一種新型超高分子量聚乙烯增強管的制備

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一種新型超高分子量聚乙烯增強管的制備

盧意，秦步祥，于雯
(泰州職業技術學院， 江蘇 泰州 225300)

目前國內外大部分使用的是PE100聚乙烯材料管道，這種管道性能優良，但在高壓工作環境下的壁厚較厚。介紹了一種新型超高分子量聚乙烯增強管，該管道由5層材料構成，各項指標均優于PE100，具備優良的力學性能和耐腐蝕性能。對超高分子量聚乙烯增強管制備中內管、增強層、保護層的材料選用，接頭和連接方式，以及增強管橢圓度、縱向回縮率、靜水壓強度、短時爆破強度性能檢測進行了闡述。新型超高分子量聚乙烯管道突破了傳統管道壁厚大和現場安裝程序繁瑣的局限，保證了管道的工作強度和傳輸效率，具有較強的市場競爭力和較好的應用前景。

管道； 超高分子； 聚乙烯； 復合材料； 制備

在石油、天然氣、煤炭、礦山、電力等工程領域，均需鋪設大量的不同直徑和不同承壓能力的管道。目前使用較多的主要是PE100聚乙烯管材和鋼骨架聚乙烯復合管，PE100承壓能力一般，在高壓環境下壁厚較大，會導致較多的材料消耗和較高的銷售價格[1]。鋼骨架聚乙烯復合管的鋼絲抗拉強度高，可以減少聚乙烯材料的消耗，但管材柔韌性不夠，接頭處易產生應力集中，易發生裂紋和斷裂現象，總體強度并不高[2]。另外，基材普通聚乙烯的抗拉強度、耐磨性和沖擊韌性較低，容易在沖擊、劃傷作用下開裂。

超高分子量聚乙烯管材的分子量可達250萬，性能非常優良，集中了各種塑料的優勢，具有普通聚乙烯、ABS、聚氯乙烯、聚丙烯等塑料產品無可比擬的耐壓性、耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性[3]。文中對由泰州職業技術學院和江蘇申視新材料科技有限公司聯合開發的新型超高分子量聚乙烯增強管的材料選用、性能檢測等制備內容進行簡要介紹。

1 新型超高分子量聚乙烯增強管結構及特點

新型超高分子量聚乙烯增強管由3個主體層和2個連接層組成，見圖1。3個主體層分別是由超高分子量聚乙烯制成的內管[4]、由高強度鋼絲制成的增強層以及由江蘇申視新材料科技有限公司自制的改性高密度聚乙烯制成的保護層。2個連接層均為高黏性、高強度的熱熔膠，熱熔膠將3個主體層緊密黏合在一起，發揮出了3種材料各自的性能特點。增強管企業內部規格型號為DN125PN10，其外觀呈黑色，長1 150 mm、壁厚13.5 mm、外徑125 mm，公稱壓力10 MPa。

圖1 超高分子量聚乙烯增強管結構

該種超高分子量聚乙烯增強管采用了先進復合技術，形成了完整的承力結構，具有高承壓、抗結垢、低摩阻和耐低溫等特點[5]，是一種高性能、低損耗、壽命長的新型綠色管材，在油氣田集輸油管線、煤礦煤粉漿的高效安全輸送等方面得到了廣泛應用，具有獨特的優勢。

2 新型超高分子量聚乙烯增強管材料選用

2.1 內管

增強管的內管為介質的傳輸層，材料選用非常重要。幾種聚乙烯材料的性能見表1，可以看出，超高分子量聚乙烯UHMWPE的拉伸屈服強度、斷后伸長率和其他的聚乙烯相差不大，但缺口沖擊韌性、砂漿磨耗性能非常優秀[6]。UHMWPE的沖擊韌性在常溫下具有很高的水準，在-70 ℃時仍能保持很高的沖擊吸收功，其摩擦性能可以和聚四氟乙烯相媲美[7]。UHMWPE化學穩定性好，能耐各種腐蝕性介質(酸、堿、鹽)及有機溶劑的侵蝕[8]，見表2。

表1 幾種聚乙烯材料性能比較

表2 超高分子量聚乙烯耐化學腐蝕性能

2.2 增強層

復合管增強材料主要有鋼絲網、鋼板孔網等金屬材料以及玻璃纖維、超高纖維、碳纖維、芳綸纖維等非金屬材料這兩類[9]。芳綸纖維、超高纖維、碳纖維是世界上公認的三大超強纖維，但其價格太高，會使復合管成本大幅上升。玻璃纖維價格低，但受自身脆性限制，抗沖擊性能無法適應野外復雜地形和惡劣環境。同時，由于纖維體積強度低，對于工作壓力較高的管道，會因增強層過厚而影響管道通徑。

鋼骨架增強在普通高密度聚乙烯復合管道中的應用已比較成熟，但現有產品主要用于埋地低壓輸水管道，難以適應3.5 MPa以上工作壓力和高硫、高黏原油及固/液混合物料的輸送要求。經過綜合分析和力學計算，采用1 870～2 600 MPa高強度鋼絲繩作為增強層材料。為解決鋼絲繩腐蝕問題，對鋼絲繩表面進行了鍍鋅處理。為解決鋼絲繩與粘接材料的親和性問題，提高底層鋼絲繩與超高分子量聚乙烯內管的黏合效果，在纏繞前對已進行鍍鋅處理的鋼絲繩表面預先涂覆聚烯烴專用粘接樹脂。

2.3 保護層

普通的聚乙烯鋼骨架增強復合管保護層大多以普通高密度聚乙烯為材料，這種管道大多作為埋地、低壓、輸水管使用[10]。超高分子量聚乙烯增強管主要用作油氣田輸油管，礦山、煤礦、熱電、化工、航道疏浚行業的礦漿、泥漿、煤灰等物料管，除了要滿足管線工作壓力等主要技術參數外，更要適合野外鋪設，并滿足特殊環境使用要求。普通高密度聚乙烯耐候性和耐環境應力開裂性能差，通常在室外使用時間不長就發生龜裂。筆者采用不含雙鍵的熱塑性彈性體、納米材料、抗靜電劑、抗紫外等助劑對高密度聚乙烯進行改性，可使保護層具有優良的耐環境應力開裂、防紫外線、抗靜電、耐寒等特點，滿足增強管的使用要求。

3 超高分子量聚乙烯增強管接頭和連接方式選擇

超高分子量聚乙烯增強管的接頭、連接方式是整個管路系統設計的重要環節。針對增強管的特性及使用工況、環境，對管道接頭現有技術進行篩選，通過實際使用和測試，確定了溝槽式管接頭連接方式，見圖2。

圖2 溝槽式管接頭結構示圖

溝槽式管接頭施工安裝非常簡便。安裝前，先將一只相配備的O形橡膠密封圈嵌入其中一根管道端口凹槽內，再將另一根管道移來，二者端口相對。再把溝槽式卡箍卡在兩管中的溝槽上，擰緊螺栓即可。受卡箍內部空間的限制，密封圈被擠壓，從而起到增強密封的作用。

溝槽管件的連接操作也非常簡單[11]，根據現有的安裝經驗，熟練工連接1處管接頭僅需6 min，極大降低了現場安裝的技術難度，也使工程質量更加穩定。

4 超高分子量聚乙烯增強管性能檢測

4.1 橢圓度

根據SY/T 6662.2—2012《石油天然氣工業用非金屬復合管 第2部分：柔性復合高壓輸送管》[12]中的規定，在室溫下對DN125PN10型管道樣品TZ5TYD-1進行橢圓度檢測，樣品外觀光滑、平整，橢圓度為0.33%，滿足SY/T 6662.2—2012中管道橢圓度低于5%的要求。

4.2 縱向回縮率

根據SY/T 6662.2—2012中的相關規定，在110 ℃條件下進行DN125PN10型管道樣品縱向回縮率檢測，試驗時間為2 h，測得樣品TZ5TYD-2、TZ5TYD-3、TZ5TYD-4的縱向回縮率分別為1.01%、0.91%、1.20%，平均值為1.04%，均滿足SY/T 6662.2—2012中管道縱向回縮率小于3%的要求。

4.3 受壓開裂穩定性

根據SY/T 6662.2—2012的規定，在室溫下進行DN125PN10型管道受壓開裂穩定性檢測，樣品TZ5TYD-5、TZ5TYD-6、TZ5TYD-7的檢測結果均為壓縮至管道直徑1/2時目測表面無裂紋，滿足SY/T 6662.2—2012中的相關要求。

4.4 靜水壓強度

根據SY/T 6662.2—2012的規定，在20 ℃室溫下進行DN125PN10型管道靜水壓強度檢測，試驗時間1 h，所施加靜水壓強度為公稱壓力的2倍，即20 MPa，試驗結束后樣品TZ5TYD-8、TZ5TYD-9、TZ5TYD-10均無破裂、無滲透，3個樣品均滿足SY/T 6662.2—2012中的相關要求。

4.5 短時爆破強度

根據SY/T 6662.1—2012《石油天然氣工業用非金屬復合管 第1部分：鋼骨架增強聚乙烯復合管》[13]中的相關規定，在XGNB-10/6W型耐壓試驗系統上進行DN125PN10型管道的短時爆破強度檢測，室溫下一直加壓直到管道爆破，測得樣品TZ5TYD-11、TZ5TYD-12、TZ5TYD-13的短時爆破強度分別為33.0 MPa、33.2 MPa、34.1 MPa，滿足SY/T 6662.1—2012中爆破強度不得小于公稱壓力的3倍，即30 MPa的要求。

5 結語

超高分子量聚乙烯是一種特殊的聚乙烯樹脂，在裝配式輸油管的使用中綜合性能優異，在漿體、液體及氣體的耐磨和耐腐蝕方面有其他管材無可比擬的優勢，受到業內的青睞[14]。文中所述的新型超高分子量聚乙烯管道突破了傳統管道壁厚取值大和現場安裝程序繁瑣的局限，保證了管道的工作強度和傳輸效率，部分油田中已安裝使用此類管道，實際使用初步效果比較滿意。隨著國民經濟的持續發展，各行業對超高分子量聚乙烯增強管的需求將會不斷增加，應用前景廣闊。

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PreparationofaNewUltra-highMolecularWeightPolyethyleneReinforcedPipe

LUYi，QINBu-xiang，YUWen
(Taizhou Polytechnic College， Taizhou 225300， China)

A new ultra-high molecular weight polyethylene reinforced pipe expected to replace PE100 polyethylene pipe under high pressure working conditions is introduced. Compared with the PE100 which is mostly used in international and domestic market in current, the new reinforced pipe is prepared with excellent mechanical performance and corrosion resistance performance as well as than that of PE100. The pipe is made up of five layers with technical indexes better than that of PE100. The material selection of inner tube, reinforce layer, protective layer, the pattern selection of joint and its connection and , are elaborated the pipe performance testing items including ellipticity, longitudinal retraction rate, hydrostatic strengthen and short-time blasting strength are elaborated. Two limits of traditional pipe in a large wall thickness and complicated on-site installation have been broken through, and working strength and transmission efficiency were ensured. Therefore, the new ultra-high molecular weight polyethylene reinforced pipe possesses strong market competitiveness and better application prospects.

pipeline； ultra-high molecular； polyethylene； compound material； preparation

1000-7466(2017)06-0014-04

2017-05-30

泰州職業技術學院重點科研項目(TZYKY-15-6)

盧 意(1985-)，男，江蘇泰州人，講師，碩士，從事機電材料類專業的教學和科研工作。

TQ055.8； TE832

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.003

(張編)