大口徑鋼制管道泡沫噴涂工藝優勢及前景分析

韓 勇 張靈東

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

0 概述

聚氨酯保溫管，就是用硬質聚氨酯泡沫塑料做絕熱材料的保溫管道。因其具有良好的保溫效果，被廣泛的應用于北方寒冷地區輸回水、城市供暖、原油輸送等領域。目前，國內普遍采用的保溫管生產工藝、適應的合理管徑范圍以及由相應工藝生產的保溫層所潛藏的缺陷，已經無法滿足日益擴大的市場、高標準質量管理的要求。泡沫噴涂是在現有“一步法”、“管中管法”、“纏繞法”的基礎上，結合鋼管3PE防腐工藝特點，近兩年推出的一種新型的聚氨酯保溫管生產工藝，因其具有其他工藝不可比擬的優勢，逐漸被業內認可。

1 泡沫噴涂工藝簡介

圖1 大口徑鋼制管道泡沫噴涂工藝布置圖

泡沫噴涂工藝（圖1）主要特點是鋼管旋轉過程中在線進行泡沫噴涂，同時揉合了3PE防腐工藝的中聚乙烯防護層成型工藝，其具體實施步驟如下：鋼管經外壁清理設備拋丸清理后上傳至緩沖平臺，通過運管小車運送至泡沫噴涂區，泡沫噴涂區設有噴涂小車、高壓噴涂機等設備，鋼管在噴涂小車上沿軸向勻速前行，同時沿徑向勻速旋轉，在經過固定的噴涂倉時，高壓噴涂機將按比例混合均勻的聚醚、異氰酸酯混合物噴涂至鋼管表面，混合物反應后形成一定厚度的聚氨酯泡沫，通過運管小車運送至泡沫熟化、固化區域，固化完成的泡沫管再由運管小車運送至側纏繞傳動線，經過加熱、聚乙烯側纏繞、聚乙烯膜擠壓、冷卻等工序后形成聚乙烯外防護層。

2 泡沫噴涂聚氨酯保溫層管質量優勢分析

泡沫噴涂工藝作為一種新型的聚氨酯保溫層成型工藝，避免了“一步法”內定徑工藝受其適應生產管徑范圍φ32～φ426mm的限制[1]，突破了“管中管”工藝生產效率低的瓶頸，打破了“分段模具發泡加外纏繞”工藝不能連續生產的局限，除此之外，在聚氨酯保溫層的質量上，更有突出的優點。

2.1 克服了傳統“管中管”工藝的缺陷

由“管中管”成型工藝[2]可知，其聚乙烯防護層、聚氨酯保溫層是單獨成行的，聚氨酯是在有內撐的聚乙烯防腐管內從管端逐步注料、發泡而成，聚氨酯泡沫層的成型過程伴隨放熱反應，由于聚乙烯是熱的不良導體，發泡過程中形成的大量熱能不能及時擴散出去，必然導致泡沫層發黃，即所謂的 “燒心”現象。同時，聚氨酯保溫層成型過程沒有糾偏措施，發泡過程產生的膨脹力得不到有效控制，也會引起保溫層“偏心”、聚乙烯保護層易“漲裂”等現象。除此之外，聚乙烯防護層和聚氨酯保溫層之間“脫殼”、保溫層密度不均勻等現象也是 “管中管”工藝的缺陷。而泡沫噴涂工藝是借鑒了3PE防腐涂層的工藝優點，鋼管采用螺旋傳輸，按比例混合好的異氰酸酯和聚醚通過高壓噴涂機噴涂在行進的鋼管表面，聚乙烯采用側擠出纏繞的方式同步形成的聚氨酯保溫層及聚乙烯防護層。杜絕了“管中管”工藝中不可避免的缺陷，改善了保溫層及防護層的質量。

2.2 滿足涂層高質量要求的同時，擴大了保溫管的管徑生產范圍

“一步法”保溫管生產工藝于1982年由天華院和勝利油田共同開發完成，經過30多年的工藝優化和設備改進，已經能夠滿足高質量、高產能、低生產成本的企業要求，同時也滿足了近20年國內油田快速發展對小管徑原油輸送保溫管的安全需求，適應了市場對產品節能環保、安全有效的要求。但由于“一步法”工藝自身的缺陷，管徑≥φ426mm時，聚氨酯保溫層在成型過程中由于鋼管自重的原因，會導致底部的保溫層壓扁減薄，影響保溫質量，這是“一步法”工藝不能突破的最大瓶頸。同時，隨著市場的發展，以預埋為主的“黃夾克”聚乙烯防護層已經不能滿足市場的需求，在需要架空或者地面敷設的保溫管工程中，黑色聚乙烯防護層的“黑夾克”管需求量越來越大，由于“一步法”成型過程中發泡液面離內定徑冷卻套的合理距離在400mm以內，且液面是時時變化的，“黃夾克”聚乙烯防護層透光，便于液面的觀察，“黑夾克”聚乙烯防護層吸光，操作者不易控制液面的位置，生產過程中容易造成泡沫堵死內定徑冷卻套的現象，導致生產線停工。而泡沫噴涂工藝更適合管徑≥φ426mm以上鋼管的保溫層成型，擬補了“一步法”工藝生產管徑范圍受限的缺陷，同時，聚乙烯側纏繞技術也解決了保溫管對防護層顏色的限制。

3 泡沫噴涂聚氨酯保溫層市場、運行安全及環境保護優勢分析

相比“管中管”工藝和 “一步法”工藝，泡沫噴涂工藝不但在本身成型的產品質量上具有優勢，在相同管徑的生產條件及質量要求下，聚氨酯保溫層及防護層的原材料用量也更少。比如以DN700mm鋼管為例，泡沫噴涂法比“管中管”法施工所用的原材料費降低35%左右，而生產速度是“管中管”法的2倍多[1]。除此之外，泡沫噴涂工藝其他的優勢也是傳統施工法不能相比的。

3.1 市場環境方面

我國城市集中供暖最早從50年代開始，伴隨著國民經濟的持續發展，尤其是最近十年北方城市房地產噴井式的發展，新建、擴建小區從最小的幾萬平方米到幾十萬平方米，集中供暖的管徑也隨著供熱需求面積的增加而增加。截止目前，北方省份主供熱管道基本在DN700mm～DN1000mm之間，隨著城市化進程的不斷推進，長輸供熱管道及供熱管徑有不斷擴大的趨勢。除此之外，目前城市供、回水管道還采用水泥管道和鑄鐵管，均未保溫。但在北方較冷的城市中（如東北、西藏等地），供、回水管道必須深埋在凍土層以下，否則，在寒冷的冬季很容易出現管道凍裂的現象，這樣的結果不但會產生高額的施工費用及經濟損失，同時會給居民帶來生活上不便。采用保溫管后，管道可以明設或埋在地表淺層，這樣既節省了施工費用，同時運行安全可靠，不會出現管道凍裂現象。而這種主管道往往都超過1m管徑，最大甚至到2.5m以上。在此情況下，高產能、低生產成本的泡沫噴涂工藝對保溫管生產企業占據市場主導地位提供了有力的支撐。

3.2 管網安全運行性能提高

大口徑的聚氨酯保溫一般都采取 “管中管”法。由上面的分析可知，采用“管中管”法泡沫層形成過程中存在的大量熱能及內應力不能及時釋放，長時間的累積會導致防護層“爆裂”，影響管線的安全運行。比如中俄輸油管線—漠大線，設計管徑813mm，凍土層采用3PE防腐+“管中管”聚氨酯保溫的工藝，運行不到一年時間就出現過不同程度的防護層“爆裂”、保溫層失效的問題。而泡沫噴涂工藝是采用在線聚氨酯噴涂、聚乙烯防護層側纏繞成行的工藝，不會存在熱能、內應力的積累，能夠大大提高管網安全運行的性能。

3.3 環境保護方面

泡沫噴涂的原材料包括多元醇、異氰酸酯、泡沫穩定劑B8433、發泡劑HFC-245fa、水，其中發泡劑HFC-245fa質量占泡沫噴涂料的0.8%[3]，參考“管中管”和泡沫噴涂工藝經濟成本的比較[3]，以DN700mm的管徑為例，生產1m保溫管，采用泡沫噴涂工藝比“管中管”法可減少40g的HFC-245fa用量，而HFC-245fa為氟利昂的一類，雖然HFC類對臭氧層無害，但對溫室效應有一定影響，而且它的溫室效應效果比二氧化碳還高，溫室效應使地球表面的溫度上升，引起全球性氣候反常。

4 結束語

隨著國家標準GB/T 34611-2017《硬質聚氨酯噴涂聚乙烯纏繞預制直埋保溫管》等一系列相關技術性能的國家標準陸續頒布，國內城市集中化及房地產事業的持續發展，尤其是在國家大力發展西北部，提高城市化人口的政策推動下， 國內聚氨酯保溫管的需求量將逐年擴大, 大口徑鋼管聚氨酯泡沫噴涂法將以工藝完善、成型的產品性能穩定、質量過關、節能環保等優勢逐步占領大口徑的保溫管市場，其應用前景必將十分廣闊，值得行業內大范圍推廣應用。但為使泡沫噴涂工藝在我國能健康穩步持久地發展，提高企業的利潤及相關管網、工程的安全運行性，就必須做到：（1）按照最新頒布的國家標準，堅持高標準嚴要求，在我國廣泛推行泡沫噴涂法成型的聚氨酯保溫產品；（2）設計單位、生產企業和應用部門要密切合作、總結經驗，減少傳統“管中管”工藝的使用量，制定和完善保溫管管網工藝設計、施工和驗收規范, 保持設計、生產技術和應用技術同步發展； （3）生產企業應集中力量推行泡沫噴涂先進技術，不鼓勵應用存在問題的保溫管生產工藝。