防腐彎管聚乙烯復合帶的包覆加熱溫度研究

方世杰 李振武 王俊峰 王海濤 宋澤宇 張志陽

（1.洛陽理工學院，河南 洛陽 471023；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000；3.河南新開源石化管道有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

防腐彎管由于形狀特殊，主要采用熱收縮套蝦米搭接，結(jié)合單層FBE外纏繞帶保護的防腐結(jié)構(gòu)[1]。目前行業(yè)內(nèi)公認最符合、最接近3PE標準的防腐彎管結(jié)構(gòu)是：單層FBE外纏聚乙烯復合帶（簡稱復合帶）[2]。其背材高硬度和高強度能更好抵御運輸、吊裝鋪設中的機械沖擊，防腐效果更好，但只適合機械化纏繞包覆。國內(nèi)天華化工機械及自動化研究所研究出復合帶熱熔3PE成型技術(shù)并應用于生產(chǎn)中[3]。借鑒此技術(shù)，在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)復合帶溫度受環(huán)境溫度和纏帶速度影響較大。尤其是北方冬季氣溫低至零下，帶材的初始溫度低，環(huán)氧鋼管余溫損失大，復合帶背材未達到粘流態(tài)，尤其是一層與二層搭接的部位，粘接質(zhì)量不穩(wěn)定。基于上述原因，本文提出了電輔助加熱復合帶的方法，選用兩種高效加熱管，對其熱效率進行試驗對比。然后研究加熱管加熱時帶材正反面溫度隨時間的變化規(guī)律，建立數(shù)學模型，為復合帶輔助加熱裝置的研發(fā)提供可靠的理論和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗

1.1 試驗設備及試驗材料

鹵素加熱管（品牌：駿前；規(guī)格：350mm/220V/Φ10mm/1Kw）及配套燈罩2套，碳纖維加熱管（品牌：SHEFFIELD；規(guī)格：600mm/220V/Φ10mm/ 1kw，雙管）及配套燈罩2套。香港?，敼I(yè)用紅外測溫儀AS852B型2臺，熱電偶測溫儀2組，秒表1只。試驗帶材為聚乙烯復合帶若干條，生產(chǎn)廠家：四川久遠科技股份有限公司，規(guī)格：CRJD120×2.15mm，執(zhí)行標準：Q/SY GJX 113-2010。

1.2 試驗方法

加熱試驗原理如圖1所示，按包覆工藝要求，用鹵素加熱管（簡稱鹵素管）和碳纖維加熱管（簡稱碳纖維管）分別對復合帶膠面加熱，用紅外測溫儀和熱電偶測溫儀測量膠面溫度，紅外測溫儀測量背材面溫度，秒表測量時間，記錄試驗數(shù)據(jù)。

試驗步驟：

（1）鹵素管與碳纖維管的加熱效率對比

環(huán)境溫度：27℃。使用鹵素管2支，功率2Km；碳纖維管2支，功率2Km，對帶材膠面進行照射加熱，測量帶材膠面溫度和時間，記錄數(shù)據(jù)并對比加熱效率，選出熱效率高的管種開展下一步試驗；

（2）鹵素管加熱復合帶測量溫度和時間數(shù)據(jù)

鹵素管1支，功率1Kw，管面距復合帶膠面距離20mm。試驗重復3次，數(shù)據(jù)理采用平均去噪算法，以消除儀器、人為、環(huán)境原因造成的噪聲干擾。數(shù)據(jù)處理采用最小二乘法，多項式擬合：Y=A+B1X+B2X2。

2 結(jié)果與討論

復合帶在鹵素管加熱下，20s后達到230℃；在碳纖維管的加熱下，30s后達到110～120℃，表明鹵素管加熱速度比高于碳纖維管，有利于提高生產(chǎn)效率，因此下述試驗均采用鹵素管進行。

熱電偶和上槍分別是指用熱電偶的雙金屬觸頭和紅外線測溫槍測量復合帶的膠面的加熱溫度，下槍是指用紅外線測溫槍測量復合帶背材面的加熱溫度。采用紅外測溫方式使用方便，屬于非接觸式測量，反應速度快，但測量數(shù)據(jù)易受物體的發(fā)射率、距離、煙塵和水氣等因素干擾。熱電偶為接觸式測量，存在測溫延遲現(xiàn)象，在對時間要求不高的場合下，熱電偶測量的數(shù)據(jù)精度高，但對時間敏感的測量場合，其測量精度反而較低。因此試驗中同時采用兩種測溫方式，同時對比兩種測量方式的準確性。

表1給出了3次測量結(jié)果的平均值。數(shù)據(jù)結(jié)果反映了：（1）保持加熱管與帶材的距離不變，隨著照射時間的延長，膠面和背材的溫度會持續(xù)升高；（2）膠面的平均溫度高于背材面36.971℃。

表1 鹵素管加熱復合帶溫度隨時間的關(guān)系

由于加熱管不斷將熱量傳導到膠面上，在一個相對封閉的空間，熱能不斷增加，導致復合帶溫度會隨時間增加而持續(xù)升溫。由于復合帶主體為高密度聚乙烯（厚度=1.65～1.85，膠粘劑層厚=0.3～0.5，背材厚度為帶材總厚度的81.4%），導熱系數(shù)僅為0.5W/（m·K），是鋼導熱系1/1000，因此復合帶阻礙熱量傳導的能力強，導致背材面的平均溫度比膠面低36.971℃。文獻[2]給出了膠面粘流態(tài)溫度為160～220℃，背材粘流態(tài)溫度為170～230℃。在目前的加熱功率下單面加熱，膠面要達到粘流態(tài)所需的時間至少要30s，背材到40s仍未達到粘流態(tài)。因此縮短加熱時間，提高熱效率，同時背材達到粘流態(tài)，則需要增加加熱功率，同時背材面也安裝加熱管。

2.1 熱電偶測溫數(shù)據(jù)分析

將熱點偶測得的膠面溫度與時間點進行曲線擬合，擬合后的曲線公式如下：

相關(guān)參數(shù)如表2所示，相關(guān)系數(shù)R=0.97661，趨向于1，表明擬合結(jié)果滿足要求。故式（1）為熱電偶擬合的溫升曲線函數(shù)關(guān)系。

表2 相關(guān)參數(shù)值

對曲線公式求導，計算7個時間點的速度并取平均值，獲得平均升溫速度=5.72343℃/s。當Y'=0時，是拐點，物理意義上是溫度曲線的最大值，此時X=45.8s，即當時間超過45.8s之后，溫度便開始下降。根據(jù)熱電偶的測溫，40s時膠面溫度為237.5℃，已經(jīng)超過了粘結(jié)劑粘流態(tài)上限溫度（220℃），但此時觀察到膠面實際上剛剛開始出現(xiàn)粘流態(tài)，而應該出現(xiàn)粘流態(tài)的溫度應該從160℃就開始，即從第25s開始膠面就應該出現(xiàn)粘流態(tài)了，但實際并未觀察到，因此熱電偶的測量溫度偏高。結(jié)合表1進一步分析可知，由于熱電偶測溫有遲滯現(xiàn)象，在第10s時，溫度應該達到較高值，但其還遲遲未啟動。一旦啟動后，其熱慣性又很大，造成溫度一直向上沖，這是造成熱電偶測溫不準的原因所在。因此其擬合曲線曲線、平均升溫速度及溫度時間拐點均與實際情況不符，不能使用。同時也表面，采用熱電偶方式采集加熱數(shù)據(jù)的方法是不適用的。

2.2 紅外測溫槍上槍數(shù)據(jù)分析

將紅外上槍測得的膠面溫度與時間點進行曲線擬合，擬合后的曲線公式如下：

相關(guān)參數(shù)如表3所示，相關(guān)系數(shù)R=0.7085，趨向于1。滿足要求。故式（2）為紅外測溫槍上槍擬合的溫升曲線函數(shù)。

表3 相關(guān)參數(shù)值

2.3 紅外測溫槍下槍數(shù)據(jù)分析

下槍測量膠面的溫度與時間變化規(guī)律曲線如圖4所示，將紅外下槍測得的膠面溫度與時間點進行曲線擬合，擬合后的曲線公式如下：

表4中，相關(guān)系數(shù)R=0.9359，趨向于1。滿足要求。故式（16）為紅外測溫槍下槍擬合的溫升曲線。

表4 相關(guān)參數(shù)值

聚乙烯復合帶溫度是實現(xiàn)3PE包覆的關(guān)鍵問題，復合帶的膠面要達到粘流態(tài)溫度才能夠和處于膠化態(tài)的環(huán)氧底漆產(chǎn)生化學反應，原理是粘結(jié)劑分子中的酸酐基團與環(huán)氧樹脂分子中的環(huán)氧基、羧基反應產(chǎn)生化學交聯(lián)結(jié)合，化學粘結(jié)的強度遠遠高于純粹的物理粘結(jié)。膠面和背材面要到達粘流態(tài)主要基于兩點原因：一是膠粘劑分子主鏈以乙撐鏈為主，和粘流態(tài)的聚乙烯分子鏈結(jié)構(gòu)相同，二者具有良好的相似相容性，可以在壓力作用下融合為一體，因此其粘結(jié)強度遠遠高于膠粘劑與背材的物理粘劑強度；二是復合帶在纏繞第二圈搭邊時，熱熔膠層與復合帶第一層的背材外表面由于溫度不夠，未在粘流態(tài)下融合，未達到3PE性能要求。為此充分利用環(huán)氧彎管余溫，結(jié)合電輔助外加熱方式，使復合帶在包覆前充分預熱，同時建立數(shù)學模型，為實施自動化控溫提供參數(shù)支持，才能有效解決彎管包覆質(zhì)量不穩(wěn)定、包覆效率低的根本問題。

3 結(jié)語

（1）鹵素加熱管的加熱效率高于碳纖維加熱管；

（2）使用1W鹵素加熱管，距復合帶膠面20mm處實施單側(cè)加熱，膠面和背材面溫度與時間的函數(shù)關(guān)系如下：

（3）采用紅外測溫槍的測量方式的準確度高于熱電偶測溫；

（4）實施單側(cè)加熱時，膠面的平均溫度高于背材面36.971℃。