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大管徑高密度聚乙烯硬質聚氨酯預製直埋保溫管開裂原因分析及改進措施

來源:/news/721.html時間:2020-11-04
李德恒 潘存業 楊智麗

河北太阳2科技股份有限公司,河北 唐山 063000


摘要:大管徑高密度聚乙烯硬質聚氨酯預製直埋保溫管在運輸、施工、運行過程中出現部分開裂現象,通過化學成分分析、結構分析和力學性能檢測,明確其開裂原因為高密度聚乙烯外護管因生產過程中冷卻不均勻,其內部產生較大應力,形成應力分層,大大降低了其塑性變形量,斷裂伸長率不足,從而導致高密度聚乙烯管材在受外部環境影響時容易出現開裂現象。經過生產工藝改進和實驗最終確定通過改進噴淋裝置的噴淋方式和設置管材內冷卻裝置來實現高密度聚乙烯管材的均勻冷卻,從而解決大管徑厚壁高密度聚乙烯外護管開裂問題。

關鍵詞:聚乙烯;運輸

中圖分類號:    文獻標識碼:A    文章編號:


引言

高密度聚乙烯硬質聚氨酯預製直埋保溫管自 20 世紀八十年代引入國內,因其良好的保溫性能、材料穩定性能和使用壽命長等特點廣泛應用於市政供熱、工業供冷等項目上。產品引進國內後在生產工藝和產品性能上並沒有太大的提升,尤其是在大管徑高密度聚乙烯硬質聚氨酯預製直埋保溫管的生產上,一直未能解決其大管徑厚壁高密度聚乙烯外護管開裂問題。導致大管徑厚壁高密度聚乙烯外護管開裂問題可能原因有多種,如高密度聚乙烯顆粒雜質含量高、色母與高密度聚乙烯顆粒熔體質量流動速率差值過大、生產設備參數設定不準確等。根據生產中型號為Φ1420×18mm,外護管為Φ1640×16mm 的保溫管在使用過程中出現外護管開裂進行取樣分析,旨在找到高密度聚乙烯外護管開裂的原因及改進措施。


1 實驗方法

在開裂外護管管體選取典型部位截取試樣進行化學成分分析、結構分析、力學性能檢測,並對裂口進行掃描電鏡和能譜分析,對缺陷管材進行拉伸試驗。


2 實驗結果
2.1 宏觀分析

缺陷保溫管道外護管沿軸向條形開裂取樣,圖片見圖一



圖一


1 2.1  化學成分分析
化學成分檢測結果
化學成分(質量的分數%)


(C2H4)n    C    C7H8    C36H70CaO4    C30H58O4S
97.02%    2.91%    0.087%    0.003%    0.019%
四[β-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯 其它    0.021%    0.027%
根據上述化學成分分析,各化學式成分占比均符合要求,其中雜質含量為 0.027%,低於標準要求,高密度聚乙烯外護管部分開裂原因並非由成分配比和雜質含量高原因引起的。


2.3  結構分析
高密度聚乙烯外護管使用的聚乙烯樹脂為線型低密度聚乙烯,線型低密度聚乙烯是由多個-CH2-構成,同時也有部分 a-烯烴的參與,其作為一種線性聚合物其內部分子鏈都是成交錯連接的,這就使得塑性變形較好,延伸率較高,材質好的高密度聚乙烯外護管無較大內部應力殘餘的情況下其延伸率可以到 400%以上(國標 GB/T29047-2012 要求≥350%) ,完全滿足外護管的塑性變形量,適當外部環境力不會導致其開裂[1] 。


2.4  力學性能分析
按照國標 GB/T29047-2012 取樣要求,在開裂外護管管體選取典型部位截取試樣 12 個,進行力學拉伸試驗,以確定其強度和延伸率




從上述實驗數據分析可知,高密度聚乙烯外護管隨著拉伸屈服強度的增大其斷裂伸長率呈下降趨勢,同時在出現分層的試樣中斷裂伸長率都不合格,據此可以判斷造成高密度聚乙烯外護管斷裂伸長率不足是因為其內部出現應力分層造成的。
造成高密度聚乙烯外護管應力分層的主要原因是由於生產過程中冷卻不均勻造成,傳統工藝生產高密度聚乙烯外護管的冷卻環節是在擠出成型的高密度聚乙烯管上方設置噴淋管,利用冷卻水進行噴淋,冷卻水首先接觸管材上部後順管材圓周方向流下,自此過程中,冷卻水首先是和管材局部接觸,升溫後環繞管材流下,管材的冷卻是由頂部向圓周方向逐步冷卻,且也是由管外壁向內部逐漸冷卻,其生產工藝勢必導致管材冷卻不均勻,尤其是在大管徑厚壁管材上更明顯。


3 結論和改進措施
造成大管徑高密度聚乙烯硬質聚氨酯預製直埋保溫管開裂原因有多種,但其主要原因是因為管材生產過程中因為冷卻不均勻,從而導致管材內部應力過大,形成應力分層,大大降低了其塑性變形量,斷裂伸長率不足,從而導致高密度聚乙烯管材在受外部環境影響時容易出現開裂[2] 。
因此,在改進環節,可以通過加強外護管的方式,形成對高密度聚乙烯硬質聚氨酯預製直埋保溫管的全方位保護,減少應力的影響,基於此,改進以生產強度高、韌性好、抗老化、耐環境應力的高密度聚乙烯外護管為目標。具體來講,在原料的選擇上,可以選擇基礎聚乙烯樹脂、穩定劑、抗氧化劑等作為原料,經過對原料性能以及組分的比對,該配方為生產高密度聚乙烯外護管的最佳方案:1000kg 牌號為 2480的聚乙烯顆粒、0.2kg 的抗氧化劑 1010、0.2kg 的抗氧化劑DLTP、30kg 的炭黑質量、0.3kg 的硬脂酸鈣質量。

在預處理環節,由於聚乙烯是一種吸水性較差的材料,其水分含量低,原料中如果有吸濕性顏料,如炭黑,其含水量將會明顯增大,水分過大會導致材料內外表麵出現粗糙、氣泡,生產環節為了降低對表麵質量造成的影響,可以使用塑料混煉機,以加溫的方式實現保持原料幹燥;原料處理應保障實時間充足,否則產品質量也會受到影響,但如果處理時間過長,尤其是加溫時間過長很可能導致聚乙烯材料降解,因此,最佳的預處理時間為 20min。
在冷卻點設置環節,冷卻溫度處在 20℃時,在規格為Φ400mm的外護管上選擇5個冷卻點能夠獲得最佳的外觀效果。在電暈處理環節,電暈處理過程中外電極應采用鋁質或不鏽鋼材質等具有耐腐蝕性的材料,而內電極也建議采用不
易腐蝕的導體,通過均勻布置環體,利用高壓實現局部放電,產生電暈放電,增強聚乙烯外護管表麵張力,使其與保溫層之間緊密粘接。
在牽引速度控製上,牽引機是實現塑料擠出的主要設備,需要根據塑料的厚度、性能、尺寸公差等參數控製牽引速度,但需要始終保障其與塑料擠出速度相匹配。

在生產環節,通過改進高密度聚乙烯外護管的生產工藝,將傳統的頂部噴淋水冷卻改為環管材 360 度噴淋冷卻,並增減管材內部冷卻循環風係統,在管材出模具頭後實現外表麵同時均勻冷卻,並實現管材內外壁的同時冷卻,以減少管材內部應力的產生,從而徹底解決大管徑厚壁高密度聚乙烯外護管開裂問題。


參考文獻
[1]魏振堃,蔣明,張起欣,etal.內壓作用下聚氨酯消防水帶管徑變化研究[J].消防科學與技術,2017(1):86-89.
[2]陳陽,鄭中勝,於雅澤.淺析聚氨酯-丙烯酸酯柔性壁的減阻性能[J].熱電技術,2018(2):63.