钢骨架聚乙烯工程塑料管在纯碱生产中的应用前景分析

李正明 刘存阳

（1.四川和邦股份有限公司，四川乐山，614801；2.北京华创天元有限责任公司，北京，100070）

随着国家对化工行业环保政策的越来越严格，对于纯碱生产企业来说，稳定生产和采用新技术、新工艺，减少或杜绝生产中的跑冒滴漏，是企业面临发展与生存的关键。纯碱生产中的工艺介质化学腐蚀性较强，特别是电化学腐蚀十分明显，表现最为显著地是管道腐蚀。近几年来传统常规的铸铁管已被淘汰，新建纯碱企业或者老的纯碱企业在技改扩建时大多采用316L的不锈钢管道、钢衬塑管道、尼龙管道以及一些其他的非金属管等。

对于不锈钢管道而言，由于纯碱生产母液中氯离子的浓度较高，易于在不锈钢管道焊缝处产生缝隙腐蚀和晶间腐蚀，使用寿命也只有4－5年，且费用较高；钢衬塑管道虽然解决了内防腐的问题，但管道外表面腐蚀依然严重，同时当管内介质温度波动较大时，内衬塑料易于脱落，影响管道使用寿命。因此，采用一种新型非金属管道对于纯碱行业势在必行。

对此，我公司于2008年在新建60万吨联碱/年项目中，大胆选用了由中国航天科工集团华创天元实业发展有限责任公司生产的钢骨架聚乙烯工程塑料复合管代替传统的金属、非金属管用于输送制碱母液，效果良好，为装置连续运行六年不停车创造了良好的条件。

1 钢骨架聚乙烯复合塑料管性能介绍

如何在保持塑料管材良好的基础上，提高其机械强度和抗老化性能，是化工界长期重点研究课题之一。由中国航天科工集团第三研究院与哈尔滨理工大学合作开发的钢骨架聚乙烯工程塑料复合管（以下简称钢骨架聚乙烯管），以优质低碳钢丝网为增强相，进口高密度聚乙烯为基体，在挤出生产线上连续成型的新型双面防腐压力管道，在氯碱、石化、冶金、焦化等行业应用广泛。目前在纯碱行业中的应用也逐步展开，我公司属首家大批量使用厂家。

1.1 聚乙烯的主要物理化学性能

聚乙烯是乙烯的高分子聚合物，属热塑性塑料。它质轻、无毒、具有良好的绝缘性能和耐低温性能；对盐酸、稀硫酸、氢氟酸等非氧化性酸、稀硝酸、碱和盐溶液都有良好的耐腐蚀性，但不耐强氧化性酸和其他强氧化剂的腐蚀；对有机溶剂在常温下具有抗溶胀能力。

在热稳定性方面，聚乙烯的玻璃化温度随结晶度的大小而变化，可以低到－130℃，也可以高到－20℃。但重要的是熔点，不同密度的聚乙烯具有不同的熔点，低密度聚乙烯熔点为110～115℃，高密度聚乙烯的熔点在125～131℃。由于聚乙烯大分子链较柔顺，分子间作用力不大，所以聚乙烯的机械强度主要由结晶时分子紧密堆砌的程度所确定。分子质量的大小对其性能有很大的影响。机械性能在很大程度上取决于聚乙烯的分子质量和支化度。

1.2 钢骨架聚乙烯管的加工工艺

塑料的成型加工是在力求保持或改进原材料原有性能的条件下，将组成和物理形态各不相同的的物料转变成制品。钢骨架聚乙烯管的成型加工就是在聚乙烯的黏流态下进行的。其生产工艺见图1。

图1 钢骨架聚乙烯管加工工艺

表面经过特殊处理的钢丝按经、纬方向在成型机上点接触焊接成网，钢丝的焊接成网与挤出机挤出塑料熔体的过程同步进行，并且均匀复合成型，形成类似与钢筋混凝土的结构，从而保证了管道的承压能力。钢骨架聚乙烯管生产线配以γ射线实时在线检测系统，能够有效控制产品质量，连续产出任意长度的管道，再根据连接方式的不同而选择相应的接头加工工艺。

1.3 钢骨架聚乙烯塑料复合管的施工安装

钢骨架聚乙烯管的安装连接方式，目前主要有法兰连接以及电容连接两种型式。

1.3.1 法兰连接

法兰连接用于钢骨架聚乙烯管与金属管、其他非金属管、阀门、计量仪表和设备的连接。连接方式如图2所示。其接口强度和爆破强度均高于管材本体。

1.3.2 电熔连接

电熔连接用于连接两段直管之间的连接，连接形式如图3所示。连接件电熔套筒除含有钢骨架外，焊接电阻丝采用满布线排列，保证了焊接面积最大化。因此接口强度和爆破强度均高于管材本体。

图2 法兰连接示意图

图3 电熔连接示意图

1.4 钢骨架聚乙烯管的性能特点

产品的性能取决于它所选用的材料及结构，钢骨架聚乙烯管综合起来有以下一些特点。

1.4.1 使用寿命长

钢骨架聚乙烯管已在美国塑料管道协会（PPI）下属的国家级BROTMAN实验室进行了长达2年多的长期静液压强度试验，其长期性试验结果远优于纯塑料管道，如表1所示。

1.4.2 线性膨胀系数低

通过与聚乙烯塑料管、铸铁管进行线性膨胀实验（实验数据见表2）比较发现钢骨架聚乙烯管的线性膨胀系数仅为塑料管道的25%，与铸铁管相当。

1.4.3 优异的抗快速开裂性能

在管道使用过程中，由于突发事件，造成管线突然停运，管内输送的液体介质出现水锤现象，即管道内的压力将在瞬间增至正常输送压力的1.5倍，甚至更高，如果管道外壁存在划痕、碰伤等缺陷，容易造成管道的快速开裂，因此要求管道必须具有优良的抗快速开裂性能。钢骨架聚乙烯管，由于环形钢丝网的存在，径向承受负载能力大大提高，从而改善了管壁部分的抗快速开裂、环境应力开裂性能。从表3可以看出，同PE塑料管道相比，钢骨架聚乙烯管具有优异的抗快速开裂性能。

表1 钢骨架聚乙烯管道与塑料管道长期性能的对比（23℃）

表2 钢骨架聚乙烯管同其他管道线性膨胀系数比较

表3 钢骨架聚乙烯管与纯聚乙烯管道抗快速开裂性能比较

1.4.4 耐冲击性和尺寸稳定性好

钢的弹性模量通常是高密度聚乙烯弹性模量的200倍（见表4）。由于钢骨架的加强作用，钢骨架聚乙烯管的刚性、耐冲击性及尺寸稳定性优于任何一种塑料管；同时网状钢骨架本身的结构特征，又使复合管在轴向保留了适度的的柔性，因此该管道具有刚柔并济的特点，不仅运输和安装方便，而且能够有效承受土层沉降或滑移、地表车辆等造成的动载荷，运行可靠性良好。

表4 几种材料弹性模量的对比

1.4.5 耐腐蚀性能和耐磨损性能良好

钢骨架聚乙烯管的基体材料高密度聚乙烯是一种结晶性非极性材料，化学性质非常稳定，对酸、碱和盐溶液、有机溶剂等约275种腐蚀性介质均有良好的耐腐蚀性。同时它的耐磨损性能是钢管的3倍（见表5），具有良好的耐磨损性能。

表5 钢骨架聚乙烯管与钢管的抗磨损性能比较

1.4.6 内壁光滑，输送阻力小

钢骨架聚乙烯管采用内定型工艺，其内表面比钢管内壁更光滑，绝对粗糙度为0.01mm，而钢管内表面的绝对粗糙度为0.2mm。同等条件下的输送量比钢管高约30%。同时管材管材内壁光滑耐磨，输送阻力小，不结垢，长期运行节能效果显著。

1.4.7 耐老化

工程塑料管道最大的弊病，也是影响其使用寿命最大的问题就是老化，即对紫外线的耐受程度。在工业企业中通常使用的一些工程塑料管道，使用寿命平均在8－10年。而钢骨架聚乙烯管道在生产工艺中由于添加了抗老化剂，增加了管道耐老化的程度，通常地埋管使用寿命可达五十年，而工艺管道使用寿命也不低于二十年。

2 与金属管道及非金属管道的对比分析

2.1 与金属管道的比较

2.1.1 耐蚀性能

铸铁中含有硫、磷、碳等元素，在制碱母液的酸碱环境下，因几种元素的电极电位不同，易与铁元素形成铁－碳原电池，发生去氢腐蚀。

不锈钢材质中虽然含有镍、铬、钛元素，抗母液腐蚀性能较强，对焊接要求较高，但如果焊接质量差，焊缝受到母液冲刷时易产生缝隙腐蚀，同时，母液中含有较高浓度的氯离子，它能对不锈钢产生点蚀及晶间腐蚀脆裂的现象。

钢衬管系碳钢管内壁衬橡胶或塑料的一种复合管道。由于其加工工艺的特点，导致金属材质与橡胶或塑料不能有机的结合在一块，同时两种材质的膨胀系数差别较大，在介质温度变化较大时，会发生脱层，破坏管道的整体结构。根据制碱行业现场环境要求，必须着重考虑管道的外防腐，来确保管道的正常使用寿命。笔者十年前在湖北双环碳化回卤管上就使用过钢衬管，众所周知，索尔维碳化生产工艺中，制碱塔和清洗塔来回倒换，回卤温度变化大，结果钢衬管使用不到三年，内衬塑料与碳钢本体脱落并破损。

相应地，钢骨架聚乙烯管因系以优质低碳钢丝网为增强相，有机材料进口高密度聚乙烯为基体，在挤出生产线上连续成型的有机整体管道，管口采用一次整体封塑，金属元素不外露，故不存在各种化学腐蚀和电化学腐蚀的现象。同时高密度聚乙烯的耐磨性，充分满足了联碱工艺中如碳化取出液、氯化铵取出液等晶浆混合物的冲刷、磨蚀，保证管道的长周期运行。

2.1.2 安装、检修方面

铸铁管、钢衬管因采用法兰连接，故小孔径管子安装、检修都十分方便，但对于口径较大的管子，安装、更换却十分困难，检修工的劳动强度比较大；由于管道定尺长度较短，连接点较多，增加了管道的泄漏点，维护成本较高。

不锈钢管因壁薄，重量较轻，吊装较方便；但安装时，对焊接要求较高，现场施工要求条件苛刻，且加工价格昂贵，使用成本较高。

钢骨架聚乙烯管重量轻，DN50～DN250口径管道现场安装不需起重设备，连接的形式可采用法兰连接、电熔套筒。安装时，只需处理管口段表面和连接套筒内表面氧化层，用扶正器连接吻合后，使用专用焊接设备自动焊接成型。法兰连接采用对开环换套法兰，适用各种现场工艺条件，安装、检修十分方便。

2.2 与非金属管道比较

2.2.1 管道支架间距

非金属管道除了上述一个共同特点易老化外，还有一个通病就是强度低，因此当管道架空敷设时，管道需要的支架比较多，尤其是对于小口径的非金属管，支架间距密，表6列出了几种在工业企业中常用的非金属管道支架敷设表。

表6 非金属管道架空敷设间距表

由表6看出，除钢骨架聚乙烯管（SPE）外，管径小于200mm的非金属管道，管支架间距均不超过2m，而钢骨架聚乙烯管由于在纯聚乙烯管内增加了钢丝作为整根管道的骨架支撑，而强度成倍增加，降低了安装成本。

2.2.2 耐压

一般塑料管道的承受压力不会超过1.0MPa（塑料管道外缠FRP的除外），而钢骨架聚乙烯管承受压力可以达到1.6MPa，100mm小口径管甚至承受压力能达到4.0MPa。

2.2.3 安装施工

如上述表6中的塑料管道除尼龙管是法兰连接外，其他的塑料管都采用粘接或者加热焊接型式，特别是粘接的管道，胶水用量大，既费工又费时，而钢骨架聚乙烯管前面已经叙述可以采用法兰连接及电熔连接两种型式。电熔连接实际上也是采用焊接型式，电熔套筒内已埋置了电阻丝，施工时只需将焊机的焊线插在电熔电阻丝的接口上通电即可；而法兰连接的，施工时像传统的铸铁管一样只需上螺栓施工（比铸铁管轻得多），施工非常方便。

3 钢骨架聚乙烯管在纯碱生产中的适用范围

3.1 纯碱生产工艺条件分析及适用位置

根据钢骨架聚乙烯管的特性结合纯碱生产工艺条件，我们做如下分析。

纯碱母液组分复杂，母液中含有NaCl、NaHCO3、Na2CO3、NH4OH、NH4HCO3、NH4Cl、Na2SO4、（NH4）2SO4等组分，腐蚀性较强，极易生成结晶，流速较低时容易产生疤块。对上述情况钢骨架聚乙烯管均具有较好的耐腐蚀性和耐磨损性、不易结疤。钢骨架聚乙烯管适用于下列管道：重碱AII管，清洗AII管，MI管，过滤洗水管，综合回收塔的淡液管，废淡液管，碳化塔冷却水管；煅烧冷凝液管，洗涤液管；氯化铵的清洗AI管，AI管，MII溢流管，MII管，滤液管等。但不适用经常用蒸汽吹堵的固液比较高的结晶管线，如碳化取出管、结晶取出管等。

3.2 钢骨架聚乙烯管在纯碱生产中的使用效果

我公司60万吨/年联碱装置上述管道都采用了钢骨架聚乙烯管，从2009年9月份投产至今，已连续运行6年的时间，无渗漏、破损现象，尚未出现需要检修的部位，使用效果甚为理想。

从管道内表面磨损程度来看，几乎为零；从管内堵塞情况来看，管内长期无结疤，无堵塞现象；从现场管道外观来看，颜色基本上和新管颜色一致，且管道无渗漏现象，解决了过去联碱厂房内管道到处挂“白胡子”的景观。

4 前景分析

钢骨架聚乙烯管在我公司使用6年来，取得了显著的效果。综合分析，该管道具备以下特点：

（1）安装、维修方便，节省工时，降低了施工劳动强度。

（2）无泄漏，大大改善了工人的操作环境和车间的环境卫生，基本上杜绝了跑冒滴漏，使我厂达到了清洁生产的要求，同时降低了生产成本。

（3）不需涂漆防腐，适应于操作环境恶劣，外表面易受腐蚀的场合，降低了工程综合成本。

（4）材质轻，外表美观，内壁光滑，介质在管内流动阻力小，可节省动力消耗，有利于节能降耗。

（5）可节省大量钢材，符合“以塑代钢”产业政策导向。

（6）使用寿命长，虽然只是用6年，从使用情况来看，估计寿命能达到20年。

（7）价格适中，介于碳钢管与304不锈钢之间（现在304不锈钢管道不宜用于联碱母液管），比316L不锈钢以及其他一些非金属管都便宜。

通过在我公司今年6年来的使用效果来看，改变了过去纯碱企业生产现场大量跑、冒、滴、漏，到处挂白的现象，改善了现场的作业环境。钢骨架聚乙烯管在纯碱生产中逐步取代传统的工艺管道大有前途，该管道在制碱行业值得大力推广。