增强热塑性塑料(RTP)复合管材的发展

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增强热塑性塑料(RTP)复合管材的发展北京塑料工业协会张玉川王德禧吴念

为克服塑管和钢管的缺点，各种结构形式的复合管材应运而生。多年来，国内外都有许多增强热塑性塑料管的新设计、新专利提出来，但是能够在市场立足的并不多，因为真正要做到优势互补需要解决很多技术问题，所以增强热塑性塑料管一直是个热门的科研课题。

1.国内现有增强聚乙烯管企业及产品的优缺点 (1)国内现有的增强聚乙烯管材产品基本上都是以金属(钢丝或者钢板)来增强塑料管材，比较成功的有：钢骨架聚乙烯塑料复合管、孔网钢带聚乙烯复合管及钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管，并且已经形成一定的规模并有产品的企业和行业标准.。还有一种“连续复合增强塑料输油管材”是一种以钢丝编织增强的塑料管材，不同的是它采用了交联聚乙烯料，因此它的工作压力可以达到 5．5MPa，明显高于上述三种增强管。 (2)钢骨架塑料复合管和孔网板钢骨架塑料复合管的主要缺点： a、加入金属骨架增强复合所得到的效果不很显著，最大工作压力<2．5MPa。 b、钢塑结合较差，每段直管还需要有封端面的处理。 c、连接比较困难，不能对接焊，管材失去了柔韧性，只能直管供应。 d、生产管材需要特殊的专用生产线。 e、这种管材存在结构问题：复合后管材存在较大的不均匀内应力，塑料和钢骨架交界处形成了大量的应力集中点。 f、使用温度不能超过 6o℃。 (3)钢丝缠绕增强复合管(标准的叫法是：钢丝网骨架塑料复合管)及连续复合增强塑料输油管材的优点： a、钢丝缠绕复合管材应力集中和内应力问题较小，增强效果较显著，最大工作压力 3．5MPa。 b、钢丝预涂热熔胶，钢塑结合有所改善。 c、制造工艺不复杂，分步进行，容易保证质量。 d、采用钢丝编织增强管在直径小于 100ram 可以做成盘卷，简化和方便了管材的铺设。目前这类管材与国外同类产品的差距主要表现在：增强材料只有细钢丝一种，钢丝与塑料的结合状况无论如何也比不上合成纤维；采用钢丝缠绕增强不能做成盘管供应；不能对接焊；目前最大直径为 500mm。 (4)钢丝增强复合管节材效果明显这种管材在直径和压力较大情况下节材非常显著。与 PE100 相比较，节材效果在 50％以上。 2 国际上增强塑料管材发展国际上增强塑料管有两大类：一类是热固性塑料增强管，即通常称的玻璃钢管；另一类是热塑性塑料增强管 RTP。热固性塑料增强管发展比较早，品种也比较多。而热塑性塑料增强管 RTP 发展较晚，近年来越来越受到重视。国外目前较多的是芳纶纤维增强的 RTP 管材。芳纶纤维增强的 RTP 管的工作压力可高达到 9MPa-14MPa，爆破压力可高达 40MPa。它既可以达到很高的耐压强度又能保持可盘卷的柔韧性，突出的优点是铺设方便和迅速。 (1) 热塑性塑料增强 RTP 管材的结构热塑性塑料增强 RTP 管材大部分是三层结构，内层是耐腐蚀、耐磨损的聚乙烯管，中层是增强的缠绕层(缠绕的材料有高强度合成纤维，玻璃纤维，碳纤维和细金属丝多种)，外层是保护用的聚乙烯层。最常用的增强材料是芳纶纤维 Aramidfiber。 (2) 典型国外生产厂商 P~EHFE(派来福)的 RTP 产品 Soluforce 介绍 Soluforce 内层是高密度聚乙烯 HDPE(PE100)，中间层是高强度的芳纶 Aramid 纤维增强层(也可以用聚脂 Polyester 纤维，但是耐压相对较低)，外层为 HDPE(PE100)的保护层。生产的工艺是先挤出内层 HDPE 管，然后正反交错缠绕芳纶纤维增强带，最后再挤出覆盖外保护层。派来福 RTP 产品 Soluforce 有 4 英寸和 5 英寸两个常用规格，以连续长盘管(4OO 米和 280 米)方式供应。工作压力可以达到 32bar~95bar(输水时最大工作压力可以到9．5Mpa)。耐温 65~C，设计寿命是 2O 年。端部管件采用标准的钢发兰盘连接，管段中间可以用电熔管件(增强热塑性塑料的电熔连接套)连接。铺设的速度很快，大约在每小时 l 公里。 Soluforce 已经应用在阿曼、科威特和沙特阿拉伯等地的石油业中。

(3) RTP 管材的连接技术 RTP 长盘卷管，减少了连接工作量和管件需要量，出厂时已经接好有标准法兰端面的管件。RTP 管材有两种连接： RTP 管材和 RTP 管材间的连接；盘卷RTP 管端和其他管材和管件(如阀门、三通等) 的连接。 RTP 管端连接的技术有两种——电

熔一热熔连接和机械压紧方式连接。电熔一热熔连接是先把 RTP 管热熔对接，然后把专用的增强电熔连接套移到连接处通电熔接(连接套可以承受轴向负载)。所用的焊接设备和普通聚乙烯管道系统用的类似，只是热熔套长度较长。机械压紧方式连接是把一个金属管件的插口端插入 R11P，在 RTP 外套一个金属套，用机械方法把金属套一 RTP 管端一管件插口端压紧成为可以保证密封并承受轴向负载的接头。类似高压胶管的连接。 (4) RTP 管材目前应用领域热塑性塑料增强 RTP 管材目前主要应用于工业领域，特别是石油开采业。已经应用在炎热的中东沙漠地区，酷寒的西伯利亚及在海上油井作业中。该管材最突出的优点是柔韧性好，可盘卷供应。可以免除大量的连接工作，灵活适应地形，实现非常迅速和经济的铺设并很容易拆迁移地再应用。 (5) RTP 管材未来应用领域 RTP 管材优点突出，其应用领域必然会进一步扩大。目前，国外正在努力做把 RTP 应用到天然气高压输送管道的工作(目前聚乙烯管道系统还只应用在中低压的天然气输配管道，即压力在 lObar 以下的管网末端)，为此，正在对热塑性塑料增强管 RTP 进行系统的试验，准备制定相关标准。国内已经开始探讨开发输水用公称压力 0．6MPa- 2MPa 直径 500mm~1000mm 的钢丝增强聚乙烯压力管，目的是节约材料和提高耐压。预计比 PE100 管壁厚减少一半，成本降低 20％～30％。

(6) 制造 RTP 管材的生产线德国 KUHNE 生产线(krauss—Maffei)国内已有引进。一条挤出生产线制造纤维增强带(用聚乙芳纶纤维复合单向带)，功率 350kW。一条挤出内层管一缠绕增强带一挤出外护套层的生产线。生产中由一台挤出机挤出内层聚乙烯，缠绕纤维复合带同时熔融焊接到一起；然后再通过另外一台挤出机挤出覆盖外保护层；冷却定型后盘卷起来，功率 800kW。国内目前己经能制造钢丝增强聚乙烯管 (到 500mm)生产线，开始探索制造芳纶纤维增强的生产线和开发直径到 1000mm 的钢丝增强生产线。 (7) RTP 管材铺设技术需要专门设计的车辆和配套装置(能把已经铺开的 RTP 再盘卷起来)；在油田常铺在地面；也可采用不开挖铺设(如犁入法)。 3 建议开发 RTP 管材目前已有市场，但潜在的市场更广阔。国外 RTP 管材技术已经比较成熟，从设计、制造到施工逐渐形成了规范。在已有引进技术的基础上，可利用国内现有的基础和资源，无需过多投资就可以把这种产品开发出来。在掌握 RTP 管材制造技术的基础上可以进一步开发柔性多层复合增强管道(海洋石油开采)等新产品。目前国内开发 RTP 管材的条件已经成熟。首先国内已经能够生产芳纶纤维(烟台)，并且中科院平“惠公司”选择了中科院“合肥固体所”纳米 PET 树脂经过纺丝牵伸后，再经过高温处理，处理后测试结果见表 1。表 1 纳米 PET 树脂处理后测试结果 200~C 处理时间(分钟) 拉伸强度断裂伸长率％ 3.7l O 3.8l 2 3.41 4 3.68 19.2 9.6 6 8 3.45 20.5 10.3

34.5 l8.8 9.4

2l.3

断裂伸长率修正值％ 17.3

10.7

注：断裂伸长率修正值是参照美国纤维测试标准进行的修正值。试验结果表明：熔纺牵伸的纳米 PET 纤维， 200~C 经不同时间处理后，在强度下降率在 7％左右，伸长率下降了 40％左右。说明这种纳米 PET 纤维作为纤维增强复合管材的增强纤维完全有替代芳纶纤维应用的可能。并且已有的试验结果表明，应用成核剂可以把这种纳米 PET 纤维的断裂伸长率降至 5％以内。采用国产纤维不仅能够降低成本，更重要的是国产纤维可以直接加工成纤维带，以盘卷的形式供应，管材厂不需要准备专用生产线去预加工纤维带，可以减少投资简化工艺。另一方面，国内现在已经有企业成功开发了钢丝编织增强聚乙烯管材生产线和钢丝缠绕增强聚乙烯管材生产线，并且还有一批企业积累了生产增强管材的经验：国内己经引进了 Kruass－Maffei 的目前世界上最先进的 R11P 生产线，消化吸

收国产化已经指日可待。因此建议：开发直径 200 毫米以下可盘卷的纤维增强聚乙烯