CN106042426A - 高性能非埋地承压热塑性塑料复合管道及其制造方法 - Google Patents

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陈敬昆
陈帆
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D23/00—Producing tubular articles
    • B29D23/001—Pipes; Pipe joints
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L9/00—Rigid pipes
    • F16L9/12—Rigid pipes of plastics with or without reinforcement

Abstract

本发明涉及高性能非埋地承压热塑性塑料复合管道，所述复合管道包括五层结构，其中复合管道的管壁由外至内分别是具有耐候性、高强度的第一层；具有高强度、能够阻止复合管道继续蠕变的第二层；能够与上下层进行融合、进行应力分配的辅助增强层，辅助增强层形成第三层；能够阻隔气体微量渗漏的气体阻隔层，气体阻隔层形成第四层；能够抗腐蚀，具有强度和韧性的内燃气接触层，内燃气接触层形成第五层。本结构的复合管道耐腐蚀和抗老化效果好，管内气体向外渗透的缺陷基本被阻隔。

Description

高性能非埋地承压热塑性塑料复合管道及其制造方法
技术领域
本发明属于环境友好型(环保型)的热塑性塑料制造，应用于城市管廊建设的高性能非埋地承压复合材料管道。
背景技术
近年来一种新型的增强复合材料-连续纤维增强热塑性塑料发展很快，国际上通常称为CFRT-Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic。CFRT中的增强材料是高强度连续纤维、常用玻璃纤维和碳纤维。基体材料是热塑性塑料，其独特的优点是材料属环境友好型、高强度、高韧性、抗腐性、重量轻等。国内虽然先后也有一些企业探索开发，但至今也未见到成熟的产品。而应用于中低压的天然气输配管道，大量使用HDPE(PE100)的原料生产，执行国标GB15558.1和国际标准ISO4437，在埋地状态下使用，而不能用于非埋地状态下。现在国家大力提倡和规划在城市中建设综合管廊工程，使用HDPE(PE100)的中低压天然气输配管道就无法在管廊中使用。在此领域使用高分子材料复合管道，现在国际国内尚属空白，而HDPE热塑性塑料管道在燃气中低压输送系统中具有无可比拟的优势，其优异的性能仍是极具发展潜力的优秀材料。
综上所述，现有技术并不能解决燃气用热塑性塑料管道的非埋地使用问题，在综合管廊中使用燃气输送塑料管是开发研究的重点方向。
发明内容
为了解决非埋压条件下塑料压力管道抗蠕变性和直接暴露在空气中的耐老化性能，以及在管廊内微量渗漏燃气，可能形成局部聚集而引起的安全问题，采用多层结构、多种不同性能材质组成的复合管材，实现上述目的的技术方案如下：
高性能非埋地承压热塑性塑料复合管道，所述复合管道包括五层结构，其中复合管道的管壁由外至内分别是具有耐候性、高强度的第一层；具有高强度、能够阻止复合管道继续蠕变的第二层；能够与上下层进行融合、进行应力分配的辅助增强层，辅助增强层形成第三层；能够阻隔气体微量渗漏的气体阻隔层，气体阻隔层形成第四层；能够抗腐蚀，具有强度和韧性的内燃气接触层，内燃气接触层形成第五层。
本结构的复合管道耐腐蚀和抗老化效果好，管内气体向外渗透的缺陷基本被阻隔。
附图说明
图1为本发明示意图
图2为抗蠕变性能检测结果示意图
附图序号说明：第一层1、第二层2、第三层3、第四层4、第五层5
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明。
本发明中，高性能非埋地承压热塑性塑料复合管道中复合管道包括五层结构，根据材料力学的预应力缓冲原理，采用材料强度逐层增强的方法，组成了五层结构，其中复合管道的管壁由外至内分别是具有耐候性、高强度的第一层1，第一层1采用耐候性、高强度的改性塑性塑料制造，此种材料具有极佳的耐候性能和优良的强度性能，能抵抗在施工中承压件，例如管材的外层被划伤，并能避免劣质环境条件对管材的不好影响。同时第一层的材质增加了与第二层材料的融合性，获得较强的结合力。
第二层2需要具有高强度、能够阻止复合管道继续蠕变的性能，可以采用双向缠绕加捻连续玻璃纤维，双向缠绕加捻连续玻璃纤维是以一定的夹角(以平衡轴向和径向抗拉强度)缠绕加捻玻璃纤维线(此玻璃纤维加捻线，经过使用具有热塑性、高粘接力、高强度的聚合物处理而成，使之具有很好的上下层粘结力)，第二层2是管材强度的最高层，可有效阻止复合管道的继续蠕变，并协同均衡增强管材的轴向和径向强度性能，使复合管道的各向强度性能趋于相同。
第三层3需要能够与上下层进行融合，形成辅助增强层；第三层3的材质可以采用玻璃纤维短纤改性增强的高密度聚乙烯HDPE(PE100)，例如玻璃纤维短纤可采用日本(4mm玻纤)改性增强HDPE原料生产，能极好进行管道的应力分配，达到最佳的综合强度效果，并且第三层3具有较好的与上下层融合的作用。
第四层4为气体阻隔层，气体阻隔层选用当前最优秀的气体阻隔热塑性塑料，能起到阻隔复合管道管内燃气的微量渗漏，采用本发明的结构和材质，经检测对比，气体渗漏率降低90％以上。
第五层5为复合管道的最内层，是内燃气接触层，内燃气接触层需要具备优异的抵抗化学腐蚀，具有较高的强度和韧性，以及极低的气体摩擦系数的特点，因此第五层5可以选取高密度聚乙烯(PE100级)材质作为内层。
本发明中复合管道通过下述步骤完成：
(1)：采用三层共挤技术设备，直接生产出由第五层、第四层和第三层组成的复合管，经真空冷却并定型，此步骤的生产可以使用现有技术；
(2)：使用两台连续纤维缠绕设备进行双向双层的制作，双向双层的意思是采用两个方向、两股纤维的缠绕方式进行制作，即内层纤维按逆时针方向缠绕，外层纤维按顺时针方向缠绕，缠绕密度为4*4mm/cm2；
(3)：使用一台塑料挤出机挤出热塑性塑料(ASA)改性料，包覆外层，包覆的外层形成复合管道的第一层，热塑性塑料(ASA)改性料的完成复合管道的强制定型，确保外径尺寸稳定，包覆层厚度控制在3-6mm之间。
本发明解决了非埋压条件下塑料压力管道抗蠕变性和直接暴露在空气中的耐老化性能，以及在管廊内微量渗漏燃气，可能形成局部聚集而引起的安全问题。而采用多层结构，多种不同性能材质组成的复合管材可以有效抵抗外界的侵袭、腐蚀的破坏，并且使管道上的各种应力能够合理分配。
针对主要应具备性能(耐候性、气体渗漏和抗蠕变性)进行了相关检测。
第一：耐候性检测
参照国标GB15558.1(2003)中附录E的耐候性测试，试验参数E≥3.5GJ/m2，气候老化后，取出试样，做管材性能测试：热稳定性、管材静液压强度(165h/80℃)，断裂伸长率等，均未发生明显变化。
第二：按照GB15558.1标准对比HDPE(PE100)管材检测气体渗漏率，气体渗漏率仅为HDPE(PE100)燃气管的10％以内。
第三：抗蠕变性能检测
设计了一个新的检测方法，即在80℃的热空气环境中，将管内注入水打压至5.0mpa(环应力)，进行了1000小时测试，测试后检测其外径变化情况，在165小时、500小时、1000小时检测分别取样检测，仅在165小时有不到2％的外径增大，其后的检测外径均无明显变化。
具体变化如图2所示：
见过上述实验数据说明该复合管道在恒定压力和较高温度情况下，经过一个多月的测试，能有效抵抗管材外径增大的(即蠕变)问题。
由于此复合管道的实际使用效果，需要很多年才能有一些趋势性结果，其加速检测试验方法，也没有公认或通行方法，其最终的性能现阶段只能通过现有复合材料理论的应用和加速测试方法(如ISO9080标准)的外延推测，预期其长期使用性能。
根据现阶段的测试结果分析，该产品在耐候性、气体渗透率、抗蠕变等性能，基本达到对该复合管道的设计预期目标值，可以在城市综合管廊中用于燃气或水等中低压介质的输送。
以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。

Claims (4)

1.高性能非埋地承压热塑性塑料复合管道，其特征在于：所述复合管道包括五层结构，其中复合管道的管壁由外至内分别是具有耐候性、高强度的第一层；具有高强度、能够阻止复合管道继续蠕变的第二层；能够与上下层进行融合、进行应力分配的辅助增强层，辅助增强层形成第三层；能够阻隔气体微量渗漏的气体阻隔层，气体阻隔层形成第四层；能够抗腐蚀，具有强度和韧性的内燃气接触层，内燃气接触层形成第五层。
2.根据权利要求1所述的高性能非埋地承压热塑性塑料复合管道，其特征在于：其中具有耐候性、高强度的第一层采用改性塑性塑料材质，第一层材质抵抗施工中对复合管道的外层划伤和环境条件对复合管道材料的性能影响，并增加与第二层材料的融合性和结合力；
其中，第二层采用缠绕加捻连续玻璃纤维形成双向双层结构，第二层为承压件强度最高层，有效阻止复合管道的继续蠕变，并协同均衡增强承压件的轴向和径向强度性能，使复合管道的各向强度性能趋于相同；
其中，第三层采用高密度聚乙烯(HDPE)短玻璃纤维增强材质，第三层能够进行应力分配，使复合管道达到最佳的综合强度效果，并具有与上、下层融合的作用；
其中，第四层采用气体阻隔热塑性塑料材质，起到阻隔管内燃气的微量渗漏；
其中，第五层采用高密度聚乙烯材质。
3.高性能非埋地承压热塑性塑料复合管道制造方法，其特征在于：
(1)首先采用三台共挤技术设备，直接生产出由第五层、第四层和第三层组成的复合管道，并且经真空冷却进行定型；
(2)使用两台连续纤维缠绕设备进行双向双层的工作，其中内层纤维按逆时针方向缠绕，外层纤维按顺时针方向缠绕，缠绕密度为4*4mm/cm2；
(3)使用一台塑料挤出机挤出热塑性塑料改性料，所述热塑性塑料改性料包覆在步骤(2)中的外层形成包覆层，包覆层为复合管道的第一层。
4.根据权利要求3所述的高性能非埋地承压热塑性塑料复合管道制造方法，其特征在于：所述包覆层厚度控制在3-6mm之间。
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