鋼塑復合管端部密封技術的研究

賈明印,薛 平,李愛軍,丁 筠

鋼塑復合管端部密封技術的研究

賈明印,薛 平,李愛軍,丁 筠

(北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所,北京100029)

對鋼塑復合管的生產概況進行了總結,分析討論了鋼塑復合管端部密封技術的發展,包括第一代注塑封口技術、第二代對接焊封口技術和第三代自熔密封技術,并對這3種密封技術的密封原理、密封設備、密封方法以及性能進行了比較。第三代自熔密封技術是利用鋼塑復合管自身的塑料完成密封,可以有效解決傳統密封技術存在設備投資大、能耗大、封口質量差的技術缺陷,是當前鋼塑復合管端部密封技術的重要發展方向。

鋼塑復合管;自熔密封;對接焊;注塑封口

Abstract:Production situation of steel-plastics composite pipes was summarized and the emphasis was focused on the end sealing technology.Discussed in this paper included the first-generation injection sealing,the second-generation butt welding sealing,and the third-generation self-melting sealing technology.Steel-plastics composite pipes can be sealed using the plastics itself by thirdgeneration self-melting sealing technology.The third generation self-melting sealing technology can effectively overcome the disadvantages of conventional sealing technology which included big equipment investment,high energy consumption,and poor sealing quality.The third-generation self-melting sealing technology constituted also the important development trend of end sealing technology of steel-plastics composite pipes.

Key words:steel-plastics composite pipe;self-melting sealing;sealing;injection sealing

0 前言

復合管材是現代管材發展的重點,其中鋼塑復合管又是復合管材的一個重要種類。鋼骨架復合管是由金屬和塑料兩種材料復合在一起形成的管材,該復合管以鋼骨架為增強體,以熱塑性塑料為連續基材,在自動控制生產線上將兩者均勻復合在一起的一種新型雙面防腐壓力管道。

國內鋼塑復合管發展很快,目前在上海、北京、深圳、杭州、重慶、福州、蘇州等地已經得到廣泛應用,僅在上海就有90%以上的高層建筑采用鋼塑復合管,在發達國家地區(如日本、歐洲、美國)更是得到了廣泛使用[1]。隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高,鋼塑復合管必將迎來更大的發展空間。為防止復合管端面裸露的鋼骨架或鋼絲網在使用過程中受腐蝕破壞,影響復合管的使用壽命,在使用中需對復合管的端部進行密封。自從鋼塑復合管行業誕生以來,端部密封技術一直在該行業技術領域內諱莫如深,幾乎在所有相關技術文獻中均是盡可能避而不談,其原因在于其是該行業的一個技術缺陷,在很大程度上制約著該產品的壽命和安全性,自從該產品在國內面世以來的10余年內均沒能得到有效解決,極大地限制了該行業的發展。隨著鋼塑復合管應用的不斷深入,鋼塑復合管的端部密封技術成了一個重要問題,端面密封是影響其結構完整性及持久強度的重要因素。由于管道輸送的流體中不乏危險介質,如天然氣和煤氣等,結構一旦破壞后果不堪設想,鋼塑復合管的端部密封技術是影響塑料管道能否廣泛應用的關鍵技術之一。

從工程實際情況來看,由于目前鋼塑復合管端部密封技術存在缺陷,從而使得整個鋼塑復合管系統在使用中存在一些明顯的安全隱患,提高鋼塑復合管端面密封的技術水平已成為業內亟待解決的問題。

1 鋼塑復合管的生產概況

鋼塑復合管道最早源于美國,是從石油管道的防腐研究開始,起初是管道外壁涂敷上一層塑料,后來又發展到管道內壁進行涂敷,從而大大延長了管道的使用壽命。日本對鋼塑復合管的研究雖然遲于西方,但發展很快,到了70年代后期,鋼塑復合管已經廣泛應用于給水、排水、消防、化工等各個領域。日本對自來水水質十分重視,從20世紀70年代政府就作出禁止在新建建筑中使用鍍鋅管作為給水管的決定,這就為鋼塑復合管的使用提供了一個很廣闊的領域。于是逐漸形成了ΦJ WWA K110“硬質聚氯乙烯襯里鋼管規格標準”和ΦJ WWA K132“聚乙烯粉末涂敷襯里鋼管規格標準”,尤其是該標準中的外鍍鋅內襯(涂)塑復合管,在配上襯(涂)塑的管件后,其安裝方法與鍍鋅管完全相同,可以隨時配合現有供水網絡使用,因而首先得到大量推廣使用。進入80年代后,在日本的供水管材中,鋼塑復合管的年使用量達到100 kt以上,占供水管總量的一半還多[2]。

1980年,新加坡也作出禁止用鍍鋅管作為給水管的決定。1994年12月香港特區政府發文禁止新建樓房內使用無搪層的鍍鋅鋼管作供水設備。于是日本、韓國、新加坡的外鍍鋅內襯(涂)塑鋼管先后進入香港,用在了供水工程上,至今方興末艾。

鋼塑復合管在我國正處于發展時期,年產量為1.0×108～1.3×108m,規格為Φ45～Φ630。目前,國內鋼塑復合管的品種較多,但在國內形成一定規模、并有一定市場的鋼塑復合管材主要有給水涂塑復合鋼管、給水襯塑復合鋼管、鋼塑復合壓力管、不銹鋼塑料復合管、給水用孔網鋼帶聚乙烯復合管、內筋嵌入式襯塑鋼管等6種。其中,鋼絲纏繞增強聚乙烯管是近幾年國內自主開發的新品鋼塑復合管,其成型加工設備已出口國外。我國鋼塑復合管的生產企業主要分布在天津、山東、上海、廣東等地,如山東孚瑞特石油裝備有限公司復合管廠、天津利豐源鋼管有限公司、廣東東方管業有限公司,中科華飛管業有限公司等,其產量正逐步擴大。但是,國內鋼塑復合管材的生產缺陷主要有以下幾點：(1)國內生產鋼塑復合管所用的塑料(包括粉末和管材)品種不全。國內生產塑料原料的廠家很多,但沒有鋼塑復合管所用的專用料。例如,聚乙烯粉末的附著力指標還達不到國外標準所規定的要求,用于供熱水的環氧粉末也沒完全解決;(2)生產廠的規模普遍較小,設備技術水平啟動化程度不高,因而難以降低產品的成本和保證產品品質;(3)與鋼塑復合管配套的管件、閥門的品種、數量還不能滿足要求;(4)鋼塑復合管材的端部密封技術落后,嚴重影響和限制了鋼塑復合管的應用與發展;(5)市場混亂,行業標準落后,跟不上市場和技術發展的需求。

根據國家標準化管理委員會綜合(2007)100號文件“關于下達2007年第五批國家標準修訂計劃的通知”的要求,由相關單位編制了《鋼塑復合管》國家標準(編號為 20077232-T-605)。新的標準以 CJ/T 136—2007《給水襯塑復合鋼管》和 CJ/T 120—2007《給水涂塑復合鋼管》兩個國家標準為基礎制訂。目前,《鋼塑復合管》標準報批稿經3次會議討論已形成,且已上報中國鋼標準化技術委員會和國家標準化管理委員會。新標準對鋼塑復合管的尺寸和質量及允許偏差、耐火性能、帶低溫性能等技術要求均提出了明確規范[3]。

2 鋼塑復合管端部密封技術的研究現狀

連續成型的鋼塑復合管在按一定長度截斷之后,其兩端頭上的鋼管或鋼絲網將暴露在外,為了保證鋼塑復合管的使用性能,必須對其端頭進行封口,即將端頭的鋼管或鋼絲網可靠地封入塑料層內。但是一直以來,這個問題始終未能得到很好解決。鋼塑復合管的端部密封技術總體上經歷了3代技術的發展,主要包括：第一代注塑封口技術、第二代對接焊封口技術和第三代自熔密封技術。

2.1 第一代注塑封口技術

第一代注塑封口技術是最早應用于鋼骨架塑料復合管的端部密封技術,封口原理是通過注塑機和成型模具將塑料熔體包覆在鋼骨架塑料復合管的端面上,將管道端部及內壁與裸露的鋼骨架隔離。成型設備一般包括一到兩臺注塑機、一臺模溫機、一臺油泵、一套模架和模具,注塑封口之后還需要一臺車削裝置來使其與電熔套筒的尺寸相匹配。封口設備示意圖如圖1所示。

圖1 第一代注塑封口設備平面示意圖Fig.1 Schematic of the first-generation injection sealing

注塑封口的生產過程是先利用旋風車床對管材端面部進行封口車削,使之達到封口車削尺寸的要求,利用工具去除殘余緯線鋼絲,并對端部鋼絲進行打磨處理,再采用紅外加熱器對直管封口外圓表面進行烘烤加熱,將烘烤后的管材端部裝夾入封口注塑機的成型模具中,利用注射成型設備對直管半成品管材進行封口,制成的封口帶有錐度,注入的熔料呈端面和周向包覆狀態,封口外徑尺寸大于管材本體外徑尺寸,車削后與相應的錐形封口電熱熔套筒配合使用。

第一代注塑封口技術是沿用時間最長的封口技術,該工藝只將管道端部內壁與裸露的鋼骨架隔離,即所謂的“封內不封外”,塑料收縮后鋼骨架很容易將端面封口塑料頂開,導致鋼骨架裸露、密封失效;輸送的介質也很可能通過外壁滲入鋼骨架進而對其產生腐蝕,縮短使用壽命,留下安全隱患。此外,第一代注塑封口技術完成一次封口需要時間長達幾十分鐘到1 h,效率低,能耗高,尤其是大口徑管材封口的技術瓶頸。第一代注塑封口技術在封口前和封口后需要對鋼(鋁)塑復合管的端面進行打磨車削,該工序不但增加生產成本,而且打磨現場粉塵飛揚,塑料碎屑遍地,對工人健康和安全不利。

2.2 第二代塑料對接焊密封技術

為解決第一代注塑封口技術存在設備投資大、能耗大、封口品質差等技術缺陷,2004年,國內科研機構開發了第二代塑料對接焊封口技術。對接焊的封口原理是將塑料環與復合管端面對接焊,在焊槍或凹凸形雙面熱板高溫作用下,將塑料環和鋼塑復合管的端面塑料熔融,使兩者融合在一起,實現端面裸露的鋼骨架或鋼絲網密封。封口設備一般包括一套打磨裝置和車削裝置、一套卡環和模架等。生產照片如圖2所示。

對接焊封口的生產過程是將待焊復合管材和封口環端面用一定的壓力緊靠在一個預置好溫度的加熱板上維持一段時間。在管材獲得了足夠的溫度并達到對接焊工藝溫度要求后,抽取出加熱板,給待焊管材和封口環兩端面施壓,使兩個焊接端面緊密接觸,在一定的壓力下維持一定的時間至冷卻,最終使兩個端面粘合在一起。

圖2 第二代對接焊封口技術的生產照片Fig.2 Production photo for the second-generation butt welding sealing technology

第二代塑料對接焊封口技術的優點是設備投資較小,能耗有較大幅度降低,封口效率也有較大幅度提高,完成一次封口只需十幾到幾十分鐘左右,目前在鋼絲網骨架塑料復合管端面密封中正得到廣泛應用,也是目前市場的主流技術。

但是,第二代塑料對接焊封口技術對復合管端面的平整度和垂直度要求很高,對接焊所用的塑料環易收縮變形,可能存在與復合管本身的塑料排異而熔合不好的安全隱患,焊接成型后內壁粗糙,容易有夾層和飛邊,而且對接后外壁有明顯高出管壁的卷邊凸起,需要專門車削處理,這一工序使熔接層變薄,甚至車掉熔接層,使得這種封口方式依然是“封內不封外”。

專利CN101637971A公開了一種改進型的鋼骨架增強塑料復合管的端面封口方法,其特點是在對接焊的基礎上提高了封口環、預熱環及鋼骨架增強塑料復合管端面塑料的熔融品質,封口品質和密封性均得到了提高[4]。但該技術仍是“封內不封外”,同樣存在封口品質安全隱患。

工程實踐表明,采用第二代塑料對接焊封口技術,雖然在能耗上得到了大幅度降低,但是安全性反而比第一代注塑封口還要差。首先,封口存在安全隱患,因為復合管端部存在鋼骨架層界面,在加熱過程中,鋼骨架層會限制復合管向加熱板方向移動,產生的卷邊高度較小,端面塑料也會產生收縮,使鋼骨架層凸顯出來,影響對接焊的品質;其次,鋼塑復合管的外壁經過車削工序后,仍然有封內不封外的問題;第三,內壁粘接效果無法檢測,必然會有一定量的不合格品,存在安全隱患;第四,內壁在對接后必然有卷邊,在進行車削處理時容易將熔接層車掉;第五,在管道的長期運行中,因為熔接層很薄,一般在1 mm或者更薄,很有可能在介質不斷沖擊和磨損的作用下剝落,不僅增加了輸送阻力而且使密封完全失效,導致鋼骨架或者是鋼絲網快速腐蝕,發生安全事故。

2.3 第三代自熔密封技術

由于第一代注塑封口技術和第二代對接焊封口技術存在封口品質差、生產效率低的技術缺陷,特別是對規格為dn300以上的大口徑管材,采用第一代注塑封口技術和第二代對接焊封口技術均很難實現較好的端面密封,從2007年開始,國內的研發機構開始了第三代密封技術的研究,旨在尋求一種高效、低能耗、高封口品質的密封技術。

其中,以北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所為代表的科研機構自2006年對鋼塑復合管的端部密封技術進行了深入細致研究,于2008年成功開發了第三代鋼(鋁)塑復合管端部密封技術——自熔密封技術,成功解決了第一代注塑封口技術和第二代對接焊封口技術存在的技術缺陷[5]。

第三代自熔密封技術的原理是利用鋼塑復合管自身的塑料,通過專用模具加熱使其熔融塑化,在熔體壓力作用下,熔化的塑料熔體流向復合管的端部,并聚集在復合管的端部,通過模具的冷卻定型,實現一步法自熔密封。自熔密封設備結構示意圖如圖3所示,密封設備主要包括熱成型模具、加熱控制系統、冷卻系統、液壓系統、夾具以及支架等。

圖3 第三代自熔密封設備示意圖Fig.3 Schematic for the third-generation self-melting sealing technology

第三代自熔密封技術的優點是利用復合管自身的塑料完成密封,封口塑料和管道本體塑料完全熔合,可靠性高,復合管的內外壁與端面自行熔為一體,表面光潔,且一次成型不需要任何后續加工,可省去一些不必要的設備及其維護,生產過程清潔,無任何污染。第三代自熔密封技術的開發,克服了現有鋼塑復合管注塑封口技術“封內不封外”、效率低以及投資成本高、能耗高的技術缺陷,結構簡單,容易實施,特別是克服了第二代對接焊封口可靠性差,內外壁粗糙,后期需要車削和補焊的缺陷。

2.4 3代密封技術的性能對比

3種封口技術的性能比較如表1所示。通過對比可以看出,無論在設備投資、能耗和生產效率上,還是在封口品質上,第三代自熔密封技術均比其他兩種封口技術具有突出的優越性。

表1 3種封口技術的性能對比Tab.1 Performance comparison of the three sealing methods

3 結語

鋼塑復合管是鋼管道和非金屬管道的良好替代品,在油氣集輸和污水輸送等方面具有廣闊的應用前景。鋼塑復合管屬于國家級重點新產品、國家級科技成果重點推廣計劃產品,目前正得到市場的廣泛青睞[6]。但是,目前的端部密封技術給該產品的安全使用留下了隱患,影響了該產品的推廣應用,徹底解決鋼塑復合管的端部密封問題迫在眉睫,應引起生產企業和科研機構的足夠重視。鋼塑復合管的端部密封完全應該從密封原理、密封設備和密封方法等多方面進行技術改進和創新,提升鋼塑復合管的性能指標,使整個系統性價比更優,市場競爭力更強,更能體現國家節能減排的政策導向。建議通過制定和修改行業技術相關標準和政策,來大力推動鋼塑復合管行業的健康發展。

[1] 陳懷德,王 莘.鋼塑復合管連接件技術改進的幾點思考[J].水務世界 ,2009(2) ：51-53.

[2] 王顯功.我國鋼塑復合管道生產和應用的現狀及發展對策[J].廣東建設信息：建材專刊,2004,(2)：45-48.

[3] 錢樂中.《鋼塑復合管》國家標準(報批稿)簡介[J].焊接,2009,32(8)：63-66.

[4] 林寶清,馮海彥,姜琳琳.一種鋼骨架增強塑料復合管封口方法：中國,200910072725.0[P].2010-02-03.

[5] 賈明印,李愛軍.一種鋼骨架塑料復合管的端部完全密封裝置：中國,200820005580.3[P].2009-03-11.

[6] 呂長杰.鋼塑復合管道[J].油氣田地面工程,2009,28(10)：93.

Study on End Sealing Technologies of Steel-plastics Composite Pipes

J IA Mingyin,XUE Ping,LI Aijun,DIN G Yun
(Institute of Plastics Machinery and Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

TQ327.9

A

1001-9278(2010)12-0072-05

2010-05-25

聯系人,johnmy2008@sohu.com