一种新型超高分子量聚乙烯增强管的制备

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一种新型超高分子量聚乙烯增强管的制备

卢意，秦步祥，于雯
(泰州职业技术学院， 江苏 泰州 225300)

目前国内外大部分使用的是PE100聚乙烯材料管道，这种管道性能优良，但在高压工作环境下的壁厚较厚。介绍了一种新型超高分子量聚乙烯增强管，该管道由5层材料构成，各项指标均优于PE100，具备优良的力学性能和耐腐蚀性能。对超高分子量聚乙烯增强管制备中内管、增强层、保护层的材料选用，接头和连接方式，以及增强管椭圆度、纵向回缩率、静水压强度、短时爆破强度性能检测进行了阐述。新型超高分子量聚乙烯管道突破了传统管道壁厚大和现场安装程序繁琐的局限，保证了管道的工作强度和传输效率，具有较强的市场竞争力和较好的应用前景。

管道； 超高分子； 聚乙烯； 复合材料； 制备

在石油、天然气、煤炭、矿山、电力等工程领域，均需铺设大量的不同直径和不同承压能力的管道。目前使用较多的主要是PE100聚乙烯管材和钢骨架聚乙烯复合管，PE100承压能力一般，在高压环境下壁厚较大，会导致较多的材料消耗和较高的销售价格[1]。钢骨架聚乙烯复合管的钢丝抗拉强度高，可以减少聚乙烯材料的消耗，但管材柔韧性不够，接头处易产生应力集中，易发生裂纹和断裂现象，总体强度并不高[2]。另外，基材普通聚乙烯的抗拉强度、耐磨性和冲击韧性较低，容易在冲击、划伤作用下开裂。

超高分子量聚乙烯管材的分子量可达250万，性能非常优良，集中了各种塑料的优势，具有普通聚乙烯、ABS、聚氯乙烯、聚丙烯等塑料产品无可比拟的耐压性、耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性[3]。文中对由泰州职业技术学院和江苏申视新材料科技有限公司联合开发的新型超高分子量聚乙烯增强管的材料选用、性能检测等制备内容进行简要介绍。

1 新型超高分子量聚乙烯增强管结构及特点

新型超高分子量聚乙烯增强管由3个主体层和2个连接层组成，见图1。3个主体层分别是由超高分子量聚乙烯制成的内管[4]、由高强度钢丝制成的增强层以及由江苏申视新材料科技有限公司自制的改性高密度聚乙烯制成的保护层。2个连接层均为高黏性、高强度的热熔胶，热熔胶将3个主体层紧密黏合在一起，发挥出了3种材料各自的性能特点。增强管企业内部规格型号为DN125PN10，其外观呈黑色，长1 150 mm、壁厚13.5 mm、外径125 mm，公称压力10 MPa。

图1 超高分子量聚乙烯增强管结构

该种超高分子量聚乙烯增强管采用了先进复合技术，形成了完整的承力结构，具有高承压、抗结垢、低摩阻和耐低温等特点[5]，是一种高性能、低损耗、寿命长的新型绿色管材，在油气田集输油管线、煤矿煤粉浆的高效安全输送等方面得到了广泛应用，具有独特的优势。

2 新型超高分子量聚乙烯增强管材料选用

2.1 内管

增强管的内管为介质的传输层，材料选用非常重要。几种聚乙烯材料的性能见表1，可以看出，超高分子量聚乙烯UHMWPE的拉伸屈服强度、断后伸长率和其他的聚乙烯相差不大，但缺口冲击韧性、砂浆磨耗性能非常优秀[6]。UHMWPE的冲击韧性在常温下具有很高的水准，在-70 ℃时仍能保持很高的冲击吸收功，其摩擦性能可以和聚四氟乙烯相媲美[7]。UHMWPE化学稳定性好，能耐各种腐蚀性介质(酸、碱、盐)及有机溶剂的侵蚀[8]，见表2。

表1 几种聚乙烯材料性能比较

表2 超高分子量聚乙烯耐化学腐蚀性能

2.2 增强层

复合管增强材料主要有钢丝网、钢板孔网等金属材料以及玻璃纤维、超高纤维、碳纤维、芳纶纤维等非金属材料这两类[9]。芳纶纤维、超高纤维、碳纤维是世界上公认的三大超强纤维，但其价格太高，会使复合管成本大幅上升。玻璃纤维价格低，但受自身脆性限制，抗冲击性能无法适应野外复杂地形和恶劣环境。同时，由于纤维体积强度低，对于工作压力较高的管道，会因增强层过厚而影响管道通径。

钢骨架增强在普通高密度聚乙烯复合管道中的应用已比较成熟，但现有产品主要用于埋地低压输水管道，难以适应3.5 MPa以上工作压力和高硫、高黏原油及固/液混合物料的输送要求。经过综合分析和力学计算，采用1 870～2 600 MPa高强度钢丝绳作为增强层材料。为解决钢丝绳腐蚀问题，对钢丝绳表面进行了镀锌处理。为解决钢丝绳与粘接材料的亲和性问题，提高底层钢丝绳与超高分子量聚乙烯内管的黏合效果，在缠绕前对已进行镀锌处理的钢丝绳表面预先涂覆聚烯烃专用粘接树脂。

2.3 保护层

普通的聚乙烯钢骨架增强复合管保护层大多以普通高密度聚乙烯为材料，这种管道大多作为埋地、低压、输水管使用[10]。超高分子量聚乙烯增强管主要用作油气田输油管，矿山、煤矿、热电、化工、航道疏浚行业的矿浆、泥浆、煤灰等物料管，除了要满足管线工作压力等主要技术参数外，更要适合野外铺设，并满足特殊环境使用要求。普通高密度聚乙烯耐候性和耐环境应力开裂性能差，通常在室外使用时间不长就发生龟裂。笔者采用不含双键的热塑性弹性体、纳米材料、抗静电剂、抗紫外等助剂对高密度聚乙烯进行改性，可使保护层具有优良的耐环境应力开裂、防紫外线、抗静电、耐寒等特点，满足增强管的使用要求。

3 超高分子量聚乙烯增强管接头和连接方式选择

超高分子量聚乙烯增强管的接头、连接方式是整个管路系统设计的重要环节。针对增强管的特性及使用工况、环境，对管道接头现有技术进行筛选，通过实际使用和测试，确定了沟槽式管接头连接方式，见图2。

图2 沟槽式管接头结构示图

沟槽式管接头施工安装非常简便。安装前，先将一只相配备的O形橡胶密封圈嵌入其中一根管道端口凹槽内，再将另一根管道移来，二者端口相对。再把沟槽式卡箍卡在两管中的沟槽上，拧紧螺栓即可。受卡箍内部空间的限制，密封圈被挤压，从而起到增强密封的作用。

沟槽管件的连接操作也非常简单[11]，根据现有的安装经验，熟练工连接1处管接头仅需6 min，极大降低了现场安装的技术难度，也使工程质量更加稳定。

4 超高分子量聚乙烯增强管性能检测

4.1 椭圆度

根据SY/T 6662.2—2012《石油天然气工业用非金属复合管 第2部分：柔性复合高压输送管》[12]中的规定，在室温下对DN125PN10型管道样品TZ5TYD-1进行椭圆度检测，样品外观光滑、平整，椭圆度为0.33%，满足SY/T 6662.2—2012中管道椭圆度低于5%的要求。

4.2 纵向回缩率

根据SY/T 6662.2—2012中的相关规定，在110 ℃条件下进行DN125PN10型管道样品纵向回缩率检测，试验时间为2 h，测得样品TZ5TYD-2、TZ5TYD-3、TZ5TYD-4的纵向回缩率分别为1.01%、0.91%、1.20%，平均值为1.04%，均满足SY/T 6662.2—2012中管道纵向回缩率小于3%的要求。

4.3 受压开裂稳定性

根据SY/T 6662.2—2012的规定，在室温下进行DN125PN10型管道受压开裂稳定性检测，样品TZ5TYD-5、TZ5TYD-6、TZ5TYD-7的检测结果均为压缩至管道直径1/2时目测表面无裂纹，满足SY/T 6662.2—2012中的相关要求。

4.4 静水压强度

根据SY/T 6662.2—2012的规定，在20 ℃室温下进行DN125PN10型管道静水压强度检测，试验时间1 h，所施加静水压强度为公称压力的2倍，即20 MPa，试验结束后样品TZ5TYD-8、TZ5TYD-9、TZ5TYD-10均无破裂、无渗透，3个样品均满足SY/T 6662.2—2012中的相关要求。

4.5 短时爆破强度

根据SY/T 6662.1—2012《石油天然气工业用非金属复合管 第1部分：钢骨架增强聚乙烯复合管》[13]中的相关规定，在XGNB-10/6W型耐压试验系统上进行DN125PN10型管道的短时爆破强度检测，室温下一直加压直到管道爆破，测得样品TZ5TYD-11、TZ5TYD-12、TZ5TYD-13的短时爆破强度分别为33.0 MPa、33.2 MPa、34.1 MPa，满足SY/T 6662.1—2012中爆破强度不得小于公称压力的3倍，即30 MPa的要求。

5 结语

超高分子量聚乙烯是一种特殊的聚乙烯树脂，在装配式输油管的使用中综合性能优异，在浆体、液体及气体的耐磨和耐腐蚀方面有其他管材无可比拟的优势，受到业内的青睐[14]。文中所述的新型超高分子量聚乙烯管道突破了传统管道壁厚取值大和现场安装程序繁琐的局限，保证了管道的工作强度和传输效率，部分油田中已安装使用此类管道，实际使用初步效果比较满意。随着国民经济的持续发展，各行业对超高分子量聚乙烯增强管的需求将会不断增加，应用前景广阔。

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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

泰州职业技术学院重点科研项目(TZYKY-15-6)

卢 意(1985-)，男，江苏泰州人，讲师，硕士，从事机电材料类专业的教学和科研工作。

TQ055.8； TE832

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.003

(张编)