CN114017548B - 一种输送气体用无卤低烟低毒复合管及其加工方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种输送气体用无卤低烟低毒复合管，中间结构层为钢管层，钢管层内外为阻燃层、抗静电层，两端注塑有法兰连接类管件并套装有法兰，管壁有向外凸起的螺旋加强筋槽。加工方法为沿钢带的纵向压制加强筋槽，螺旋卷曲，沿螺旋搭接缝进行焊接，与此同时钢管加温，将挤出的阻燃层、抗静电层材料通过共挤出模头覆合在一起，贴覆滚压到钢管的内外壁上，冷却后得半成品，套上法兰，采用直接注塑的方法在半成品两端注塑法兰连接类管件，得无卤低烟低毒复合管。本发明制备的无卤低烟低毒复合管具有阻燃、抗静电、环保、耐冲击、重量轻、环刚度大、耐腐蚀、安装快捷、拆卸方便、成本低等特点,应用于非煤矿山、煤矿、隧道中。

Description

一种输送气体用无卤低烟低毒复合管及其加工方法和应用
技术领域
本发明属于矿用管材技术领域，具体涉及一种输送气体用无卤低烟低毒复合管及其加工方法和应用。
背景技术
煤矿、非煤矿山、掘进隧道等矿山均需要大量的输送气体的管道。目前，矿山使用的气体管包括金属管、非金属管和复合管。金属管强度高，但一般不耐腐蚀；非金属管耐腐蚀，但一般强度不高；复合管既具备金属管和非金属管的优点、又避免了两者的缺点，因此有广阔的市场需求。
矿山由于地质条件的限制，所需复合管除了满足正常的使用要求之外，还需要一些特殊的性能要求。例如非煤矿山和掘进隧道所用的复合管要求至少具有阻燃性能，煤矿所用复合管要求必须具有阻燃抗静电性能。但目前非金属管和复合管使用的阻燃体系中，燃烧均产生大量的有毒有害气体。据统计，矿山发生的火灾事故中，伤亡人数的80％左右是有毒有害气体造成的，因此，研发一种满足煤矿、非煤矿山、掘进隧道等矿山使用要求、阻燃抗静电要求，并且一旦发生火灾，燃烧不产生大量有毒有害气体的无卤低烟低毒复合管对于矿山安全生产具有十分重要意义。
无卤低烟低毒复合管所用的内外覆层阻燃材料、管件阻燃抗静电材料是含有氢氧化镁和氢氧化铝等无机阻燃剂的专用原料。无机阻燃材料虽然已经在电缆中应用，但因其不具备与金属粘接的性能，因此还未有在复合管中使用的报道；管件用阻燃抗静电材料因强度、韧性不合格的原因，尚未有工业化使用的报道。另外，为防止管道系统处于断续抗静电状态，除管体外表面覆盖一层抗静电材料外，管件专用原料需要使用注塑方法与管体熔为一体，管件至少覆盖一个螺旋加强筋，管件端面完全包覆钢管。
发明内容
针对现有技术中煤矿(含矿山)用气体管存在的燃烧时产生大量有毒有害气体的主要问题，本发明提供了一种输送气体用无卤低烟低毒复合管及其加工方法和应用，制备的无卤低烟低毒复合管具有满足标准要求的使用性能、阻燃性能和抗静电性能，同时具有环保(无卤低烟低毒)、耐冲击、重量轻、环刚度大、耐腐蚀、安装快捷、拆卸方便、可重复使用、成本较低等特点,尤其适用于非煤矿山、煤矿、隧道中大口径抽放瓦斯、正压通风、负压通风管。
本发明通过以下技术方案实现：
一种输送气体用无卤低烟低毒复合管，其中间结构层为钢管层，钢管层内外为阻燃层，复合管两端注塑有法兰连接类管件，法兰连接类管件之间套装有金属法兰；所述的钢管层由钢带焊接而成，管壁有向外凸起的螺旋加强筋槽。
进一步地，所述的无卤低烟低毒复合管内外两侧的阻燃层外为抗静电层；所述的钢管层为焊接钢管。
进一步地，所述的钢管层厚度为0.5-4.0mm，阻燃层厚度为0.3-3.5mm，抗静电层厚度为0.1-2.0mm，螺旋加强筋高度为10-30mm，钢管层钢管的公称直径为150-1600mm。
进一步地，所述的阻燃层由以下重量百分比的原料组成：基础树脂Ⅰ：20-40％，阻燃剂：45-80％，热熔胶粘剂：3-15％；所述的抗静电层由以下重量百分比的原料组成：基础树脂Ⅰ：70-90％，加工助剂1-5％，导电炭黑8-25％；所述的注塑材料由以下重量百分比的原料组成：基础树脂Ⅱ：20-40％，阻燃剂：45-80％，导电炭黑：8-25％。
进一步地，所述的基础树脂Ⅰ为线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯和EVA中的一种以上，优选线性低密度聚乙烯；阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁和硼酸锌中的一种以上；热熔胶粘剂为接枝改性聚烯烃类；基础树脂Ⅱ为POE弹性体。
进一步地，所述的阻燃层与钢管层之间，还可以增加含热熔胶粘剂的胶粘剂层。
本发明中，所述的输送气体用无卤低烟低毒复合管的加工方法包括以下步骤：
(1)将制备无卤低烟低毒复合管各层的非金属材料分别由螺杆挤出机挤出；
(2)沿钢带的纵向压制加强筋槽；
(3)将压有加强筋槽的钢带螺旋卷曲，沿钢带的螺旋搭接缝进行焊接，加工成管壁上具有螺旋加强筋槽的钢管，与此同时，将钢管加温，并将挤出的钢管非金属材料通过共挤出模头覆合在一起，贴覆滚压到钢管的内外壁上，阻燃层的加工温度控制在130～170℃，冷却后得无卤低烟低毒复合管半成品；
(4)将法兰套于无卤低烟低毒复合管半成品上，采用直接注塑的方法，将注塑原料注塑成法兰连接类管件固定在无卤低烟低毒复合管半成品两端，得无卤低烟低毒复合管成品。
进一步地，步骤(3)中所述的钢管通过沿薄壁钢管圆周方向进行焊接，形成沿薄壁钢管圆周方向的焊缝。
进一步地，所述的无卤低烟低毒复合管半成品根据需要截成所需长度。
本发明中，所述的输送气体用无卤低烟低毒复合管在非煤矿山、煤矿、隧道中的应用。输送的气体为含有瓦斯的气体、空气或其他气体。用于非煤矿山、隧道时，可以没有抗静电层。
本发明无卤低烟低毒复合管两端采用直接注塑的方法注塑法兰连接类管件，由于该无卤低烟低毒复合管表面凹凸不平，很难采用常规方法将管材与管件连接，因此使用直接注塑的方法，在130～170℃下成型，冷却后注塑材料紧紧包裹着管材端部，使管材与管件连为一体，不存在管件脱落和钢管裸露的问题。
本发明制备的输送气体用无卤低烟低毒复合管，其覆层不使用卤素、磷系等阻燃剂，阻燃剂成分为氢氧化铝、氢氧化镁或硼酸锌，当矿山发生瓦斯爆炸、粉尘爆炸、火灾时，复合管本身燃烧主要产生二氧化碳和水，燃烧时产生的毒性烟气的毒效和浓度不会在30分钟内使活体生物产生死亡，并且很快自熄；即使管材周围火焰不熄，由于管材结构原因，管体内部升温缓慢，至少可以继续输送5分钟的气体；输送气体用无卤低烟低毒复合管在正常使用过程中，管材重量轻、安装快捷、拆卸方便、可重复使用、成本较低，在发生顶板、冲击地压时，即使管材被掩埋、被巨石等砸中，管体发生变形，管体依然不会产生裂纹和破坏，可以继续使用。
有益效果
本发明制备的无卤低烟低毒复合管具有满足标准要求的阻燃性能、抗静电性能，同时具有环保(无卤低烟低毒)、耐冲击、重量轻、环刚度大、耐腐蚀、安装快捷、拆卸方便、可重复使用、成本较低等特点,尤其适用于非煤矿山、煤矿、隧道中大口径抽放瓦斯、正压通风、负压通风管。
附图说明
图1为本发明无卤低烟低毒复合管结构示意图；
图2为本发明无卤低烟低毒复合管A处局部剖面示意图；
其中，1.螺旋加强筋，2.焊缝，3.法兰，4.法兰连接类管件，5.钢管层，6.阻燃层，7.抗静电层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例作详细说明。本案例仅为以本技术发明方案为前提下的详细实施方案和具体操作过程，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的原则内作的任何修改、改进等，均应包含在保护范围内。
本发明中的输送气体用无卤低烟低毒复合管的结构示意图如图1所示，其A处局部剖面示意图如图2所示，由图可知，所述的无卤低烟低毒复合管的中间层结构层为钢管层5，钢管层5内外依次为阻燃层6和抗静电层7，复合管两端注塑有法兰连接类管件4，法兰连接类管件之间套装有金属法兰3，两个复合管通过法兰连接；钢管层由钢带焊接而成，管壁有向外凸起的螺旋加强筋槽1，螺旋加强筋1之间通过焊接形成的焊缝2连接，每两个螺旋加强筋之间一道焊缝2。
无卤低烟低毒复合管阻燃层由以下重量百分比的原料组成：基础树脂Ⅰ：20-40％，阻燃剂：45-80％，热熔胶粘剂：3-15％；抗静电层由以下重量百分比的原料组成：基础树脂Ⅰ70-90％，加工助剂1-5％，导电炭黑8-25％；注塑材料由以下重量百分比的原料组成：基础树脂Ⅱ：20-40％，阻燃剂：45-80％，导电炭黑：8-25％。
下面结合具体实施例对输送气体用无卤低烟低毒复合管加工方法进行阐述。
实施例1
本实施例中，输送气体用无卤低烟低毒复合管各层原料组成及加工方法如下所示：
阻燃层由以下重量百分比的原料组成：线性低密度聚乙烯：35％，氢氧化镁：25％，氢氧化铝：35％，马来酸酐接枝聚乙烯：5％；
抗静电层由以下重量百分比的原料组成：线性低密度聚乙烯85％，加工助剂3％，导电炭黑12％；
管件注塑材料由以下重量百分比的原料组成：POE 30％，氢氧化镁：35％，氢氧化铝：25％，导电炭黑：10％；
钢带厚度为2.5㎜，钢管直径为1000㎜，覆膜后内外阻燃层厚度分别为1.5㎜，内外抗静电层厚度分别为0.15㎜；
本实施例中输送气体用无卤低烟低毒复合管加工方法为：
(1)将制备无卤低烟低毒复合管的阻燃层、抗静电层分别由螺杆挤出机挤出；
(2)对钢带表面进行除锈，除锈后的钢带牵引至压槽机，沿钢带的纵向压制两个加强筋槽，加强筋的高度为16mm；
(3)将压有加强筋槽的钢带螺旋卷曲，沿钢带的螺旋搭接缝进行焊接，加工成管壁上具有螺旋加强筋槽的钢管，钢管通过沿薄壁钢管圆周方向进行焊接，形成沿钢管圆周方向、向上突起的焊缝；与此同时，将钢管加热，并将挤出的钢管抗静电层和阻燃层通过共挤出模头覆合在一起，贴覆滚压到钢管的内外壁上，阻燃层的加工温度控制在150±5℃，冷却后按照需求裁截长度，得无卤低烟低毒复合管半成品；
(4)将金属法兰套于无卤低烟低毒复合管半成品上，复合管半成品的一端放置在注塑模具中，使用注塑机直接将注塑材料注塑成法兰连接管件形状，注塑温度为150±5℃，冷却后移除模具，采用同样操作在复合管半成品另一端注塑法兰连接管件，得煤矿输送气体用无卤低烟低毒复合管。
实施例2
本实施例中，输送气体用无卤低烟低毒复合管各层原料组成及加工方法如下所示：
阻燃层由以下重量百分比的原料组成：EVA：37％，氢氧化镁：35％，氢氧化铝：20％，硼酸锌：5％，马来酸酐接枝聚乙烯：3％；
管件注塑材料由以下重量百分比的原料组成：POE 40％，氢氧化镁：25％，氢氧化铝：30％，硼酸锌：5％；
钢带厚度为2.5㎜，钢管直径为1000㎜，覆膜后内外阻燃层厚度分别为1.5㎜；
本实施例中输送气体用无卤低烟低毒复合管加工方法为：
(1)将制备无卤低烟低毒复合管的阻燃层由螺杆挤出机挤出；
(2)对钢带表面进行除锈，除锈后的钢带牵引至压槽机，沿钢带的纵向压制两个加强筋槽，加强筋的高度为16mm；
(3)将压有加强筋槽的钢带螺旋卷曲，沿钢带的螺旋搭接缝进行焊接，加工成管壁上具有螺旋加强筋槽的钢管，钢管通过沿薄壁钢管圆周方向进行焊接，形成沿钢管圆周方向、向上突起的焊缝；与此同时，将钢管加热，并将挤出的钢管阻燃层贴覆滚压到钢管的内外壁上，阻燃层的加工温度控制在150±5℃，冷却后按照需求裁截长度，得无卤低烟低毒复合管半成品；
(4)将金属法兰套于无卤低烟低毒复合管半成品上，复合管半成品的一端放置在注塑模具中，使用注塑机直接将注塑材料注塑成法兰连接管件形状，注塑温度为150±5℃，冷却后移除模具，采用同样操作在复合管半成品另一端注塑法兰连接管件，得非煤矿山、隧道输送气体用无抗静电层的无卤低烟低毒复合管。
实施例3
本实施例中，输送气体用无卤低烟低毒复合管各层原料组成及加工方法如下所示：
阻燃层由以下重量百分比的原料组成：低密度聚乙烯：40％，氢氧化镁：25％，氢氧化铝：32％，马来酸酐接枝聚乙烯：3％；
抗静电层由以下重量百分比的原料组成：低密度聚乙烯85％，加工助剂3％，导电炭黑12％；
管件注塑材料由以下重量百分比的原料组成：POE 30％，氢氧化镁：40％，氢氧化铝：20％，导电炭黑：10％；
钢带厚度为2.5㎜，钢管直径为1000㎜，覆膜后内外阻燃层厚度分别为1.5㎜，内外抗静电层厚度分别为0.15㎜；
本实施例中输送气体用无卤低烟低毒复合管加工方法为：
(1)将制备无卤低烟低毒复合管的阻燃层、抗静电层分别由螺杆挤出机挤出；
(2)对钢带表面进行除锈，除锈后的钢带牵引至压槽机，沿钢带的纵向压制两个加强筋槽，加强筋的高度为16mm；
(3)将压有加强筋槽的钢带螺旋卷曲，沿钢带的螺旋搭接缝进行焊接，加工成管壁上具有螺旋加强筋槽的钢管，钢管通过沿薄壁钢管圆周方向进行焊接，形成沿钢管圆周方向、向上突起的焊缝；与此同时，将钢管加热，并将挤出的钢管抗静电层和阻燃层通过共挤出模头覆合在一起，贴覆滚压到钢管的内外壁上，阻燃层的加工温度控制在145±5℃，冷却后按照需求裁截长度，得无卤低烟低毒复合管半成品；
(4)将金属法兰套于无卤低烟低毒复合管半成品上，复合管半成品的两端分别放置在注塑模具中，使用注塑机直接将注塑材料注塑成法兰连接管件形状，注塑温度为150±5℃，冷却后移除模具，得煤矿输送气体用无卤低烟低毒复合管。
性能测试
对实施例1～3制备的输送气体用无卤低烟低毒复合管的各项性能进行检测。
(1)扁平试验
按MT/T 558.1—2005中5.4的规定进行试验。
(2)耐正压性能试验
按AQ 1071—2009中4.3的规定进行试验。
(3)耐负压试验
按AQ 1071—2009中4.4的规定进行试验。
(4)拉伸强度试验
按CJ/T 225—2011中8.5.2的规定进行试验。
(5)环刚度试验
按AQ 1071—2009中4.2的规定进行试验。
(6)落锤冲击试验
按AQ 1071—2009中4.5的主要步骤进行试验。其中试验锤体质量为(160±1)㎏，试验用落锤冲头按4.5.1.3规定。
(7)剥离强度试验
按CJ/T 225—2011中附录A的规定进行试验。
(8)无卤性能试验
(a)HCl和HBr含量试验按GB/T17650.1-2021的规定进行；
(b)HF含量试验按IEC 60684-2：2003的规定进行；
(c)pH值试验按GB/T17650.2的规定进行。
(9)低烟性能试验
按GB/8323.2-2008规定进行，其中管材试样直接从管体切取，管件试样从管材端部较薄处切取。
(10)低毒性能试验
按GB/T 19666-2019附录C规定进行。
(11)管材表面电阻试验
按AQ 1071—2009中4.7的规定进行试验。
(12)管材组合件表面电阻试验
(a)组合件制备
(Ⅰ)组合件尺寸和数量
管材的组合件，总长度不少于1200mm，管材连接部位于组合件中部，管材的连接方式应与备案的类型一致，每种类型组合件数量为3件；
(Ⅱ)组合件的外观质量及其他要求
组合件表面应平整、光滑，无明显机械损伤、气孔、龟裂及杂质等缺陷；
(Ⅲ)组合件的清洁处理
用蘸有蒸馏水的干净绸布或消毒纱布清洗组合件以后，再用洁净的干布将组合件擦干，放置在干燥处24h以上；
(b)试验仪器
采用厚度0.06mm～0.1mm的铝箔、锡箔或铜箔作电极，用导电胶(膏)作粘结剂，电极的宽度为25mm；
高阻计量程范围在1×103Ω～1×1010Ω之间，准确度为5％，测试电压50V～500V，在试验中的电能消耗不应大于1W；
(c)试验条件
(Ⅰ)测试电压
在(500±10)V、(100±10)V、(50±5)V中任选其中一个电压；
(Ⅱ)测试环境
试验前，应将组合件放置在温度为(23±1)℃和相对湿度为(65±5)％的环境中不少于2h；
(d)测试步骤
(Ⅰ)测试组合件外表面电阻时，将两个电极紧密地附着在组合件的外壁表面，并遍及组合件外壁一周，两电极间相距1000mm。测试组合件内表面电阻时，则将两个电极紧密地附着在组合件内壁表面，并遍及内壁一周，两电极间相距1000mm。测试组合件内外壁间电阻时，将一个电极紧密地附着在组合件一端的外壁表面，并遍及组合件外壁一周，将另一个电极紧密地附着在组合件另一端的内壁表面，并遍及组合件内壁一周，两电极间相距1000mm；
(Ⅱ)将组合件放在绝缘垫块上，再将两个电极分别用引线接入高阻仪，施加试验电压1min后，测量电阻。每件组合件的内壁、外壁和内外壁间各做一次；
注意：试验时不能对试验区域呼吸，以免组合件受潮影响试验结果；
(e)结果表述
记录每次测得的表面电阻数据值，分别计算出内壁、外壁、内外壁间表面电阻的算术平均值，结果保留小数点后一位。
(13)管材、管件的酒精喷灯燃烧试验
按AQ 1071—2009中4.6的规定进行试验。
(14)耐老化性能试验
按AQ 1071—2009中4.8的规定进行试验，其中落锤冲击试验中试验锤体质量为(160±1)㎏。
检测结果如下表1所示：
表1实施例1～3制备的输送气体用无卤低烟低毒复合管主要技术特性和性能指标
Figure GDA0003420315310000081
Figure GDA0003420315310000091
从表1中可以看出，本发明制备的输送气体用无卤低烟低毒复合管不仅达到标准规定的所有性能，而且在拉伸性能、环刚度、落锤冲击性能、抗静电性能、阻燃性能远超标准要求。不仅如此，还增加了无卤性能、低烟性能、低毒性能等环保考核指标。在AQ1071标准中，要求环刚度≥16kN/m2，为提供管材在巷道整体塌方情况下抗外压的负载能力，使管材不塌陷，该性能提高至≥32kN/m2。在AQ1071标准中，要求落锤冲击的锤体质量是3㎏，高度为2米；在CJ/T120-2016标准中，要求落锤冲击的锤体质量是6.3㎏，高度为1米；在GB/T14152-2001标准中，规定的最大落锤质量是16㎏，高度为2米；本产品可以承受160㎏锤体质量、高度为2米的冲击而无裂纹和破坏，而且要求是所有试样均达到该要求(AQ1071标准要求是十根试样中九根无裂纹和破坏)。
本发明制备的输送气体用无卤低烟低毒复合管，其米重低，安装方便、成本低廉；该产品由钢管承压，不存在损坏的问题，因此使用寿命长；该产品具有阻燃、抗静电、环保(无卤低烟低毒)、耐冲击、重量轻、环刚度大、耐腐蚀、安装快捷、拆卸方便、可重复使用、成本较低等特点。以上性能，使之更加适应煤矿、非煤矿山、隧道中的应用，满足煤矿和/或矿井中复杂环境的使用要求。

Claims (7)

1.一种输送气体用无卤低烟低毒复合管，其特征在于，其中间结构层为钢管层，钢管层内外为阻燃层，复合管两端注塑有法兰连接类管件，法兰连接类管件之间套装有法兰；
所述的钢管层由钢带焊接而成，管壁有向外凸起的螺旋加强筋槽；
所述的无卤低烟低毒复合管内外两侧的阻燃层外为抗静电层；所述的钢管层为焊接钢管；
所述的阻燃层由以下重量百分比的原料组成：基础树脂Ⅰ：20-40%，阻燃剂：45-80%，热熔胶粘剂：3-15%；
所述的抗静电层由以下重量百分比的原料组成：基础树脂Ⅰ：70-90%，加工助剂1-5%，导电炭黑8-25%；
所述的注塑材料由以下重量百分比的原料组成：基础树脂Ⅱ：20-40%，阻燃剂：45-80%，导电炭黑：8-25%；
所述的基础树脂Ⅰ为线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯和EVA中的一种以上，阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁和硼酸锌中的一种以上；热熔胶粘剂为接枝改性聚烯烃类；基础树脂Ⅱ为POE弹性体。
2.根据权利要求1所述的输送气体用无卤低烟低毒复合管，其特征在于，所述的钢管层厚度为0.5-4.0mm，阻燃层厚度为0.3-3.5mm，抗静电层厚度为0.1-2.0mm，螺旋加强筋高度为10-30mm，钢管层钢管的公称直径为150-1600mm。
3.根据权利要求1所述的输送气体用无卤低烟低毒复合管，其特征在于，所述的阻燃层与钢管层之间，还可以增加含热熔胶粘剂的胶粘剂层。
4.一种权利要求1~3任一项所述的输送气体用无卤低烟低毒复合管的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将制备无卤低烟低毒复合管各层的非金属材料分别由螺杆挤出机挤出；
（2）沿钢带的纵向压制加强筋槽；
（3）将压有加强筋槽的钢带螺旋卷曲，沿钢带的螺旋搭接缝进行焊接，加工成管壁上具有螺旋加强筋槽的钢管，与此同时，将钢管加温，并将挤出的钢管非金属材料通过共挤出模头覆合在一起，贴覆滚压到钢管的内外壁上，阻燃层的加工温度控制在130~170℃，冷却后得无卤低烟低毒复合管半成品；
（4）将法兰套于无卤低烟低毒复合管半成品上，采用直接注塑的方法，将注塑原料注塑成法兰连接类管件固定在无卤低烟低毒复合管半成品两端，得无卤低烟低毒复合管成品。
5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，步骤（3）中所述的钢管通过沿钢管圆周方向进行焊接，形成沿薄壁钢管圆周方向的焊缝。
6.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，所述的无卤低烟低毒复合管半成品根据需要截成所需长度。
7.一种权利要求1~3任一项所述的输送气体用无卤低烟低毒复合管在非煤矿山、煤矿、隧道中的应用。
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