纏繞式增強聚乙烯管復合共擠成型工藝的研究*

鄒修敏，胡 飛，吳 勝，劉 惺，郝紅梅，許榮輝，趙樹輝

(1 四川化工職業技術學院，四川 瀘州 646099；2 四川自強科技有限公司，四川 瀘州 646000)

根據我國目前戰略部署和經濟發展的需要，我國的頁巖油、氣的開采及利用將不斷加大，由于頁巖油、氣內含有腐蝕性物質及輸送過程中流體對管壁的沖刷作用，導致對輸送頁巖油、氣管道提出了特殊性能要求，為了降低頁巖油、氣輸送成本和減少環境污染，采用非金屬管代替金屬管勢在必行，由此，非金屬管道“以塑代鋼”推廣支持力度不斷加大。隨著我國聚乙烯(PE)管在各行業中不斷推廣和擴大使用范圍，鋼絲網骨架纏繞式聚乙烯增強復合管將得到廣泛應用，但是傳統的鋼絲網骨架纏繞式聚乙烯復合管無論從承壓、耐腐還是剛度、強度方面都已不能滿足各行業對管材越來越高的要求，而且還存在管道失穩變形、脫粘分層、承載性差等缺陷，鑒于此，為了提高增強聚乙烯復合管抗彎折能力與強度、降低脫粘分層現象，需研究增強聚乙烯(PE)復合成型工藝，以提高復合管各項性能指標，因此，研究具有十分重要的意義。

1 纏繞式增強聚乙烯(PE)管結構特征

與傳統油、氣輸送中采用鋼制管道相比，增強聚乙烯復合管具有強度高、塑性好、耐蝕性優、安裝運輸方便等特點，所以在油氣輸送過程中得到廣泛應用[1-2]。聚乙烯管增強方式有兩種，一種是通過特殊的工藝控制，將材料自身的無序態分子鏈變為有序態分子鏈，或是將無序的片晶結構改造為有序的高性能晶型結構，提高結晶程度，并控制其擇優取向排列，以此提高材料強度的工藝技術被稱為自增強技術[3]；另一種是通過成型結構改進和成型工藝改進技術達到提高強度、剝離等性能的目的；纏繞式增強聚乙烯管采用的是后一種方法，它由五層結構組成，如圖1所示，它由芯管內層1、芯管外層2、增強鋼絲網骨架3、外保護層內層4、外保護層外層5組成。生產過程中芯管內層材料為聚乙烯或者改性聚乙烯或者超高分子量聚乙烯等，芯管外層材料為熱熔膠粘合劑樹脂，采用雙層復合共擠模具一次成型，得到內層為芯管用塑料、外層為熱熔膠粘合劑樹脂的雙層復合一體芯管[3]；再通過纏繞機將裸鋼絲纏繞在芯管上得到增強網骨架，然后進入溫控箱，達到熱熔膠粘合劑樹脂與增強網骨架粘合的溫度后，使鋼絲網骨架與芯管粘合，然后將纏繞好增強網骨架的成品芯管通過牽引機送入外保護層復合共擠模具，通過擠塑機擠出外保護層內層為熱熔膠粘合劑樹脂、外保護層外層為聚乙烯(PE)材料涂覆在增強網上，得到增強聚乙烯復合管產品。采用雙層復合共擠成型工藝減少了芯管與空氣接觸，也減少了灰塵沉積于芯管表面導致粘合性能降低現象。

圖1 纏繞式增強聚乙烯管結構特征Fig.1 Structural characteristics of spiral wound reinforced polyethylene pipe

2 影響粘結材料的因素及處理方法

纏繞式增強聚乙烯(PE)管雖然具有強度高、柔性好、耐腐蝕等優點，但是也存在失穩變形、增強鋼絲網與內外層粘膠脫層、內外層粘膠與聚乙烯層(PE)材料脫粘分層等失穩失效問題，如圖2所示。因此為了增強各層之間的粘合性，除了選擇內外層材料外，還需對粘合劑選擇及芯管、鋼絲等方面進行相關處理。

圖2 聚乙烯管失穩失效Fig.2 Unstable failure of polyethylene pipes

2.1 粘結樹脂選擇

粘結樹脂的質量會直接影響鋼塑的復合質量[4]，增強聚乙烯管質量很大程度上與熱熔膠粘合樹脂的粘性存在很大關系，因此選擇耐蝕性好、強度高、耐水性好[3]、并對聚乙烯和鋼絲材料均有優異粘接性的熱熔膠膠黏劑，以保證涂覆粘結、涂覆質量和牢固度，達到提高剝離強度、使用性能和延長使用壽命的目的。

2.2 鋼絲脫脂、除塵

增強聚乙烯管增強層所采用的鋼絲由于在運輸和儲存的過程中，不可避免存在鋼絲表面粘油、表面生銹、表面積塵等問題，從而導致鋼絲與粘合層粘合強度降低，影響復合管的強度和性能，因此需要對鋼絲進行脫脂、除銹、除塵處理。鋼絲脫脂、除銹可采用甲乙酮溶劑擦拭鋼絲網表面，然后用砂紙打磨鋼絲表面以增加表面粗糙度[5]，提高鋼絲與熱熔膠的粘合性。此外，也可以采用化學處理方法，通過化學脫脂溶劑噴淋鋼絲，然后水洗后烘干處理。

2.3 芯管外表面與外層內表面處理

由于芯管和外層均采用雙層復合共擠一次成型工藝，該工藝特點是一次成型，密閉空間進行，沒有與油污、灰塵等接觸，因此對芯管外層表面和外保護層內層不需要特殊處理，這是纏繞式增強聚乙烯管復合共擠成型工藝優點。

3 纏繞式增強聚乙烯(PE)管生產工藝研究

為了提高纏繞式增強聚乙烯(PE)管使用性能，提高增強鋼絲網骨架與芯管和外層涂覆層結合強度，防止分層現象的發生，因此針對現有技術的不足，采用芯管內層與芯管外層雙層復合共擠一次成型工藝以及外保護層內層與外保護層外層一次共擠成型，該工藝采用兩套復合共擠模具以及未經包覆處理的裸絲，不僅能降低生產線的設備投入，降低成本，而且獲得的復合管各層之間粘結更加牢固，強度更高，從而減少現有產品存在的鋼絲易抽絲等隱患。

對生產DN100/DN125/PN8Mpa/PE100增強聚乙烯復合管生產工藝過程進行了研究，其主要生產工藝過程如圖3所示[6]。

圖3 纏繞增強聚乙烯管成型工藝過程Fig.3 Forming process of winding reinforced polyethylene pipe

3.1 芯管雙層復合共擠一次成型工藝

芯管用塑料PE100和粘結劑樹脂520#分別通過芯管擠塑機和熱熔膠擠塑機擠出進入芯管雙層復合共擠模具，一次成型后得到內層為PE100、外層為粘結劑520#的芯管胚料，然后通過真空定徑、冷卻箱冷卻得到雙層復合一體的成品芯管，其內徑為DN100、外徑為DE115，芯管內層PE100厚度為6.5 mm、粘結劑厚度為1 mm。

3.2 增強鋼絲纏繞工藝

將上一工序得到的成品芯管通過牽引機送入纏繞機，在纏繞機中將經過處理的裸鋼絲采用雙層交叉、260根、成54°纏繞在成品芯管的外表面形成增強骨架，然后通過牽引機牽引進入溫控箱，通過溫控箱加熱升溫達到熱熔膠粘合樹脂和增強網骨架粘合的溫度，將增強鋼絲網牢固粘合在芯管上，緊接著將纏繞好的增強網骨架的成品芯管進入下一工序中。

3.3 外保護層雙層復合共擠成型工藝

將纏繞好增強網骨架的成品芯管送入外保護層復合共擠模具之中，通過熱熔膠擠塑機擠出粘結樹脂、外保護層擠塑機擠出PE100塑料溶體、標線擠塑機擠出添加色母的PE100級塑料溶體分別進入外保護層復合共擠模具，經過外保護層雙層復合共擠一次成型，在增強網骨架的成品芯管外表面定徑擠出外保護層，得到外徑為DN125、外保護層內層粘結樹脂厚度為 1 mm、外保護層外層厚度為2 mm的增強復合管成品。

通過以上復合共擠一次成型工藝獲得的增強聚乙烯管使得復合各層之間粘結更加牢固，由于采用裸鋼絲直接纏繞，減少了鋼絲過塑生產線，同時也減少過塑鋼絲熱熔膠樹脂被劃傷、與鋼絲發生剝離等缺陷，這不僅減少設備投入、降低成本，而且得到質量更好的增強聚乙烯質量。經過實際工程應用檢驗，效果很好；通過檢測，剝離強度由100 N/cm2提高到200 N/cm2，設計壓力達到8.0 MPa，爆破壓力達到了28.0 MPa。

4 結 論

纏繞增強聚乙烯復合管熱熔膠的性能、生產過程中質量控制以及生產成型工藝將直接影響到管材的性能，在選擇合適的熱熔膠粘合樹脂基礎上，選取合理的成型工藝能夠有效提高剝離強度和爆破壓力。通過裸絲表面除脂、除銹處理，采用芯管雙層復合共擠一次成型工藝、裸絲纏繞工藝以及外保護層復合共擠成型工藝，能夠縮短制造工藝過程、減少了設備投入、降低了成本、提高了剝離強度和爆破壓力，使剝離強度達到了200 N/cm2，爆破壓力達到28.0 MPa。