大管徑超高分子量聚乙烯復合管道的研制和應用實例

趙海峰，趙耀鑫，王夢堯

(云南鑫科新材料工程技術有限公司，云南 安寧 650000)

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)是一種分子量有線型結構的熱塑性工程塑料。超長的分子鏈賦予了材料優異的性能，在耐磨性能、抗沖擊性能、耐化學腐蝕性能、自潤滑性能等方面均遠超其它工程塑料。尤其是在抗低溫脆變上，更是其它材料無法比擬的[1]。

1 UHMW-PE管材的性能

1)優異的耐磨性能：UHMW-PE具有優異的耐磨性能，其管道制品廣泛用于冶金、礦山、化工行業的尾礦輸送。相較于傳統的鋼管，UHMW-PE管道的耐磨程度是其7倍，使用壽命更是超過鋼管3倍以上[2]。

2)超強的抗沖擊性能：UHMW-PE材料具有超強的抗沖擊性能。在相對分子質量為150萬～350萬時，隨相對分子質量的增加，抗沖擊性能顯著增加。在相對分子相對量達到350萬時，材料的抗沖擊性能達到最大值，然后隨著相對分子質量的增加，材料的抗沖擊性能緩慢下降。

3)抗低溫脆變性能：UHMW-PE材料在溫度顯著下降時幾乎不發生脆變效應，熱變形溫度高出普通塑料十幾度，而冷脆溫度幾乎沒有下限。在液氮中(-195 ℃)也能保持優異的沖擊強度，相關制品可用于液氮的輸送與儲存，是目前唯一可在接近絕對零度的溫度下工作的一種工程塑料。

4)耐腐蝕性：UHMW-PE是一種飽和分子團結構，穩定的分子結構賦予材料非常穩定的化學性能。UHMW-PE制品可耐各種腐蝕性介質和有機溶劑的侵蝕，比聚乙烯、聚丙烯、尼龍、ABS等塑料具有更強耐化學腐蝕性。

5)自潤滑性：UHMW-PE材料表面摩阻系數為(0.05～0.07)，吸水率小于0.03%，幾乎不吸水。極低的摩阻系數與吸水率使UHMW-PE具有很好的自潤滑性和抗結垢性能，在尾礦輸送中可有效降低輸送阻力。同等工況條件下，使用UHMW-PE管道進行尾礦輸送，輸送成本可有效降低30%。

2 UHMW-PE管材辨別方法

1)比重稱重法：UHMW-PE產品的比重在0.93～0.95，比水輕，能浮于水面；填加回料的UHMW-PE產品，其比重將改變增大[2]。

2)溫度實驗法：UHMW-PE產品，在 220 ℃ 時不會熔化，也不會變形，但會變軟，稱之為高彈態。填加回料的UHMW-PE管材，在 200 ℃ 時便會產生變形，并隨著溫度的升高逐漸達到粘流態。

3)表觀目測法:真正的UHMW-PE產品表面平整、均勻、光滑，烏黑發亮。填加回料的UHMW-PE管材表面粗糙，并且顏色發灰、色澤暗淡。

4)翻邊試驗法:真正的UHMW-PE產品翻邊端面圓潤、均勻、光滑。填加回料的UHMW-PE管材翻邊端面有裂紋，且在加熱后翻邊時會出現掉渣現象。

3 大管徑UHMW-PE復合管道的研制

3.1 原料配方

UHMW-PE 80～100份、低相對分子質量聚乙烯10～20份、石墨烯0.1～0.6份、鈣粉類化合物0.1～2份、硬化油0.5～2份、聚乙烯蠟0.5～2份、超支化聚(酯-酰胺)0.5～2份、氟硅母粒0.5～2份、抗氧化劑0.1～0.5份[4]。

3.2 混合配料

將配好的原料加入攪拌機中順時針和逆時針各旋轉40～100 min，轉速為 200 r/min，再將潤滑劑、偶聯劑和填料依次添加入攪拌機內，高速攪拌5～10 min，攪拌機的轉速為1800～2000 r/min。

3.3 擠出成型

將混合后的UHMW-PE由料斗加入擠出機，在高效螺桿的作用下將混合物輸送到加料段，經塑化、擠出成型、定型冷卻、牽引、切割，制成超高相對分子質量聚乙烯管。其中，擠出成型階段的溫度控制在185～260 ℃；定型冷卻階段采用水冷卻的方式進行冷卻，冷卻溫度為80～100 ℃。

3.4 復合翻邊

將制得的UHMW-PE管材襯在帶有法蘭的鋼管內部，管端經加熱、翻邊、冷卻定型最終制得高強度自潤滑UHMW-PE復合管。

4 關鍵技術

4.1 設備選型

設備采用UHMW-PE專用的SJ-200C型擠出機。擠出機為雙螺桿擠出機，螺桿轉速參數為：螺桿轉速90～100 r/min。

4.2 工藝設定

塑化的溫度為180～240 ℃；混煉的溫度為220～240 ℃。擠出成型采用的模具共分為三次加熱，第一次加熱的溫度為220～240 ℃，第二次加熱的溫度為200～220 ℃，第三次加熱的溫度為185～200 ℃。

5 大管徑UHMW-PE復合管道研制

5.1 開發內襯管道

如圖1所示，UHMW-PE管外徑D與無縫鋼管內徑d應保持D=1.02*d，以保證管道能夠實現過盈配合[3]。

圖1 UHMW-PE復合管

5.2 采用縮徑工藝，完成復合操作

以530(10+13)UHMW-PE復合管道為例，UHMW-PE管外徑D=520 mm,鋼管內徑d=510 mm,D>d。為使復合作業順利進行，故應先對UHMW-PE管進行縮徑再進行復合。縮徑工藝共分為四個步驟：步驟一，將UHMW-PE管外徑D=520 mm 縮至D1=515 mm；步驟二，將UHMW-PE管外徑D1=515 mm 縮至D2=510 mm；步驟三，將UHMW-PE管外徑D2=510 mm 縮至D3=505 mm；步驟四，保持管道外徑在505 mm。此時UHMW-PE管道外徑D3

圖2 UHMWPE復合管工藝流程圖——縮徑設備及工藝參數

通過過盈配合解決鋼管與UHMW-PE管伸縮量不同，線膨脹系數與溫度的變化，使得鋼管與UHMW-PE管材的伸縮量有很大的差異，分別計算出鋼管及UHMW-PE管材對應狀態的伸縮量，計算公式如(1)：

ΔL=αLΔt

(1)

式中：ΔL為伸縮量(m)；α為線膨脹系數(℃-1)；L為計算長度(m)；Δt為溫差(℃)。

由于鋼管與UHMW-PE管材線性膨脹系數α不同，因此兩種材料的伸縮量ΔL也不同。為避免出現因伸縮量不同導致出現的管道分離現象。可借助兩種材料件的摩擦力F來抵消膨脹力f。當F≥f時，兩種材料的伸縮量ΔL將趨于一致。

根據壓強計算公式P=F/S,在接觸面積S不變的情況下通過增加壓強P可實現壓力F的增大。由于UHMW-PE材料具有優良的回彈性，被壓縮的UHMW-PE管道可由 505 mm 回彈至 515 mm。此時UHMW-PE管與鋼管形成過盈配合，過盈量越大兩種材料間的壓強P越大，其之間的壓力F也越大。一般復合好的管材在靜置 24 h 后材料回彈全部完成，此時的過盈量為最大。可有效解決鋼管與UHMW-PE管材間伸縮量不同的問題。

6 工程應用實例

2018年12月，云天化集團屬下公司進行磷石膏尾礦輸送管道項目改造。管線設計起點海拔 1050 m，終點海拔 1200 m，落差 150 m，全長 5 km。礦漿濃度80%，比重2.38，輸送管線設計壓力為 4.0 MPa。管道埋地4～8 m 鋪設，地上有路、橋、農田，且途徑河道等特殊環境，因此對管道的安全性和耐腐蝕性要求相對較高。由于輸送壓力高，輸送距離遠，安全要求高，根據用戶的使用情況，云南鑫科新材料工程技術有限公司設計生產了Φ530×(10+13)UHMW-PE復合管道。這種管道內層采用520×13 mm 的UHMW-PE管材，利用其摩阻系數小、抗結垢性能好、耐腐蝕、耐沖擊、耐磨等特性。外層復合Φ530×10 mm 的鋼制螺旋焊管作為支撐抗壓層。采用10.8級高強度螺栓連接管道法蘭，在滿足磷石膏尾礦管道輸送的安全性同時也滿足了安裝的便捷性。該磷石膏尾礦輸送管道改造項目于2019年6月完成安裝，同時投入使用。通過三年的運行檢驗，大管徑UHMW-PE復合管材完全滿足設計和使用要求，充分體現了UHMW-PE復合管道的優異性能。