鋼塑復(fù)合管端部密封技術(shù)的研究

賈明印,薛 平,李愛軍,丁 筠

鋼塑復(fù)合管端部密封技術(shù)的研究

賈明印,薛 平,李愛軍,丁 筠

(北京化工大學(xué)塑料機械及塑料工程研究所,北京100029)

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

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

國內(nèi)鋼塑復(fù)合管發(fā)展很快,目前在上海、北京、深圳、杭州、重慶、福州、蘇州等地已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,僅在上海就有90%以上的高層建筑采用鋼塑復(fù)合管,在發(fā)達(dá)國家地區(qū)(如日本、歐洲、美國)更是得到了廣泛使用[1]。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,鋼塑復(fù)合管必將迎來更大的發(fā)展空間。為防止復(fù)合管端面裸露的鋼骨架或鋼絲網(wǎng)在使用過程中受腐蝕破壞,影響復(fù)合管的使用壽命,在使用中需對復(fù)合管的端部進行密封。自從鋼塑復(fù)合管行業(yè)誕生以來,端部密封技術(shù)一直在該行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)諱莫如深,幾乎在所有相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)中均是盡可能避而不談,其原因在于其是該行業(yè)的一個技術(shù)缺陷,在很大程度上制約著該產(chǎn)品的壽命和安全性,自從該產(chǎn)品在國內(nèi)面世以來的10余年內(nèi)均沒能得到有效解決,極大地限制了該行業(yè)的發(fā)展。隨著鋼塑復(fù)合管應(yīng)用的不斷深入,鋼塑復(fù)合管的端部密封技術(shù)成了一個重要問題,端面密封是影響其結(jié)構(gòu)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(zhì),如天然氣和煤氣等,結(jié)構(gòu)一旦破壞后果不堪設(shè)想,鋼塑復(fù)合管的端部密封技術(shù)是影響塑料管道能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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

1 鋼塑復(fù)合管的生產(chǎn)概況

鋼塑復(fù)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(fā)展到管道內(nèi)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(fù)合管的研究雖然遲于西方,但發(fā)展很快,到了70年代后期,鋼塑復(fù)合管已經(jīng)廣泛應(yīng)用于給水、排水、消防、化工等各個領(lǐng)域。日本對自來水水質(zhì)十分重視,從20世紀(jì)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(fù)合管的使用提供了一個很廣闊的領(lǐng)域。于是逐漸形成了ΦJ WWA K110“硬質(zhì)聚氯乙烯襯里鋼管規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)”和ΦJ WWA K132“聚乙烯粉末涂敷襯里鋼管規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)”,尤其是該標(biāo)準(zhǔn)中的外鍍鋅內(nèi)襯(涂)塑復(fù)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(xiàn)有供水網(wǎng)絡(luò)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(fù)合管的年使用量達(dá)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(qū)政府發(fā)文禁止新建樓房內(nèi)使用無搪層的鍍鋅鋼管作供水設(shè)備。于是日本、韓國、新加坡的外鍍鋅內(nèi)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(fù)合管在我國正處于發(fā)展時期,年產(chǎn)量為1.0×108～1.3×108m,規(guī)格為Φ45～Φ630。目前,國內(nèi)鋼塑復(fù)合管的品種較多,但在國內(nèi)形成一定規(guī)模、并有一定市場的鋼塑復(fù)合管材主要有給水涂塑復(fù)合鋼管、給水襯塑復(fù)合鋼管、鋼塑復(fù)合壓力管、不銹鋼塑料復(fù)合管、給水用孔網(wǎng)鋼帶聚乙烯復(fù)合管、內(nèi)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(nèi)自主開發(fā)的新品鋼塑復(fù)合管,其成型加工設(shè)備已出口國外。我國鋼塑復(fù)合管的生產(chǎn)企業(yè)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(fù)合管廠、天津利豐源鋼管有限公司、廣東東方管業(yè)有限公司,中科華飛管業(yè)有限公司等,其產(chǎn)量正逐步擴大。但是,國內(nèi)鋼塑復(fù)合管材的生產(chǎn)缺陷主要有以下幾點：(1)國內(nèi)生產(chǎn)鋼塑復(fù)合管所用的塑料(包括粉末和管材)品種不全。國內(nèi)生產(chǎn)塑料原料的廠家很多,但沒有鋼塑復(fù)合管所用的專用料。例如,聚乙烯粉末的附著力指標(biāo)還達(dá)不到國外標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求,用于供熱水的環(huán)氧粉末也沒完全解決;(2)生產(chǎn)廠的規(guī)模普遍較小,設(shè)備技術(shù)水平啟動化程度不高,因而難以降低產(chǎn)品的成本和保證產(chǎn)品品質(zhì);(3)與鋼塑復(fù)合管配套的管件、閥門的品種、數(shù)量還不能滿足要求;(4)鋼塑復(fù)合管材的端部密封技術(shù)落后,嚴(yán)重影響和限制了鋼塑復(fù)合管的應(yīng)用與發(fā)展;(5)市場混亂,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)落后,跟不上市場和技術(shù)發(fā)展的需求。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會綜合(2007)100號文件“關(guān)于下達(dá)2007年第五批國家標(biāo)準(zhǔn)修訂計劃的通知”的要求,由相關(guān)單位編制了《鋼塑復(fù)合管》國家標(biāo)準(zhǔn)(編號為 20077232-T-605)。新的標(biāo)準(zhǔn)以 CJ/T 136—2007《給水襯塑復(fù)合鋼管》和 CJ/T 120—2007《給水涂塑復(fù)合鋼管》兩個國家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)制訂。目前,《鋼塑復(fù)合管》標(biāo)準(zhǔn)報批稿經(jīng)3次會議討論已形成,且已上報中國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會。新標(biāo)準(zhǔn)對鋼塑復(fù)合管的尺寸和質(zhì)量及允許偏差、耐火性能、帶低溫性能等技術(shù)要求均提出了明確規(guī)范[3]。

2 鋼塑復(fù)合管端部密封技術(shù)的研究現(xiàn)狀

連續(xù)成型的鋼塑復(fù)合管在按一定長度截斷之后,其兩端頭上的鋼管或鋼絲網(wǎng)將暴露在外,為了保證鋼塑復(fù)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(wǎng)可靠地封入塑料層內(nèi)。但是一直以來,這個問題始終未能得到很好解決。鋼塑復(fù)合管的端部密封技術(shù)總體上經(jīng)歷了3代技術(shù)的發(fā)展,主要包括：第一代注塑封口技術(shù)、第二代對接焊封口技術(shù)和第三代自熔密封技術(shù)。

2.1 第一代注塑封口技術(shù)

第一代注塑封口技術(shù)是最早應(yīng)用于鋼骨架塑料復(fù)合管的端部密封技術(shù),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(fù)合管的端面上,將管道端部及內(nèi)壁與裸露的鋼骨架隔離。成型設(shè)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(shè)備示意圖如圖1所示。

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

注塑封口的生產(chǎn)過程是先利用旋風(fēng)車床對管材端面部進行封口車削,使之達(dá)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(shè)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(tài),封口外徑尺寸大于管材本體外徑尺寸,車削后與相應(yīng)的錐形封口電熱熔套筒配合使用。

第一代注塑封口技術(shù)是沿用時間最長的封口技術(shù),該工藝只將管道端部內(nèi)壁與裸露的鋼骨架隔離,即所謂的“封內(nèi)不封外”,塑料收縮后鋼骨架很容易將端面封口塑料頂開,導(dǎo)致鋼骨架裸露、密封失效;輸送的介質(zhì)也很可能通過外壁滲入鋼骨架進而對其產(chǎn)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(shù)完成一次封口需要時間長達(dá)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(shù)瓶頸。第一代注塑封口技術(shù)在封口前和封口后需要對鋼(鋁)塑復(fù)合管的端面進行打磨車削,該工序不但增加生產(chǎn)成本,而且打磨現(xiàn)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(shù)

為解決第一代注塑封口技術(shù)存在設(shè)備投資大、能耗大、封口品質(zhì)差等技術(shù)缺陷,2004年,國內(nèi)科研機構(gòu)開發(fā)了第二代塑料對接焊封口技術(shù)。對接焊的封口原理是將塑料環(huán)與復(fù)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(huán)和鋼塑復(fù)合管的端面塑料熔融,使兩者融合在一起,實現(xiàn)端面裸露的鋼骨架或鋼絲網(wǎng)密封。封口設(shè)備一般包括一套打磨裝置和車削裝置、一套卡環(huán)和模架等。生產(chǎn)照片如圖2所示。

對接焊封口的生產(chǎn)過程是將待焊復(fù)合管材和封口環(huán)端面用一定的壓力緊靠在一個預(yù)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(dá)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(huán)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(shù)的生產(chǎn)照片F(xiàn)ig.2 Production photo for the second-generation butt welding sealing technology

第二代塑料對接焊封口技術(shù)的優(yōu)點是設(shè)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(wǎng)骨架塑料復(fù)合管端面密封中正得到廣泛應(yīng)用,也是目前市場的主流技術(shù)。

但是,第二代塑料對接焊封口技術(shù)對復(fù)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(huán)易收縮變形,可能存在與復(fù)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(nèi)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(nèi)不封外”。

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

工程實踐表明,采用第二代塑料對接焊封口技術(shù),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(fù)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(fù)合管向加熱板方向移動,產(chǎn)生的卷邊高度較小,端面塑料也會產(chǎn)生收縮,使鋼骨架層凸顯出來,影響對接焊的品質(zhì);其次,鋼塑復(fù)合管的外壁經(jīng)過車削工序后,仍然有封內(nèi)不封外的問題;第三,內(nèi)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(nèi)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(zhì)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(dǎo)致鋼骨架或者是鋼絲網(wǎng)快速腐蝕,發(fā)生安全事故。

2.3 第三代自熔密封技術(shù)

由于第一代注塑封口技術(shù)和第二代對接焊封口技術(shù)存在封口品質(zhì)差、生產(chǎn)效率低的技術(shù)缺陷,特別是對規(guī)格為dn300以上的大口徑管材,采用第一代注塑封口技術(shù)和第二代對接焊封口技術(shù)均很難實現(xiàn)較好的端面密封,從2007年開始,國內(nèi)的研發(fā)機構(gòu)開始了第三代密封技術(shù)的研究,旨在尋求一種高效、低能耗、高封口品質(zhì)的密封技術(shù)。

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

第三代自熔密封技術(shù)的原理是利用鋼塑復(fù)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(fù)合管的端部,并聚集在復(fù)合管的端部,通過模具的冷卻定型,實現(xiàn)一步法自熔密封。自熔密封設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,密封設(shè)備主要包括熱成型模具、加熱控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、夾具以及支架等。

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

第三代自熔密封技術(shù)的優(yōu)點是利用復(fù)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(fù)合管的內(nèi)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(xù)加工,可省去一些不必要的設(shè)備及其維護,生產(chǎn)過程清潔,無任何污染。第三代自熔密封技術(shù)的開發(fā),克服了現(xiàn)有鋼塑復(fù)合管注塑封口技術(shù)“封內(nèi)不封外”、效率低以及投資成本高、能耗高的技術(shù)缺陷,結(jié)構(gòu)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(nèi)外壁粗糙,后期需要車削和補焊的缺陷。

2.4 3代密封技術(shù)的性能對比

3種封口技術(shù)的性能比較如表1所示。通過對比可以看出,無論在設(shè)備投資、能耗和生產(chǎn)效率上,還是在封口品質(zhì)上,第三代自熔密封技術(shù)均比其他兩種封口技術(shù)具有突出的優(yōu)越性。

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

3 結(jié)語

鋼塑復(fù)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(yīng)用前景。鋼塑復(fù)合管屬于國家級重點新產(chǎn)品、國家級科技成果重點推廣計劃產(chǎn)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(shù)給該產(chǎn)品的安全使用留下了隱患,影響了該產(chǎn)品的推廣應(yīng)用,徹底解決鋼塑復(fù)合管的端部密封問題迫在眉睫,應(yīng)引起生產(chǎn)企業(yè)和科研機構(gòu)的足夠重視。鋼塑復(fù)合管的端部密封完全應(yīng)該從密封原理、密封設(shè)備和密封方法等多方面進行技術(shù)改進和創(chuàng)新,提升鋼塑復(fù)合管的性能指標(biāo),使整個系統(tǒng)性價比更優(yōu),市場競爭力更強,更能體現(xiàn)國家節(jié)能減排的政策導(dǎo)向。建議通過制定和修改行業(yè)技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策,來大力推動鋼塑復(fù)合管行業(yè)的健康發(fā)展。

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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(lián)系人,johnmy2008@sohu.com