CN105202281B - 高分子量聚乙烯钢骨架复合管及其制作方法和复合设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分子量聚乙烯钢骨架复合管及其制作方法和复合设备。自身材料强度和复合粘结强度都很高；管道柔韧性好，可随地形变化弯曲铺设，能够抵抗一定程度的地面沉降，不易开裂；同时柔韧性好，管道接头应力可大幅度减少，制作时仅需单向缠绕钢丝，内管旋转，碳素弹簧钢丝的直径为0.5mm‑3mm，高分子量线性低密度聚乙烯粘合层（2）外周设置高分子量聚乙烯片材保护层（4），高分子量聚乙烯片材保护层（4）的分子量为80万‑95万单位，高分子量聚乙烯片材保护层（4）由经过热拉伸处理后的高分子量聚乙烯片材螺旋缠绕并收缩后形成，缠绕后相邻高分子量聚乙烯片材边沿相互搭接，搭接宽度为20mm‑40mm，高分子量聚乙烯片材的厚度为2 mm‑5mm、宽度为200mm‑800mm。

Description

高分子量聚乙烯钢骨架复合管及其制作方法和复合设备

技术领域

本发明涉及一种聚乙烯复合管，具体地说是一种高分子量聚乙烯钢骨架复合管及其制作方法和复合设备。

背景技术

国内目前大量生产应用的普通聚乙烯钢丝缠绕复合管存在较多的薄弱环节，例如： PE100级的主体材质原料抗冲击强度、抗环境应力开裂能力以及耐疲劳性、耐低温性能有限，为确保管材基体在各受力方向都不会开裂，必须增加管道壁厚，而且基体外部需要双层交叉缠绕钢丝，导致管道的制造成本较高，管道自身的柔韧性较差，无法随地形变化弯曲铺设，不能抗地面沉降，经常造成因接头部位应力集中而开裂的事故。另外这类管道在制作时，由于双层钢丝交叉缠绕，因此必须采用内管纵向平动、双排旋转支架带着钢丝轮左右旋转的复合缠绕方式。而一个旋转支架上装着几百个钢丝轮，体积大，负荷重，不能快速旋转，特别是直径800mm以上大口径管道，更难复合，所以至今1m以上管径的PE100钢丝缠绕复合管仍然是个空白。为解决上述问题，申请人曾提出“超高分子量聚乙烯钢骨架复合管材”技术，并以申报专利（专利号ZL200810013754.5），在一定程度上解决了普通聚乙烯钢丝缠绕复合管存在的缺陷。但通过多年应用，发现超高钢骨架复合管存在几个不足之处需要解决：1、超高分子量聚乙烯内管材质虽然具有诸多极其优异的性能，但做为供排水管线，大多数高性能指标发挥不出来，而材质原料价格过高，螺杆挤出速度又太慢，生产效率较低，制约了该产品的销售推广。2、原超高分子量聚乙烯钢骨架复合管工艺是在内管上“冷缠”钢丝，二者没有复合成一体，在使用中，钢丝移位及剥离的情况经常发生，影响使用寿命。3、钢丝和内管、外保护层之间用热熔胶粘合。这种粘合材料本身机械强度和粘合强度都较低，耐热性能又差，太阳一晒就熔融了，使管材应付环境变化的能力大打折扣。4、聚乙烯辐射交联热缩胶带虽然许多性能超过PE100聚乙烯，但通过应用，做为外保护层抗外力破坏能力仍显不足，还是容易损伤、开裂，导致管材钢丝层进水，钢丝锈蚀，降低管材的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分子量聚乙烯钢骨架复合管及其制作方法和复合设备，它能够解决现有技术存在的不足。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

高分子量聚乙烯钢骨架复合管，包括高分子量聚乙烯内管，高分子量聚乙烯内管的分子量为20万-60万单位，其厚度为4mm-20mm，高分子量聚乙烯内管外壁设置高分子量线性低密度聚乙烯粘合层，高分子量线性低密度聚乙烯粘合层内设置碳素弹簧钢丝层，碳素弹簧钢丝层由碳素弹簧钢丝单层螺旋缠绕形成，碳素弹簧钢丝的直径为0.5mm-3mm，高分子量线性低密度聚乙烯粘合层外周设置高分子量聚乙烯片材保护层，高分子量聚乙烯片材保护层的分子量为80万-95万单位，高分子量聚乙烯片材保护层由经过热拉伸处理后的高分子量聚乙烯片材螺旋缠绕并收缩后形成，缠绕后相邻高分子量聚乙烯片材边沿相互搭接，搭接宽度为20mm-40mm，高分子量聚乙烯片材的厚度为2 mm-5mm、宽度为200mm-800mm。所述高分子量聚乙烯片材的纵向拉伸强度大于100MPa。

高分子量聚乙烯钢骨架复合管的制作方法如下：

①用高分子量聚乙烯管材生产线挤出高分子量聚乙烯内管备用；

②取直径为0.5mm-3mm的碳素弹簧钢丝备用；

③取高分子量聚乙烯片材进行热拉伸处理，热拉伸处理后的高分子量聚乙烯片材厚度为2 mm-5mm、宽度为200mm-800mm；

④对步骤③中热拉伸处理后的高分子量聚乙烯片材的一面进行表面活化处理，并在活化处理后的表面上热覆高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料，高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料的厚度为0.5mm-2mm；

⑤对步骤①得到的高分子量聚乙烯内管表面进行加热活化处理，对步骤②所述的碳素弹簧钢丝和步骤④热覆粘合材料后的高分子量聚乙烯片材分别进行预热，预热后的温度为160℃-200℃；

⑥将步骤⑤预热后的碳素弹簧钢丝螺旋缠绕在步骤⑤加热活化处理后的高分子量聚乙烯内管外表面，形成碳素弹簧钢丝层，碳素弹簧钢丝螺旋缠绕的同时将步骤⑤预热后的高分子量聚乙烯片材按相同方向螺旋缠绕在碳素弹簧钢丝层外周，相邻高分子量聚乙烯片材相互搭接，形成高分子量聚乙烯片材保护层，缠绕碳素弹簧钢丝和高分子量聚乙烯片材时，使用450℃-550℃的热风对碳素弹簧钢丝和高分子量聚乙烯片材与高分子量聚乙烯内管接触的位置加热，并从内、外两侧施加外力，使高分子量聚乙烯内管、碳素弹簧钢丝层和高分子量聚乙烯片材保护层三者受热后在外力作用下相互挤压熔合，高分子量聚乙烯片材上热覆的高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料将碳素弹簧钢丝层包裹并充满高分子量聚乙烯片材保护层与高分子量聚乙烯内管之间的空间，形成高分子量线性低密度聚乙烯粘合层，将高分子量聚乙烯片材保护层、碳素弹簧钢丝层和高分子量聚乙烯内管三者粘合在一起，形成复合管材。

⑦将步骤⑥得到的复合管材根据实际需要切割成具有一定长度的管道，静置冷却后高分子量聚乙烯片材保护层的高分子量聚乙烯片材冷却收缩并紧密抱紧紧高分子量聚乙烯内管，即得到高分子量聚乙烯钢骨架复合管。

步骤②中的碳素弹簧钢丝预先进行表面镀铜，并用钢丝过塑机在钢丝表面热合一层高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料。

高分子量聚乙烯钢骨架复合管的管道复合设备，包括内管固定支座，内管固定支座上安装拉杆固定器，拉杆固定器与前拉杆的一端连接，前拉杆另一端通过快速接头与后拉杆的一端连接，后拉杆上安装支撑筒，支撑筒外周靠近前拉杆的一端设置前驱动轮组，支撑筒外周远离前拉杆的一端设置后驱动轮组，前驱动轮组和后驱动轮组均由多个倾斜设置的驱动轮沿支撑筒外周分布构成，前驱动轮组与后驱动轮组之间的支撑筒侧面由前向后依次设置热风加热装置、钢丝输送装置、片材输送装置和压辊，快速接头靠近后拉杆的一侧下方设置U型插口，U型插口通过伸缩杆与伸缩杆底座连接。所述支撑筒外周设置多个弹性支撑轮，弹性支撑轮能够沿支撑筒与内管壁的相对运动方向滚动，弹性支撑轮自身具有弹性。前拉杆下方设置输入端托架，后驱动轮组远离前驱动轮组的一侧下方设置输出端托架。所述拉杆固定器包括螺杆，螺杆与内管固定支座螺纹配合，螺杆一端通过定位销与前拉杆插接，螺杆另一端安装手轮。所述支撑筒由三段组成，中段的支撑筒与压辊位置对应，前段的支撑筒与前驱动轮组位置对应，后段的支撑筒与后驱动轮组位置对应，各段支撑筒之间的后拉杆上均设置万向节。前驱动轮组与后驱动轮组之间的支撑筒两侧均设置压辊。

本发明的优点在于：自身材料强度和复合粘结强度都很高；管道柔韧性好，可随地形变化弯曲铺设，能够抵抗一定程度的地面沉降，不易开裂；同时柔韧性好，管道接头应力可大幅度减少，管道最容易出现问题的接头部位的风险显著降低；制作时仅需单向缠绕钢丝，内管旋转，这样钢丝轮就可固定在地面上输送，跟着内管旋转缠绕，不需钢丝轮绕管道旋转，因此能够轻而易举地生产直径1m以上的大直径聚乙烯钢骨架复合管，而且可以连续不停机生产，结构合理，工艺先进；由于管道内外材料的各项性能指标都远远超过普通聚乙烯管道，所以其适应恶劣环境的能力强，安全可靠性更高，使用寿命更长等。

附图说明

图1是本发明所述高分子量聚乙烯钢骨架复合管的结构示意图；

图2是本发明所述高分子量聚乙烯钢骨架复合管的管道复合设备的结构示意图之一，图中主要示意管道复合部分的结构；

图3是本发明所述高分子量聚乙烯钢骨架复合管的管道复合设备的结构示意图之二，图中主要示意连续生产时内管对接部分的结构；

图4是图3中A-A剖视放大结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的高分子量聚乙烯钢骨架复合管包括高分子量聚乙烯内管1，高分子量聚乙烯内管1的分子量为20万-60万单位，其厚度为4mm-20mm，高分子量聚乙烯内管1外壁设置高分子量线性低密度聚乙烯粘合层2，高分子量线性低密度聚乙烯粘合层2内设置碳素弹簧钢丝层3，碳素弹簧钢丝层3由碳素弹簧钢丝单层螺旋缠绕形成，碳素弹簧钢丝的直径为0.5mm-3mm，高分子量线性低密度聚乙烯粘合层2外周设置高分子量聚乙烯片材保护层4，高分子量聚乙烯片材保护层4的分子量为80万-95万单位，高分子量聚乙烯片材保护层4由经过热拉伸处理后的高分子量聚乙烯片材螺旋缠绕并收缩后形成，缠绕后相邻高分子量聚乙烯片材边沿相互搭接，搭接宽度为20mm-40mm，高分子量聚乙烯片材的厚度为2 mm-5mm、宽度为200mm-800mm。本发明自身强度高、柔韧性强，可随地形变化弯曲铺设，能够抵抗一定程度的地面沉降，不易开裂，制作时仅需单向缠绕钢丝，钢丝轮可固定安装，不需绕管道旋转，因此能够生产直径1m以上的大直径聚乙烯钢骨架复合管。与此前申请的超高分子量聚乙烯钢骨架复合管材相比，本发明采用高分子量聚乙烯材料制作，大幅降低了原材料成本，同时有效提升了生产效率；钢丝、内管和外保护层之间采用高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料进行粘合，自身的机械性能、粘合强度及耐热性能均优于热熔胶，使本发明适应环境变化的能力得到大幅提升；外保护层采用了高分子量聚乙烯片材，抗外力破坏能力强，能够有效提升管材的使用寿命。

本发明为了确保高分子量聚乙烯片材保护层4的高分子量聚乙烯片材在受压变形时不会断裂，需确保所述高分子量聚乙烯片材的纵向拉伸强度大于100MPa。上述拉伸强度的高分子量聚乙烯片材制成的复合管能够满足目前各应用领域对管材强度的要求，而由拉伸强度小于100MPa的高分子量聚乙烯片材制作的复合管仅能用于少数对管材强度要求相对较低的领域。

本发明所述高分子量聚乙烯钢骨架复合管的制作方法的步骤如下：

①用高分子量聚乙烯管材生产线挤出高分子量聚乙烯内管1备用；

②取直径为0.5mm-3mm的碳素弹簧钢丝备用；

③取高分子量聚乙烯片材进行热拉伸处理，热拉伸处理后的高分子量聚乙烯片材厚度为2 mm-5mm、宽度为200mm-800mm；

④对步骤③中热拉伸处理后的高分子量聚乙烯片材的一面进行表面活化处理，并在活化处理后的表面上热覆高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料，高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料的厚度为0.5mm-2mm；

⑤对步骤①得到的高分子量聚乙烯内管1表面进行加热活化处理，对步骤②所述的碳素弹簧钢丝和步骤④热覆粘合材料后的高分子量聚乙烯片材分别进行预热，预热后的温度为160℃-200℃；

⑥将步骤⑤预热后的碳素弹簧钢丝螺旋缠绕在步骤⑤加热活化处理后的高分子量聚乙烯内管1外表面，形成碳素弹簧钢丝层3，碳素弹簧钢丝螺旋缠绕的同时将步骤⑤预热后的高分子量聚乙烯片材按相同方向螺旋缠绕在碳素弹簧钢丝层3外周，相邻高分子量聚乙烯片材相互搭接，形成高分子量聚乙烯片材保护层4，缠绕碳素弹簧钢丝和高分子量聚乙烯片材时，使用450℃-550℃的热风对碳素弹簧钢丝和高分子量聚乙烯片材与高分子量聚乙烯内管1接触的位置加热，并从内、外两侧施加外力，使高分子量聚乙烯内管1、碳素弹簧钢丝层3和高分子量聚乙烯片材保护层4三者受热后在外力作用下相互挤压熔合，高分子量聚乙烯片材上热覆的高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料将碳素弹簧钢丝层3包裹并充满高分子量聚乙烯片材保护层4与高分子量聚乙烯内管1之间的空间，形成高分子量线性低密度聚乙烯粘合层2，将高分子量聚乙烯片材保护层4、碳素弹簧钢丝层3和高分子量聚乙烯内管1三者粘合在一起，形成复合管材。

⑦将步骤⑥得到的复合管材根据实际需要切割成具有一定长度的管道，静置冷却后高分子量聚乙烯片材保护层4的高分子量聚乙烯片材冷却收缩并紧密抱紧紧高分子量聚乙烯内管1，即得到高分子量聚乙烯钢骨架复合管。

本发明通过预先对高分子量聚乙烯内管1、碳素弹簧钢丝和高分子量聚乙烯片材进行预热处理，并在管道复合过程中对三者结合部位进行加热、加压，使三者相互紧密熔合，通过高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料粘合在一起，从而有效地避免管道使用过程中钢丝移位或脱落，大幅提高管道一体化强度。

为进一步增加本发明使用的碳素弹簧钢丝表面的附着能力，可将步骤②中的碳素弹簧钢丝预先进行表面镀铜，并用钢丝过塑机在钢丝表面热合一层高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料。

本发明所述高分子量聚乙烯钢骨架复合管的管道复合设备，包括内管固定支座5，内管固定支座5上安装拉杆固定器6，拉杆固定器6与前拉杆7的一端连接，前拉杆7另一端通过快速接头8与后拉杆9的一端连接，后拉杆9上安装支撑筒10，支撑筒10外周靠近前拉杆7的一端设置前驱动轮组11，支撑筒10外周远离前拉杆7的一端设置后驱动轮组12，前驱动轮组11和后驱动轮组12均由多个倾斜设置的驱动轮沿支撑筒10外周分布构成，前驱动轮组11与后驱动轮组12之间的支撑筒10侧面由前向后依次设置热风加热装置22、钢丝输送装置23、片材输送装置24和压辊13，快速接头8靠近后拉杆9的一侧下方设置U型插口14，U型插口14通过伸缩杆15与伸缩杆底座16连接。管道复合过程中，前驱动轮组11与高分子量聚乙烯内管1外壁接触，后驱动轮组12与复合后的高分子量聚乙烯片材保护层4外壁接触，前驱动轮组11和后驱动轮组12共同驱动高分子量聚乙烯内管1一边旋转一边向后移动，高分子量聚乙烯内管1旋转的同时将钢丝输送装置23和片材输送装置24输送来的碳素弹簧钢丝和高分子量聚乙烯片材缠绕在它的外表面，缠绕过程中热风加热装置22向高分子量聚乙烯内管1、碳素弹簧钢丝和高分子量聚乙烯片材的结合部位吹热风进行加热，同时高分子量聚乙烯内管1内侧的支撑筒10与高分子量聚乙烯内管1外侧的压辊13从高分子量聚乙烯内管1的内外两侧共同施加外力，使高分子量聚乙烯内管1、碳素弹簧钢丝层3和高分子量聚乙烯片材保护层4三者受热后在外力作用下相互挤压熔合，高分子量聚乙烯片材上热覆的高分子量线性低密度聚乙烯粘合材料将碳素弹簧钢丝层3包裹并充满高分子量聚乙烯片材保护层4与高分子量聚乙烯内管1之间的空间，形成高分子量线性低密度聚乙烯粘合层2，将高分子量聚乙烯片材保护层4、碳素弹簧钢丝层3和高分子量聚乙烯内管1三者牢固的粘合在一起，形成复合管。该设备仅单向缠绕钢丝，钢丝轮可固定安装，不需绕管道旋转，因此能够生产直径1m以上的大直径聚乙烯钢骨架复合管。当一段高分子量聚乙烯内管1的端部移动至U型插口14后侧时，伸缩杆15伸出，使U型插口14托住后拉杆9、并同时卡住快速接头8，此时通过快速接头8将前拉杆7与后拉杆9分离，并从拉杆固定器6上取下前拉杆7，将另一端内管套在前拉杆7上，或直接将另一端预先穿好前拉杆7的内管安装在拉杆固定器6上，并通过快速接头8与后拉杆9连接，然后将伸缩杆15收缩，U型插口14离开后拉杆9，此时将新换上的这段内管向后移动，与原内管的端部对接并使用焊枪焊接到一起，此后两根内管开始同步转动。上述结构能够实现连续不停机生产，大幅提升管道的生产效率。本发明为增加前后驱动轮组驱动内管移动时的摩擦力，所述驱动轮可采用带有花纹的钢轮。

本发明为了减少内管与支撑筒10之间的摩擦力，可在所述支撑筒10外周设置多个弹性支撑轮17，弹性支撑轮17能够沿支撑筒10与内管壁的相对运动方向滚动，弹性支撑轮17自身具有弹性。支撑筒10与压辊13对复合管进行挤压时，弹性支撑轮17被挤压收缩，使支撑筒10与内管内壁充分接触，支撑筒10不受压时，弹性支撑轮17恢复形状，使支撑筒10外壁与内管内壁分离，降低内管移动时的阻力，减少设备负载。

本发明为防止管道复合位置前后两侧的管道由于自重的原因而向下弯曲，导致复合位置的管道变形，影响钢丝及片材的缠绕效果，可在前拉杆7下方设置输入端托架18，后驱动轮组12远离前驱动轮组11的一侧下方设置输出端托架19。

本发明所述拉杆固定器6的优选结构如下：所述拉杆固定器6包括螺杆20，螺杆20与内管固定支座5螺纹配合，螺杆20一端通过定位销与前拉杆7插接，螺杆20另一端安装手轮21。该结构能够通过旋转手轮21来调节前拉杆7的松紧度，可在前拉杆7安装后将其拉紧，在拆卸时将其放松。还可调节支撑筒的前后位置，可避免前后拉杆之间出现位置偏差从而导致复合位置的管道产生位置偏移。除优选结构外，本发明所述拉杆固定器6也可采用快速接头、法兰盘等其它多种结构，但这些结构无法调节前拉杆7的松紧度，使用时容易出现管道倾斜或偏移的情况。

本发明为抵消管道在压辊13处承受的侧向应力，可采用下述结构：所述支撑筒10由三段组成，中段的支撑筒与压辊13位置对应，前段的支撑筒与前驱动轮组11位置对应，后段的支撑筒与后驱动轮组12位置对应，各段支撑筒之间的后拉杆9上均设置万向节25。

本发明为进一步消除管道在压辊13处承受的侧向应力，可在前驱动轮组11与后驱动轮组12之间的支撑筒10两侧均设置压辊13。使用时适当调整两侧压辊的压力，将管道受到的侧压力抵消。

Claims (4)

1.高分子量聚乙烯钢骨架复合管的管道复合设备，其特征在于：包括内管固定支座（5），内管固定支座（5）上安装拉杆固定器（6），拉杆固定器（6）与前拉杆（7）的一端连接，前拉杆（7）另一端通过快速接头（8）与后拉杆（9）的一端连接，后拉杆（9）上安装支撑筒（10），支撑筒（10）外周靠近前拉杆（7）的一端设置前驱动轮组（11），支撑筒（10）外周远离前拉杆（7）的一端设置后驱动轮组（12），前驱动轮组（11）和后驱动轮组（12）均由多个倾斜设置的驱动轮沿支撑筒（10）外周分布构成，前驱动轮组（11）与后驱动轮组（12）之间的支撑筒（10）侧面由前向后依次设置热风加热装置（22）、钢丝输送装置（23）、片材输送装置（24）和压辊（13），快速接头（8）靠近后拉杆（9）的一侧下方设置U 型插口（14），U 型插口（14）通过伸缩杆（15）与伸缩杆底座（16）连接，所述支撑筒（10）外周设置多个弹性支撑轮（17），弹性支撑轮（17）能够沿支撑筒（10）与内管壁的相对运动方向滚动，弹性支撑轮（17）自身具有弹性。

2.根据权利要求1 所述的高分子量聚乙烯钢骨架复合管的管道复合设备，其特征在于：前拉杆（7）下方设置输入端托架（18），后驱动轮组（12）远离前驱动轮组（11）的一侧下方设置输出端托架（19），所述支撑筒（10）由三段组成，中段的支撑筒与压辊（13）位置对应，前段的支撑筒与前驱动轮组（11）位置对应，后段的支撑筒与后驱动轮组（12）位置对应，各段支撑筒之间的后拉杆（9）上均设置万向节（25）。

3.根据权利要求1 所述的高分子量聚乙烯钢骨架复合管的管道复合设备，其特征在于：所述拉杆固定器（6）包括螺杆（20），螺杆（20）与内管固定支座（5）螺纹配合，螺杆（20）一端通过定位销与前拉杆（7）插接，螺杆（20）另一端安装手轮（21）。

4.根据权利要求1 所述的高分子量聚乙烯钢骨架复合管的管道复合设备，其特征在于：前驱动轮组（11）与后驱动轮组（12）之间的支撑筒（10）两侧均设置压辊（13）。