喷涂缠绕保温管聚乙烯外护层壁厚减薄成因

　　销售经理刘经理   概述由喷涂缠绕工艺生产的预制直埋保温管自2010年应用于集中供热（供冷）工程以来取得了较好效果，目前国内生产能力已达到DN 1 400 mm。喷涂缠绕工艺具有聚氨酯保温层和聚乙烯（PE）外护层厚度任意调整的特点，缩短了生产组织时间，能快速满足工程需要。减少了聚氨酯、聚乙烯的用量，节约材料成本，为工程设计、建设和使用单位提供更大的选择空间。
　　
　　采用喷涂缠绕工艺生产的保温管不仅聚氨酯保温层厚度均匀，而且聚氨酯密度、抗压强度、热导率等核心技术指标也比较理想。通常认为，与供热领域传统生产工艺（管中管工艺）相比，相同规格喷涂缠绕保温管的PE外护层可实现减薄，但减薄成因鲜有报道，本文对喷涂缠绕保温管PE外护层壁厚减薄成因进行探讨。为方便讨论，将采用管中管工艺生产的保温管称为管中管保温管，较外层为PE外护管；将采用喷涂缠绕工艺生产的保温管称为喷涂缠绕保温管，较外层为PE外护层。
　　
　　2   成因分析确定PE外护管（层）壁厚时主要考虑以下因素：对防腐的要求；PE外护管（层）应力水平的要求；埋地条件下承受垂直土压力的要求；管材在吊装运输储存过程中的防护要求；接头补口电热熔焊接、承受土壤应力要求。
　　
　　防腐要求PE外护管（层）主要作用之一是防止外界水侵入聚氨酯保温层中，保证聚氨酯保温效果和杜绝钢管腐蚀［1］。GB/T 23257—2009《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》*3.2条从防腐要求出发对PE外护层较小厚度进行了规定（见表1），并指出对于防腐要求较高的地区，PE外护层应选取加强级较小厚度。由表1可知，出于防腐要求，PE外护层厚度仅为2~4 mm即可以满足要求。
　　
　　表1   GB/T 23257—2009要求的PE外护层较小厚度外护管(层)应力水平要求①供热领域保温管传统制造工艺受供热领域保温管传统制造工艺（管中管工艺）的限制，若PE外护管壁厚过小，无法实现挤出成型。而喷涂缠绕保温管生产工艺则不同，3 mm厚的PE外护层也能实现挤出缠绕成型。
　　
　　对于供热领域保温管传统制造工艺，聚氨酯发泡工艺分为倾斜发泡、水平发泡。倾斜发泡工艺指聚氨酯原料灌注时保温管倾斜一定角度，聚氨酯原料注料孔通常位于保温管的较高位置，完成聚氨酯原料灌注后，将保温管调整至水平位置直至完成整个发泡过程。水平发泡工艺指在整个发泡过程中保温管始终处于水平位置，聚氨酯原料注料孔位于保温管中间位置。
　　
　　无论采用倾斜发泡工艺还是水平发泡工艺，都存在聚氨酯泡沫密度分布不均的问题。为了保证任一点聚氨酯泡沫密度不低于GB/T 29047—2012《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》规定的60 kg/m3，聚氨酯发泡时往往采取过度灌注聚氨酯原料的方法。由于聚氨酯原料注料量较大，聚氨酯泡沫成型过程中保温层内聚氨酯发泡压力较高，可达0.15~0.25 MPa，聚氨酯发泡后，PE外护管将产生较大的环向应力。
　　
　　我们采用分度值为1 mm的钢卷尺对工作钢管规格为DN 1 000 mm，PE外护管外直径为1 155 mm，壁厚为15 mm，长度为12 m的管中管保温管，在发泡前后对不同测点的PE外护管外周长进行测量，计算发泡前后PE外护管的膨胀率。测点位置分别距端头1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、5.8、6.8 m，发泡前后不同测点的PE外护管外周长与膨胀率见表2。由表2可知，距端头的不同位置，发泡前后PE外护管存在不同的膨胀率。为了控制PE外护管膨胀率不**过2%（实际上是为了控制PE外护管的应力水平），PE外护管必须制作成较大的壁厚。
　　
　　表2   发泡前后不同测点的PE外护管外周长与膨胀率②石油领域保温管制造工艺不同工艺对PE外护管厚度的要求存在较大差异，石油领域SY/T 0415—1996《埋地钢质管道硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温层技术标准》对PE外护管厚度的要求较低，主要原因是发泡工艺不同于供热领域。
　　
　　a.管中管工艺对于石油领域的管中管工艺，聚氨酯原料灌注采用沿保温管轴向抽拉的注料方式，由于聚氨酯原料分布比较均匀，发泡时产生的压力较低，PE外护管应力水平也较低。
　　
　　对管中管工艺不同工作钢管外直径条件下的PE外护管厚度进行了规定：对于外直径小于或等于159 mm的工作钢管，PE外护管的壁厚及偏差为（2.0±0.2）mm；对于外直径219~273 mm的工作钢管，PE外护管的壁厚及偏差为（3.0±0.2）mm；对于外直径325~377 mm的工作钢管，PE外护管的壁厚及偏差为（4.0±0.2）mm；对于外直径大于或等于426 mm的工作钢管，PE外护管的壁厚及偏差为（4.5±0.2）mm。
　　
　　b.一步法工艺一步法工艺因PE外护管挤出与聚氨酯发泡同步进行，聚氨酯原料分布均匀，聚氨酯发泡产生的压力低，PE外护管应力水平也比较低。对于一步法工艺，SY/T 4015—1996规定：对外直径小于或等于159 mm的工作钢管，PE外护管的壁厚及偏差为（1.4±0.2）mm；对于外直径大于159 mm的工作钢管，PE外护管的壁厚及偏差为（1.6±0.2）mm。
　　
　　③喷涂发泡工艺喷涂发泡工艺先进行聚氨酯喷涂发泡，待聚氨酯泡沫固化后再进行熔融状的PE带缠绕，因PE外护层不承受发泡压力，仅存在冷却成型产生的收缩应力，而且冷却收缩应力较低，仅与成型工艺（加工温度和冷却速度）有关。
　　
　　在喷涂缠绕工艺中，环向收缩率作为PE外护层一项重要技术指标进行控制，环向收缩率越大，PE外护层应力水平越高，危害越大。在PE外护层成型过程中，将PE原料在挤出机中加热，然后将挤出的熔融状PE带缠绕到聚氨酯泡沫上，通过水冷却后，完成PE外护层成型。在此过程，PE外护层由熔融状态冷却到室温状态时会产生收缩，而聚氨酯泡沫又限制了其自由收缩。因此，在喷涂缠绕保温管PE外护层中，产生与其自由收缩形变对应的收缩应力，当我们环向切开PE外护层时，PE外护层将产生收缩。
　　
　　我们分别对工作钢管规格为DN 900、800 mm的喷涂缠绕保温管（每种规格选取2根进行测量）进行环向收缩率测量，由于PE外护层缠绕成型工艺稳定，因此仅测量喷涂缠绕保温管端头部位PE外护层的环向收缩率。
　　
　　这两种规格喷涂缠绕保温管聚氨酯保温层厚度均为50 mm，DN 900 mm喷涂缠绕保温管的PE外护层厚度为6 mm，DN 800 mm喷涂缠绕保温管PE外护层厚度为5 mm。
　　
　　测量PE外护层环向收缩率时，应以成型后在室温下至少放置16 h的喷涂缠绕保温管作为测量对象。在距PE外护层端面不小于100 mm处沿环向切取宽度不大于100 mm的圆环。切取前，用彩笔沿整个圆周划两个圆（见图1a中圆1、2），平行偏差不大于2 mm，在圆环区域内划一条平行于保温管轴向的线段（见图1a中线段3），用分度值为1 mm的钢卷尺对两个圆的周长进行测量并进行记录。然后，用切割工具（手持圆盘锯）先对图1a中圆1、2进行切割，然后切割线段3，切割后圆1、2变为图1b中线1、2。切割完毕放置20 min后，用分度值为1 mm的钢卷尺测量图1b中线1、2的长度。
　　
　　图1   喷涂缠绕保温管切割位置本次测量时，在距PE外护层端面100 mm处沿环向切取宽度为100 mm的圆环，手持圆盘锯的锯片厚度为3 mm。根据测量结果，由式（1）计算PE外护层的环向收缩率：表3   DN 900 mm喷涂缠绕保温管PE外护层环向收缩率表4   DN 800 mm喷涂缠绕保温管PE外护层环向收缩率④应力水平评价PE外护管（层）环向应力与膨胀率（环向收缩率）的定量关系式为：比较表2与表3、4数据，并由式（2）可知，喷涂缠绕保温管PE外护层的应力水平小于管中管保温管的PE外护管。
　　
　　外护管（层）膨胀率、收缩率是评价PE外护管（层）在生产过程中产生环向应力大小的重要指标，外护管（层）环向应力越大，管材在储存、吊装和运输过程承受外力撞击的能力越低，越有可能因外力撞击而破裂。因此，在生产过程中要严格控制外护管（层）的膨胀率、环向收缩率。
　　
　　由以上分析可知，喷涂缠绕工艺的较显着特点是PE外护层的环向应力水平较低，因此管材抗外力冲击的能力也相应提高。PE外护管（层）的环向应力伴随保温管的整个寿命周期，若PE外护管（层）存在较高的环向应力，在储存、吊装运输等环节遇到较大外力撞击时易造成PE外护管（层）破损，尤其在环境温度低于10 ℃条件下，聚氨酯强度提高，硬度增大，PE外护管（层）韧性降低［2］，脆性增大，在受到外力撞击时更易破损。我们根据GB/T 1043.1—2008《塑料简支梁冲击性能的测定*1部分：非仪器化冲击试验》，在环境温度分别为23、0、-20 ℃条件下，对PE80级牌号的PE试片（试片根据GB/T 1043.1—2008要求制作）进行不同环境温度条件下的简支梁缺口冲击强度试验。试验结果表明，随着环境温度的降低，试片抗冲击能力明显下降。相比环境温度23 ℃条件，环境温度-20 ℃条件下试片的抗冲击能力下降了45.8%。
　　
　　埋地条件承受垂直土压力要求①理论分析埋地条件下，保温管承受土壤静载荷和机动车动载荷，易引起PE外护管（层）、聚氨酯保温层的破坏失效、过度变形失效以及屈曲变形失效。实际上，前两种失效模式不易发生，而外载荷作用下的屈曲变形失效模式对于保温管道比较危险，往往导致保温管在后期运行中发生失稳破坏，并使得接头补口位置发生破坏，较终导致地下水进入聚氨酯保温层。
　　
　　在土壤静载荷的作用下，PE外护管（层）、聚氨酯保温层先是均匀收缩变形（见图2），当土壤静载荷达到一定程度后出现屈曲变形而失去自身原有圆形，呈现出压扁（椭圆形）或褶皱现象（见图3）。图3中n为屈曲变形的节点数。一般而言，n=2，即椭圆形状的屈曲变形较容易发生。屈曲变形容易进一步发展成为聚氨酯保温层不可恢复的形变，使聚氨酯保温层开裂破损，PE外护管（层）严重变形，接头补口遭到破坏。
　　
　　图2   PE外护管（层）、聚氨酯保温层在土壤静载荷作用下的均匀收缩变形图3   土壤静载荷达到一定程度后出现的屈曲变形当存在土壤静载荷、机动车动载荷时，总垂直土压力pcom的计算式为［3］：根据式（3），可计算得到DN 200~1 000 mm保温管在不同埋深条件下的总垂直土压力，见表5、6。
　　
　　②试验验证在喷涂缠绕保温管PE外护层厚度明显减薄的情况下，采用试验方法对喷涂缠绕保温管施加总垂直土压力，验证喷涂缠绕保温管PE外护层厚度安全性。
　　
　　表5   DN 200~1000 mm保温管在不同管**埋深条件下的总垂直土压力表6   DN 200~1000 mm保温管在不同管**埋深条件下的总垂直土压力试验选取DN 600、900 mm喷涂缠绕保温管作为试样，DN 600 mm喷涂缠绕保温管聚氨酯保温层厚度为53 mm，PE外护层厚度为5 mm；DN 900 mm喷涂缠绕保温管聚氨酯保温层厚度为53 mm，PE外护层厚度为6 mm。
　　
　　由表5、6数据可知，直埋保温管覆土越浅，所承受的总垂直土压力越大。因此，选取埋深较浅（0.6 m）时的总垂直土压力作为压力试验机施加载荷进行试验（见图4）。试验结果表明，DN 600、900 mm保温管的PE外护层和聚氨酯保温层均未损坏。
　　
　　图4   喷涂缠绕保温管垂直土压力破坏试验吊装运输储存的防护要求①尖锐物（石块）破坏试验保温管在储存过程中，若PE外护管（层）过薄，尖锐硬物易造成PE外护管（层）破损。PE外护管（层）破损程度与码放管材的重量成正相关性，与PE外护层壁厚及管材与地面接触面积成负相关性。
　　
　　我们选取DN 500~1 400 mm喷涂缠绕保温管，针对各种规格保温管不同的码放层数计算对应的单位PE外护层厚度承受的压力（计算结果见表7）。计算时按照每层1根保温管计算，单根长度为12 m，聚乙烯密度按950 kg/m3计算，聚氨酯泡沫密度按70 kg/m3计算。由表7可知，DN 600 mm喷涂缠绕保温管的单位PE外护层厚度承受的压力较大，因此选取长度为8 m的DN 600 mm喷涂缠绕保温管进行尖锐物（石块）破坏试验。
　　
　　在试验中，将3根长度为8 m的DN 600 mm喷涂缠绕保温管码放3层，每层1根，并采取防塌落保护措施。在码放3层的管材底部沿轴向放置不规则带棱角的石块，石块间距为1.0~1.2 m，环境温度为15 ℃。试验后观察到PE外护层无破损，这说明其他规格喷涂缠绕保温管的PE外护层厚度也可经受尖锐物（石块）破坏试验。
　　
　　②撞击试验a.常温跌落试验在环境温度15 ℃时，用叉车将长度为4 m，PE外护层厚度4.5 mm的DN 600 mm喷涂缠绕保温管距地面1.75 m向地面抛掷，管材落地后撞击混凝土地面，PE外护层完好、无缺陷。
　　
　　b.低温撞击试验低温撞击试验按GB/T 29046—2012《城镇供热预制直埋保温管道技术指标检测方法》*6.5节，采用3.0 kg落锤从2 m高处落下，对PE外护层进行落锤冲击试验，落锤至撞击位置垂直高度为2 m。选取PE外护层厚度为4.5 mm的DN 800 mm喷涂缠绕保温管，保温管在冷库中放置4 h后进行试验，冷库内温度设定为-20 ℃。试验后观察到，落锤冲击位置的PE外护层没有出现可见的裂纹和破损。
　　
　　c.低温储存试验为验证喷涂缠绕保温管PE外护层的质量，2011年10月我们将DN 800 mm喷涂缠绕保温管运至内蒙古呼伦贝尔市鄂伦春旗大杨树镇进行产品低温储存试验，该地区1月的室外温度为-25~-40 ℃，喷涂缠绕保温管低温储存场地见图5。4个月后，喷涂缠绕保温管PE外护层无损坏。
　　
　　接头补口要求①电热熔焊接要求喷涂缠绕保温管PE外护层接头补口采用电热熔焊接工艺，由于喷涂缠绕PE外护层比较薄，加热电压和电流不宜过大。通过反复试验，为保证喷涂缠绕接头补口质量，PE外护层的厚度不应小于4 mm。
　　
　　表7   各种规格喷涂缠绕保温管不同的码放层数对应的单位PE外护层厚度承受的压力图5   喷涂缠绕保温管低温储存场地②土壤应力试验喷涂缠绕保温管PE外护层厚度的减薄，是否会对接头补口部位的质量产生影响，需通过对成品试件的土壤应力试验（砂箱试验）进行检验。依据GB/T 29046—2012*7.1节的规定进行砂箱试验，试验时往复推拉次数为GB/T 29046—2012规定值的2倍（即200次）。
　　
　　成品试件选取DN 600、900 mm喷涂缠绕保温管，DN 600 mm喷涂缠绕保温管的聚氨酯保温层厚度为53 mm，PE外护层厚度为5 mm。DN 900 mm喷涂缠绕保温管的聚氨酯保温层厚度为53 mm，PE外护层厚度为6 mm。接头补口采用电热熔焊接工艺。
　　
　　砂箱试验后的接头补口外观见图6。由图6可知，砂箱试验后两种规格的接头补口位置均完好无破损。根据GB/T 29046—2012*7.1.3条进行水密封试验（将试件浸入密闭的水箱中，水温(23±2)℃，使水着色并增压至30 kPa，保持恒压24 h），水密封试验结束后，切开接头未发现水渗入接头内部。
　　
　　砂箱试验结果说明，喷涂缠绕保温管PE外护层厚度是安全的，补口工艺适宜，补口质量满足管网运行质量要求。
　　
　　3   结论①喷涂缠绕工艺在保温管制造技术方面取得了突破。一方面，喷涂缠绕工艺可以根据具体工程输送介质的温度，定量地确定经济合理的聚氨酯保温层厚度。另一方面，由于喷涂缠绕保温管PE外护层的应力水平较低，PE外护层仅考虑满足防腐、防护、接头补口等要求的厚度，与供热领域传统的管中管工艺相比，降低了PE外护层厚度。从这两方面考虑，保温管制造成本可得到有效控制。
　　
　　图6   砂箱试验后的喷涂缠绕保温管接头补口外观②自2010年以来，喷涂缠绕保温管已应于四川、贵州、宁夏、河南、山东、北京、天津等集中供热（供冷）项目，产品规格涵盖DN 500~1 400 mm。逾6年的平稳运行证明，喷涂缠绕保温管PE外护管在减薄条件下是安全可靠的。