大口徑HDPE管材擠出生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用

范光華

摘 要：聚烯烴塑料管材主要包括聚乙烯和聚丙烯等，聚乙烯管材包括給水排水實(shí)壁管、單壁雙壁波紋管、鋼帶增強(qiáng)波紋管、燃?xì)夤?、礦粉砂石淤泥輸送管、農(nóng)業(yè)灌溉滴灌管及其他復(fù)合改性交聯(lián)管。聚丙烯管材包括冷熱給水管和工礦企業(yè)輸送管。隨著國(guó)家建設(shè)的不斷加大和深入，聚烯烴塑料管材產(chǎn)量和質(zhì)量都有了飛速的發(fā)展和提高，應(yīng)用領(lǐng)域涉及到城鄉(xiāng)供排水、農(nóng)業(yè)灌溉、可燃性氣體、礦山企業(yè)、舊網(wǎng)改造維修等各個(gè)方面。聚烯烴塑料管材新技術(shù)不斷得到創(chuàng)新發(fā)展。

關(guān)鍵詞：大口徑HDPE管材；擠出生產(chǎn)技術(shù)；應(yīng)用

前言

HDPE 管道具有耐腐蝕、水力摩阻低、強(qiáng)度高、韌性好、施工快捷、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，在市政供排水工程中被大量應(yīng)用。目前工程中采用的 HDPE 管道口徑一般較小，在已實(shí)施的輸水、氣管道工程中以 600mm 及以下者為常用。在導(dǎo)致高密度聚乙烯（HDPE）管材使用壽命終止的原因中，代表管件破損的環(huán)形裂紋在所有破壞模式中高達(dá)50%，可以說影響管道系統(tǒng)整體安全性的最大因素是其最薄弱環(huán)節(jié)—管件，高品質(zhì)的管件將有助于提高管道的整體安全性。

1聚烯烴塑料管材的擠出技術(shù)

閃立新從原料、設(shè)備、生產(chǎn)工藝等方面比較系統(tǒng)地論述了聚乙烯管材的擠出技術(shù)，王建國(guó)等從設(shè)備結(jié)構(gòu)方面研究了Φ32mm以下小規(guī)格管材如何達(dá)到30m/min以上的“高速”“高效”生產(chǎn)，總結(jié)了單純完善設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)“高速”“高產(chǎn)”而存在的問題。比如物料混煉塑化不均，物料急劇升溫和熱分解，輔機(jī)的控制系統(tǒng)精度須提高，螺桿和機(jī)筒磨損加劇，減速器與軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下如何提高使用壽命。對(duì)于高速擠出而言，物料的塑化效果很關(guān)鍵，使用屏蔽式單螺桿擠出效果較好，由于屏蔽式螺桿特有的雙螺旋線結(jié)構(gòu)，可以確保物料均勻塑化，既提高了產(chǎn)量又降低了能耗。

根據(jù)聚乙烯物料在高速擠出時(shí)易出現(xiàn)的問題，酈華興等分別從原料選型、改性、配方設(shè)計(jì)、工藝控制等方面進(jìn)行了分析研究，對(duì)HDPE和LLDPE的混合物的流動(dòng)性及系統(tǒng)“內(nèi)外潤(rùn)滑平衡”做了深入研究，從而實(shí)現(xiàn)了聚乙烯電纜料的高速擠出。鄭建旭等比較系統(tǒng)地論述了聚乙烯管材的高速擠出技術(shù)，重點(diǎn)提出對(duì)擠出模具進(jìn)行聚四氟乙烯噴涂處理的研究。原材料生產(chǎn)企業(yè)積極開發(fā)出更適合市場(chǎng)要求的聚乙烯原料，滿足管材物理性能和衛(wèi)生性能的要求。

2管件及管件連接

為了滿足管道系統(tǒng)的使用和安裝要求，工程中需要大量的管件。對(duì)管件以及管件與管材的連接應(yīng)做的試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定，包括靜液壓強(qiáng)度、熔接強(qiáng)度、對(duì)接熔接拉伸強(qiáng)度、鞍形旁通的沖擊強(qiáng)度、耐彎曲密封試驗(yàn)、耐拉拔試驗(yàn)等。在邢清干渠工程中，管件主要包括排氣旁通（150mm）、進(jìn)人檢查旁通（600mm）、主管材的接口及彎管。工程中，主管連接一般采用熱熔連接方式，主管與閥門連接采用法蘭連接，主管合攏采用電熔套筒，旁通管采用PE鞍形電熔連接件。邢清干渠主管熱熔連接，在廠內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和測(cè)試，包括滲漏、拉伸、撕裂等試驗(yàn)，測(cè)試指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)施工按照廠內(nèi)測(cè)試時(shí)的工藝進(jìn)行控制。施工現(xiàn)場(chǎng)安裝1000m后進(jìn)行了水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)合格。廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，對(duì)于大口徑HDPE管道，采用熱熔連接是完全滿足工程使用要求的。

對(duì)于角度較小的轉(zhuǎn)點(diǎn)，利用PE管自身的柔性特點(diǎn)接轉(zhuǎn)，角度較大時(shí)，采用HDPE彎管。邢清干渠彎管采用加厚的主管材（SDR21）熔接制作，與主管材熔接連接，廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明滿足工程要求。邢清干渠沿線平均800m設(shè)置一排氣閥（DN150），沿程設(shè)置了9個(gè)進(jìn)人檢查孔（DN600），排氣和檢查旁通管均為與主管材同級(jí)的PE材料，采用鞍形電熔連接件與主管材連接。在管線全部安裝完成后，進(jìn)行了整體水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.6MPa。檢查孔設(shè)于檢查井內(nèi)，上游1.5m為檢修蝶閥，下游1.4m為穿墻套管，試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)一個(gè)進(jìn)人檢查孔崩脫，分析原因主要為HDPE管承受內(nèi)壓時(shí)變形量較大，上下游受閥門和穿墻套管以及鞍形旁通自身剛度影響較大，使鞍形旁通與主管連接處變形率大，應(yīng)力集中明顯，加之旁通管與主管之間電熔連接質(zhì)量不易保證，造成旁通管與主管連接面撕裂并在壓力下崩脫。問題出現(xiàn)后，此旁通及主管更換為鋼管。經(jīng)過此問題總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)設(shè)置大口徑旁通管時(shí)，建議主管采用鋼管，設(shè)置鋼制旁通管。

PE主管與閥門或者鋼管連接，常用的連接方式是通過套在HDPE管道上的法蘭盤與所需連接設(shè)備的法蘭連接，通過壓緊法蘭根實(shí)現(xiàn)止水，邢清干渠采用這種連接方式。但是這種方式存在以下問題：相同規(guī)格的HDPE管內(nèi)徑相對(duì)鋼管或閥門要小，若HDPE管與閥門直接連接，當(dāng)采用蝶閥時(shí)有可能造成蝶閥閥板不能完全開啟；HDPE法蘭根與法蘭盤接觸寬度小，不利于水密封，且容易剪切破壞。工程中使用了一種變徑接頭，并申請(qǐng)了專利。變徑接頭由變徑管及其上下側(cè)的鋼制法蘭組成，一側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)法蘭，與PE管連接的法蘭為內(nèi)徑與PE管內(nèi)徑相同的非標(biāo)法蘭，采用此變徑接頭能有效解決上述問題。

HDPE主管分段熔接，存在已連接較長(zhǎng)管段的合攏問題。邢清干渠合攏采用電熔套筒連接，電熔套筒長(zhǎng)度800mm，壁厚55.5mm。套筒在廠內(nèi)進(jìn)行了熔接工藝和效果試驗(yàn)檢測(cè)，在施工現(xiàn)場(chǎng)按照廠內(nèi)的工藝控制，現(xiàn)場(chǎng)完成套筒熔接十余處。整體水壓充水階段，發(fā)現(xiàn)套筒處存在不同程度的滲水問題。原因主要是施工現(xiàn)場(chǎng)管材和套筒存在豎向變形，造成主管外壁和套筒內(nèi)壁間隙不均，電熔時(shí)PE料的熔化粘結(jié)不完全，造成局部密閉性不足?，F(xiàn)場(chǎng)采用充填PE粉料、熱熔進(jìn)行修補(bǔ)，整體水壓試驗(yàn)合格。針對(duì)套筒熔接出現(xiàn)的問題，建議對(duì)于大直徑PE管道，合攏盡量設(shè)于閥門井處，同時(shí)建議合攏采用鋼管法蘭連接。

3回填要求

對(duì)柔性管道，溝槽回填質(zhì)量對(duì)管道承載能力、變形率影響很大，管周回填中粗砂，壓實(shí)度較高，土的綜合變形模量大，管道豎向變形小，承載能力高。邢清干渠HDPE管道沿線地層以砂性土為主，施工過程中，對(duì)DN1400管道兩側(cè)溝槽內(nèi)選用不同的回填料、不同的壓實(shí)度進(jìn)行了以下4種試驗(yàn)工況：①原土回填；②中粗砂墊層，管周兩側(cè)原土回填；③底部120度中粗砂支撐角，其余原土回填；④管道中心線高程以下中粗砂墊層，其余原土回填。檢測(cè)結(jié)果顯示，方案①豎向變形率最大，為1.4%，方案④豎向變形率最小，為0.2%。從檢測(cè)結(jié)果看，管溝內(nèi)回填中粗砂對(duì)減小豎向變形率效果明顯。規(guī)范規(guī)定，塑料管材的變形率不超過3%，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果以及預(yù)測(cè)變形，工程中選用原土回填。

結(jié)語(yǔ)：大口徑HDPE管道對(duì)原材料、管件的制作和安裝、現(xiàn)場(chǎng)工藝控制等方面較常規(guī)小口徑管道嚴(yán)格，當(dāng)超出規(guī)范規(guī)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)大口徑 HDPE 管道設(shè)計(jì)、施工中的問題，有以下體會(huì)和建議： ①管道連接采用熱熔連接是便捷可靠的； ②長(zhǎng)管合攏采用電熔套筒質(zhì)量不易控制，建議采用法蘭連接，并設(shè)置變徑接頭； ③支管直徑較大的鞍形旁通管，在內(nèi)外壓作用下，因管道變形率過大引起應(yīng)力集中，致鞍形旁通與主管容易撕脫，建議有條件的采用整體注塑加工，或者采用鋼制管件； ④管溝回填建議采用中粗砂，嚴(yán)格控制回填質(zhì)量，建議回填時(shí)管道內(nèi)有一定的壓力，減小因管道自重和回填土重引起的管道豎向變形； ⑤管道整體水壓試驗(yàn)壓力建議采用文獻(xiàn)規(guī)定，水壓試驗(yàn)的分段可結(jié)合檢修閥門井設(shè)置。

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