一種UHMWPE 鋼骨架復合管的設計

盧 意

（泰州職業技術學院，江蘇泰州 225300）

管道作為輸送油、水、氣等各種流態化介質的裝備，對國民經濟各個領域的安全高效生產具有舉足輕重的地位。長期以來，管道材料主要使用的是鋼管，鋼管的強度高，但密度大，不耐腐蝕，不耐磨損，易結垢。特別是介質和環境對鋼管的腐蝕，不僅給工業生產帶來巨大的經濟損失，而且會造成重大人身傷亡事故和嚴重的環境污染。為此，人們尋求各種非金屬管道以替代易腐蝕的鋼管。塑料管道由于耐腐蝕性能優良，在許多場合已逐漸取代鋼管。但是，與鋼管相比，塑料管的拉伸屈服強度低、耐高溫性差、不耐沖擊、易老化，又極大地限制了塑料管的應用。

圖1 管道結構示意圖

文中介紹了一種UHMWPE 鋼骨架復合管，該管道由超高相對分子質量聚乙烯內層、碳素彈簧鋼絲增強層、改性高密度聚乙烯保護層三部分組成。該管道充分發揮了超高相對分子質量聚乙烯優異的耐腐蝕、耐摩耗、低摩阻、高沖擊強度、不易結垢、耐疲勞性等性能，使用專用的粘合樹脂將內層、增強層、外層可靠牢固地粘結在一起，從而保證各層形成一個穩定的力學結構（見圖1）。

1 超高相對分子質量聚乙烯內層

內管原料采用超高相對分子質量聚乙烯樹脂混合料，超高相對分子質量聚乙烯混合料以超高相對分子質量聚乙烯樹脂為主要材料，僅加入必要的添加劑[1]，如抗氧化劑、抗靜電劑、潤滑劑等。超高相對分子質量聚乙烯原料的相對分子質量為200 萬至300 萬，抗沖擊強度很高，是普通高密度聚乙烯的5 倍之多，摩擦系數很小，使管道運輸阻力小。UHMWPE 的化學穩定性高，能耐酸、堿、鹽各種腐蝕性介質及有機溶劑的侵蝕，對汽油、煤油、柴油穩定；耐疲勞性能突出，耐磨性極強，此外還具有耐溫、良好的抗應力開裂能力和抗蠕變性，這些特性，很適合輸油管在平原、山地、沙漠、河流、溝壑等各種野外復雜地形及寒冷的北方地區使用。本次設計的管道公稱內徑145 mm，承壓6.0 MPa，內管壁厚為6.5 mm。

2 增強層鋼絲

增強層所用鋼絲為碳素彈簧鋼絲，抗拉強度為2 400 MPa。考慮到管道用于復雜的環境條件，既要考慮鋼絲的強度，又要考慮耐沖擊性和韌性，故選擇D 級以上的方能滿足要求，鋼絲表面鍍銅鋅合金，增強耐腐蝕性。在使用過程中管道主要承受內壓作用，利用薄壁管應力理論推知，高壓管道的螺旋向纏繞角58°，設計鋼絲直徑1 mm ，涂膠層厚0.25 mm。

3 改性高密度聚乙烯保護層

保護層采用改性高密度聚乙烯，普通高密度聚乙烯的主要缺點之一是耐環境應力開裂性能差，通常室外環境使用1～2年就發生龜裂，不適合野外復雜地形和惡劣環境下使用。本次設計所采用的改性高密度聚乙烯由不含雙鍵的熱塑性彈性體、納米材料、抗靜電、抗紫外等助劑對高密度聚乙烯改性，可使保護層具有優良的耐環境應力開裂性能、防紫外、抗靜電、耐寒性好、可制成偽裝色等優良特點。

經試驗證實，保護層的厚度需要達到2 mm，方可對管道起到非常好的保護和增強作用。

4 專用粘合樹脂

內管、增強層、保護層之間采用聚烯烴專用粘合樹脂作為粘合材料。聚烯烴專用粘合樹脂是以一定相對分子質量的聚烯烴樹脂經化學改性而制成，對表面張力較低的UHMWPE 管具有很強的粘接力。一方面，可以有效填充增強材料留余的空隙，另一方面，可以和內管、增強材料、保護層形成牢固的結合使復合管道成為一體，有效提高復合管道的承壓能力等。

5 壓力的理論計算

確定了原材料的選擇后進行力學模型分析，鋼骨架復合管由內、外UHMWPE 和碳素彈簧鋼絲增強層組成，總的承壓能力完全由這三層材料決定。由于UHMWPE 和碳素彈簧鋼絲的塑性指標不一致，前者的斷后伸長率和斷面收縮率遠遠大于后者，故鋼骨架復合管爆破時，UHMWPE 與碳素彈簧鋼絲并不會都達到抗拉強度，而是復合管受內壓膨脹變形逼迫彈簧鋼絲一起變形，鋼絲由于塑性極限變形量小，先到達抗拉強度并發生斷裂[2]。復合管在鋼絲斷裂后失去增強保護，兼之受到鋼絲斷裂帶來的沖擊立即達到抗拉強度發生爆破。故計算復合管短期爆破壓力時，鋼絲與UHMWPE 計算強度不能同時取抗拉強度。另外，鋼絲與UHMWPE 之間的間隙很小且有粘結劑緊密粘結，變形過程中可近似認為鋼絲與UHMWPE 同時發生同等變形。因此，在計算復合管爆破時，鋼絲強度取其抗拉強度，UHMWPE 計算強度取其塑性變形與鋼絲斷裂伸長量相等時所對應的強度。

根據薄壁圓管力學性能結論，可以得到復合管內外聚乙烯層的軸向強度大于環向強度。根據纏繞結構特性，可通過合理選擇鋼絲根數及鋼絲纏繞角，改變鋼絲復合層軸向強度與環向強度的相對大小關系。當鋼絲纏繞根數較少、纏繞角較小時復合層軸向強度大于環向強度；當鋼絲纏繞根數和纏繞角增加到一定程度、復合層環向強度大于軸向強度。內、外UHMWPE 與鋼絲復合層疊加以后，當復合管的軸向強度大于環向強度時，復合管為環向爆破，反之則為軸向爆破。達到環向強度和軸向強度中的任一指標，即發生爆破。復合管的短期爆破壓力為軸向爆破壓力和環向爆破壓力的最小值[3]。根據軸向載荷平衡條件得到：

將鋼絲和UHMWPE 計算強度代入式（1），求得復合管的軸向爆破壓力為：

由復合管環向載荷平衡條件得到：

代入彈簧鋼絲和UHMWPE 計算強度，求得環向爆破壓力：

復合管短期爆破壓力為環向爆破壓力和軸向爆破壓力的最小值，即：

經過計算后，該管道基本參數確定為：管道內徑145 mm；鋼絲抗拉強度2 400 MPa；工作壓力6.0 MPa。超高內管壁厚6.5 mm；鋼絲直徑1 mm；纏繞角度58°；單層鋼絲纏繞數量≤176 根；保護層壁厚2 mm；管道總厚度11.25 mm；管道外徑167.5 mm。軸向爆破壓力18.34 MPa。環向爆破壓力18.15 MPa。

確定了參數后，超高相對分子質量聚乙烯樹脂與輔料進行混料，進入專用擠出機和模具，在規定的工藝條件下擠出、經定徑形成內管。已涂覆粘合樹脂的碳素彈簧鋼絲經專用纏繞機進行左、右旋雙層纏繞，專用擠出機及模具在規定的工藝條件下將聚烯烴粘合樹脂均勻涂覆在鋼絲層間形成增強層，專用擠出機及模具在規定的工藝條件下將改性高密度聚乙烯均勻涂覆在鋼絲層外面形成保護層，冷卻、計米、印字、牽引、切割；對單根復合管兩端打磨、熔焊封閉；扣壓接頭；質量檢驗、包裝、入庫[4]。

由于采用高強度碳素彈簧鋼絲做增強層，并以58°纏繞角左、右旋雙層纏繞，力學設計非常合理，保證徑向受力和軸向受力的最大化。該管道的設計符合現今市場的需求，在制作中也有較成熟的工藝設備進行支撐，目前處于內部研制，功能試驗階段。下一步的設計目標是如何實現管道之間連接的易操作性和現場安裝的快捷性。

超重力脫硫技術在哈石化硫黃裝置應用成功

2018年12月7日，作為脫除煉油裝置尾氣中硫化氫組分的一種全新技術—超重力脫硫技術在哈爾濱石化公司硫黃裝置脫硫系統應用成功。該技術的成功應用，不僅可以高效脫除裝置尾氣中的硫化氫組分，提高硫黃回收率，更極大地提升了裝置的環保運行水平。

該技術應用以來，公司技術人員對裝置的脫硫效果、主要操作參數、裝置能耗及操作彈性等指標進行現場標定，標定結果顯示：超重力機的性能優良，最大氣體量4 500 立方米/小時，堿液循環量25 立方米/小時，處理后的尾氣排放硫含量遠遠低于《石油煉制工業污染物排放新標準》特別限值。

（摘自中國石油報第7253期）