缠绕式增强聚乙烯管复合共挤成型工艺的研究*

邹修敏，胡 飞，吴 胜，刘 惺，郝红梅，许荣辉，赵树辉

(1 四川化工职业技术学院，四川 泸州 646099；2 四川自强科技有限公司，四川 泸州 646000)

根据我国目前战略部署和经济发展的需要，我国的页岩油、气的开采及利用将不断加大，由于页岩油、气内含有腐蚀性物质及输送过程中流体对管壁的冲刷作用，导致对输送页岩油、气管道提出了特殊性能要求，为了降低页岩油、气输送成本和减少环境污染，采用非金属管代替金属管势在必行，由此，非金属管道“以塑代钢”推广支持力度不断加大。随着我国聚乙烯(PE)管在各行业中不断推广和扩大使用范围，钢丝网骨架缠绕式聚乙烯增强复合管将得到广泛应用，但是传统的钢丝网骨架缠绕式聚乙烯复合管无论从承压、耐腐还是刚度、强度方面都已不能满足各行业对管材越来越高的要求，而且还存在管道失稳变形、脱粘分层、承载性差等缺陷，鉴于此，为了提高增强聚乙烯复合管抗弯折能力与强度、降低脱粘分层现象，需研究增强聚乙烯(PE)复合成型工艺，以提高复合管各项性能指标，因此，研究具有十分重要的意义。

1 缠绕式增强聚乙烯(PE)管结构特征

与传统油、气输送中采用钢制管道相比，增强聚乙烯复合管具有强度高、塑性好、耐蚀性优、安装运输方便等特点，所以在油气输送过程中得到广泛应用[1-2]。聚乙烯管增强方式有两种，一种是通过特殊的工艺控制，将材料自身的无序态分子链变为有序态分子链，或是将无序的片晶结构改造为有序的高性能晶型结构，提高结晶程度，并控制其择优取向排列，以此提高材料强度的工艺技术被称为自增强技术[3]；另一种是通过成型结构改进和成型工艺改进技术达到提高强度、剥离等性能的目的；缠绕式增强聚乙烯管采用的是后一种方法，它由五层结构组成，如图1所示，它由芯管内层1、芯管外层2、增强钢丝网骨架3、外保护层内层4、外保护层外层5组成。生产过程中芯管内层材料为聚乙烯或者改性聚乙烯或者超高分子量聚乙烯等，芯管外层材料为热熔胶粘合剂树脂，采用双层复合共挤模具一次成型，得到内层为芯管用塑料、外层为热熔胶粘合剂树脂的双层复合一体芯管[3]；再通过缠绕机将裸钢丝缠绕在芯管上得到增强网骨架，然后进入温控箱，达到热熔胶粘合剂树脂与增强网骨架粘合的温度后，使钢丝网骨架与芯管粘合，然后将缠绕好增强网骨架的成品芯管通过牵引机送入外保护层复合共挤模具，通过挤塑机挤出外保护层内层为热熔胶粘合剂树脂、外保护层外层为聚乙烯(PE)材料涂覆在增强网上，得到增强聚乙烯复合管产品。采用双层复合共挤成型工艺减少了芯管与空气接触，也减少了灰尘沉积于芯管表面导致粘合性能降低现象。

图1 缠绕式增强聚乙烯管结构特征Fig.1 Structural characteristics of spiral wound reinforced polyethylene pipe

2 影响粘结材料的因素及处理方法

缠绕式增强聚乙烯(PE)管虽然具有强度高、柔性好、耐腐蚀等优点，但是也存在失稳变形、增强钢丝网与内外层粘胶脱层、内外层粘胶与聚乙烯层(PE)材料脱粘分层等失稳失效问题，如图2所示。因此为了增强各层之间的粘合性，除了选择内外层材料外，还需对粘合剂选择及芯管、钢丝等方面进行相关处理。

图2 聚乙烯管失稳失效Fig.2 Unstable failure of polyethylene pipes

2.1 粘结树脂选择

粘结树脂的质量会直接影响钢塑的复合质量[4]，增强聚乙烯管质量很大程度上与热熔胶粘合树脂的粘性存在很大关系，因此选择耐蚀性好、强度高、耐水性好[3]、并对聚乙烯和钢丝材料均有优异粘接性的热熔胶胶黏剂，以保证涂覆粘结、涂覆质量和牢固度，达到提高剥离强度、使用性能和延长使用寿命的目的。

2.2 钢丝脱脂、除尘

增强聚乙烯管增强层所采用的钢丝由于在运输和储存的过程中，不可避免存在钢丝表面粘油、表面生锈、表面积尘等问题，从而导致钢丝与粘合层粘合强度降低，影响复合管的强度和性能，因此需要对钢丝进行脱脂、除锈、除尘处理。钢丝脱脂、除锈可采用甲乙酮溶剂擦拭钢丝网表面，然后用砂纸打磨钢丝表面以增加表面粗糙度[5]，提高钢丝与热熔胶的粘合性。此外，也可以采用化学处理方法，通过化学脱脂溶剂喷淋钢丝，然后水洗后烘干处理。

2.3 芯管外表面与外层内表面处理

由于芯管和外层均采用双层复合共挤一次成型工艺，该工艺特点是一次成型，密闭空间进行，没有与油污、灰尘等接触，因此对芯管外层表面和外保护层内层不需要特殊处理，这是缠绕式增强聚乙烯管复合共挤成型工艺优点。

3 缠绕式增强聚乙烯(PE)管生产工艺研究

为了提高缠绕式增强聚乙烯(PE)管使用性能，提高增强钢丝网骨架与芯管和外层涂覆层结合强度，防止分层现象的发生，因此针对现有技术的不足，采用芯管内层与芯管外层双层复合共挤一次成型工艺以及外保护层内层与外保护层外层一次共挤成型，该工艺采用两套复合共挤模具以及未经包覆处理的裸丝，不仅能降低生产线的设备投入，降低成本，而且获得的复合管各层之间粘结更加牢固，强度更高，从而减少现有产品存在的钢丝易抽丝等隐患。

对生产DN100/DN125/PN8Mpa/PE100增强聚乙烯复合管生产工艺过程进行了研究，其主要生产工艺过程如图3所示[6]。

图3 缠绕增强聚乙烯管成型工艺过程Fig.3 Forming process of winding reinforced polyethylene pipe

3.1 芯管双层复合共挤一次成型工艺

芯管用塑料PE100和粘结剂树脂520#分别通过芯管挤塑机和热熔胶挤塑机挤出进入芯管双层复合共挤模具，一次成型后得到内层为PE100、外层为粘结剂520#的芯管胚料，然后通过真空定径、冷却箱冷却得到双层复合一体的成品芯管，其内径为DN100、外径为DE115，芯管内层PE100厚度为6.5 mm、粘结剂厚度为1 mm。

3.2 增强钢丝缠绕工艺

将上一工序得到的成品芯管通过牵引机送入缠绕机，在缠绕机中将经过处理的裸钢丝采用双层交叉、260根、成54°缠绕在成品芯管的外表面形成增强骨架，然后通过牵引机牵引进入温控箱，通过温控箱加热升温达到热熔胶粘合树脂和增强网骨架粘合的温度，将增强钢丝网牢固粘合在芯管上，紧接着将缠绕好的增强网骨架的成品芯管进入下一工序中。

3.3 外保护层双层复合共挤成型工艺

将缠绕好增强网骨架的成品芯管送入外保护层复合共挤模具之中，通过热熔胶挤塑机挤出粘结树脂、外保护层挤塑机挤出PE100塑料溶体、标线挤塑机挤出添加色母的PE100级塑料溶体分别进入外保护层复合共挤模具，经过外保护层双层复合共挤一次成型，在增强网骨架的成品芯管外表面定径挤出外保护层，得到外径为DN125、外保护层内层粘结树脂厚度为 1 mm、外保护层外层厚度为2 mm的增强复合管成品。

通过以上复合共挤一次成型工艺获得的增强聚乙烯管使得复合各层之间粘结更加牢固，由于采用裸钢丝直接缠绕，减少了钢丝过塑生产线，同时也减少过塑钢丝热熔胶树脂被划伤、与钢丝发生剥离等缺陷，这不仅减少设备投入、降低成本，而且得到质量更好的增强聚乙烯质量。经过实际工程应用检验，效果很好；通过检测，剥离强度由100 N/cm2提高到200 N/cm2，设计压力达到8.0 MPa，爆破压力达到了28.0 MPa。

4 结 论

缠绕增强聚乙烯复合管热熔胶的性能、生产过程中质量控制以及生产成型工艺将直接影响到管材的性能，在选择合适的热熔胶粘合树脂基础上，选取合理的成型工艺能够有效提高剥离强度和爆破压力。通过裸丝表面除脂、除锈处理，采用芯管双层复合共挤一次成型工艺、裸丝缠绕工艺以及外保护层复合共挤成型工艺，能够缩短制造工艺过程、减少了设备投入、降低了成本、提高了剥离强度和爆破压力，使剥离强度达到了200 N/cm2，爆破压力达到28.0 MPa。