好的防水、防腐性能和优异的机械性能,聚氨酯泡沫塑料具有优异的保温性能和良好的防水及机械性能,所以用高密度聚乙烯材料做外保护层、用聚氨酯泡沫塑料做保温层构成的防腐保温管道得到了广泛的应用,尤其是对于直埋地下的中低温热力管道几乎成了主体保温结构型式。因此,它的发展备受人们的关注。
    高密度聚乙烯属热塑性材料,需用专用设备把原材料加热熔融后,方可挤出包覆到保温层的外表面,或挤出制成保温外套管套到工作钢管外面,再在两者形成的环形空间浇注聚氨酯泡沫塑料,才能得到所需要的防腐保温管道。
    聚氨酯泡沫塑料是由有机异氰酸酯、多元醇化合物、发泡剂和其他助剂组成,经机械混合或高压分子碰撞、反应生成发泡体,并在较短时间内常温固化成型。
    这两种材料的特性,给管道防腐保温层的制作带来难度,不仅在现场制作几乎不可能,就是工厂预制也有许多技术难题有待解决。
    防腐保温层的工厂预制,既可以大大减少现场安装工作量,加速工程进度,又有利于保证工程质量,降低工程造价,因此,高密度聚乙烯外护、聚氨酯泡沫塑料保温管道的预制工艺技术的研究,受到广泛重视,并得到了很大发展。
    本文重点评价几种应用比较广泛的工艺技术,并讨论其适应范围,针对不同预制工艺技术对防腐保温管道性能和质量的影响,提出了按不同工程对象选择适宜防腐保温预制工艺技术的建议。
1  高密度聚乙烯外护、聚氨酯泡沫塑料防腐保温管道预制工艺技术的发展
    高密度聚乙烯外护、聚氨酯泡沫塑料防腐保温管道预制成型工艺经历了以下几个发展阶段:
1.1  “两步法”预制成型工艺
    最早出现的是“两步法”预制成型工艺,其第一步是用专用模具在工作钢管的外围浇注聚氨酯泡沫塑料保温层,也有采用喷涂发泡的方法,即在工作钢管的外壁涂敷聚氨酯泡沫塑料保温层。第二步是热熔挤出高密度聚乙烯包覆到聚氨酯泡沫塑料保温层的外壁上形成外护层,有时也采用冷缠聚乙烯胶带,将其做为保温管外护层。后者的应用效果与聚乙烯胶带的质量有关,在地下水位较高的地区应用较少。
    这种工艺技术不能连续生产,生产效率较低,目前虽尚有应用,但应用面比较窄。
1.2  “管中管”预制成型工艺
    这实际上也是“两步法”预制工艺,但由于其特殊的工艺,即把外护层先做成外护聚乙烯管材,再在其与工作管环形空间浇注泡沫塑料保温层,这种工艺最早在上世纪60年代的欧洲问世,被称之为pipe in pipe工艺,我国译名为“管中管”工艺,有了专称,所以虽仍为“两步法”,但不称之为“两步法”成型工艺。这种工艺技术在我国最早是石油行业从国外引进应用,后来城镇供热行业应用更为广泛。
    “管中管”的工艺特点是根据工作钢管直径和要求的保温层厚度确定聚乙烯外护管的内径,将此塑料管套到工作钢管外,在两者环空浇注泡沫塑料,形成完整的保温层和外护层,既免去了传统“两步法”所需用的注泡模具,又加快了预制工艺速度,降低了预制工艺成本,所以一出现就受到了普遍欢迎,迄今仍得到广泛应用。
1.3  “一步法”预制成型工艺
    “一步法”亦称一次成型工艺,它是在专用生产线上,在工作钢管外面挤出高密度聚乙烯套管,并在其环形空间,通过特殊设备在同一工位上完成聚氨酯泡沫保温层的浇注、发泡、固化成型,这样聚乙烯外护层和聚氨酯保温层的制作可一次完成,既实现了管道防腐、保温预制的连续生产,提高了生产效率,又有利于节约原材料和控制产品质量。这一工艺技术是上世纪80年代初我国石油行业为适应油田开发对集输管道防腐保温大规模生产需求而研制成功的,属于首创。由于它有许多优点,特别是能适应大规模生产的需要,所以研制成功后,迅速得到了发展和广泛的应用,据统计,仅我国石油系统就建造了20多条“一步法”预制作业线,年生产防腐保温管道能力达几千千米。
2  存在的主要问题及需要研究的课题
    目前,在管道防腐保温工程施工中,实际上应用最多的只有“一步法”和“管中管”法,且近年来研究发展较快的也主要是这两种工艺技术,下面仅就这两种工艺在工程应用中遇到的主要问题做一些分析,并对需要重点研究解决的技术课题谈一些看法,与同行商讨。
2.1  “一步法”预制成型工艺
2.1.1存在的问题
    在早期,  “一步法”预制成型工艺受到设备和工艺条件的限制,生产的防腐、保温管道存在一些问题,主要表现为:
    (1)保温层偏心,虽采取了纠偏措施,但对口径较大的管道,仍不理想。
    (2)泡沫塑料保温层性能不够理想,如受气体混合工艺的限制,泡沫闭孔率偏低,吸水率偏高等,又如受外护套强度的限制,泡沫塑料密度偏低等。
    (3)外护管壁厚薄,受聚乙烯挤出机挤出量和生产线行进速度的影响,聚乙烯外护管的壁厚较薄,一般在2mm左右,这对口径较大的保温管道来说,其外保护层显得刚度不足,受外力作用时,容易造成保温层塌陷。
    (4)泡沫保温层与聚乙烯外护层脱壳,这是由于聚氨酯泡沫塑料固化时收缩和聚乙烯冷却后收缩两方面原因造成的,脱壳带来的问题一是容易造成顺脱壳缝隙渗水,二是不利于约束工作钢管的热膨胀。
2.1.2待研究的课题
    随着“一步法”工艺研究的深入,近几年“一步法”有了新的发展.可以说是进入了第二代,由于“内定径”成型工艺技术和在线对聚乙烯塑料套管内表面进行电晕处理技术的研究成功,以及纠偏技术的发展,较好地解决了老“一步法”存在的问题,如偏心问题、外护管厚度问题、扩大应用口径问题和脱壳问题,取得了更加理想的应用效果。但是,要扩大“一步法”预制成型工艺的应用领域,例如应用到城镇供热管道,以及要适应“粘接式”和无补偿直埋的技术要求,还有一些问题需要研究解决。
    (1)用高压发泡工艺替代气体混合发泡工艺,提高聚氨酯泡沫塑料保温层的密度、强度和闭孔率。高压发泡是在高压状态下使A、B两种组分的物料产生分子碰撞,既不引进空气,又得到充分的混合,所以泡沫塑料发泡倍数高,闭孔率高,这是传统“一步法”用压缩空气混合工艺无法比拟的,高压发泡的泡沫保温层可实现密度≥60kg/m3、闭孔率≥88%的要求,并能适应将工作管、保温层和聚乙烯外护层粘为一体的要求。
    (2)采用大挤出量的聚乙烯挤出机,摸索加厚聚乙烯外护管壁厚的可能性。按照《埋地钢质管道硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层技术标准》(SY/T0415-96)的要求,聚乙烯外护层壁厚≥1.2mm即为合格,但按《高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管>  (CJ/T114/2000)的要求,应按聚乙烯管的不同外径确定最小壁厚,聚乙烯管外径在200~710mm范围内,最小壁厚要求为3.2~11.1mm,远大于前一标准的要求,要适应城镇供热管道的要求,加厚聚乙烯外护管的壁厚是一项关键指标。
2.2  “管中管”预制成型工艺
2.2.1存在的问题
    “管中管”防腐保温预制成型工艺在我国石油行业引进最早,但应用效果不十分理想,所以应用数量很少,究其原因,一是材料问题,聚乙烯原料不过关,造成管材开裂;补口材料不理想,造成补口失效,保温管道渗水,以致工作管遭腐蚀损坏。二是工艺技术问题,注泡机械及技术不过关,出现注泡不满、不均和脱壳开裂等现象。
2.2.2待研究的课题
    经过多年努力,聚乙烯材料的改性研究取得了成效,管道专用高’密度聚乙烯的出现,为“管中管”工艺提供了比较理想的材料,高压发泡机的出现,为大口径管道的浇注发泡提供了条件。使“管中管”工艺技术上了新水平。
    但是,由于供热管道口径越来越大,目前已不乏DN1200的实例,这样,要用中小挤出机挤大口径塑料管,用中型高压发泡机做大浇注量的保温层发泡,质量难以保证,因此,亟待研究开发适用于大口径管道“管中管”工艺的聚乙烯挤出机和聚氨酯泡沫塑料高压发泡机。
3  预制工艺的选择
    “一步法”工艺和“管中管”工艺各有其特点和适用范围,不能笼统地说一种工艺比另一种工艺好,或者说要用这种工艺替代那种工艺,而是要按照工程项目的要求和预制成型工艺的特点加以选择。
    从目前来看,应用聚乙烯外护、聚氨酯泡沫塑料保温管道量最大的有两个行业,一个是石油行业,用于集输油管道,习惯称之为埋地防腐保温管道;另一个是城镇供热行业,用于输送热水管道,习惯称之为直埋保温管道。两个行业应用的保温管道热力工艺参数和敷设方式不尽相同,因此,依据的标准和采用的预制成型工艺也可以不同。
    石油行业的输油管道油温一般低于80℃,多敷设在野外,埋深较浅,地面荷载一般不大,常常具备有Ⅱ、L型等自然补偿的条件,所以大多依照石油行业标准(SY/T0415-96)采用“一步法”保温预制成型工艺,其综合成本比“管中管”工艺低15%~20%,显然是合理的。
    城镇供热行业的输水管道,水温一般低于100℃,高温水可达130℃,多敷设于城镇区域,埋设有时很深,地面荷载有时很大,且限于路由条件,很难实现自然补偿,而不得不实行无补偿直埋。此时,人们按CJ/T114-2000要求采用“管中管”成型工艺也是合理的。
    由于“一步法”生产效率高,综合成本低,从综合效益考虑,城镇供热的低温水(≤90℃)、中小管径(DN≤600mm)采用“一步法”预制保温也是可取的。
    特别值得提出的是两种预制成型工艺技术指标的统一问题。
    上述两个行业标准对原材料和成品管的考核指标有些不同,参见表1。
表1两个行业标准对原材料和成品管的考核指标
    表1两个行业标准对原材料和成品管的考核指标
    为实现应用效果的一致性,不管采用何种预制成型工艺,应执行相应的工程设计和产品标准。如用于城镇供热的保温管,即使采用“一步法”预制成型工艺,其材料和产品性能指标仍应满足《城镇直埋供热管道工程技术规程》  (CJJ/T81-98)的要求;用于石油输油管道的保温管,即使采用“管中管”成型工艺,其材料和产品性能指标,仍应满足SY/T0415-96的要求。