CN206617670U - 一种uhmwpe钢骨架复合输油管 - Google Patents

Abstract

一种UHMWPE钢骨架复合输油管，包括封头、接头内件、接头外件、接头扣压外套、接头内芯管和复合管，所述封头在最外侧；所述接头内件在封头内侧；所述接头外件在接头内件外侧，与封头相接；所述接头扣押外套与复合管相互嵌入在楔槽；所述复合管还包括内管、增强层和保护层，内管在复合管最内侧，增强层在内管外侧，保护层在最外侧；所述复合管的内管、增强层和保护层由聚烯烃专用粘合树脂连接。本实用新型利用超高分子量聚乙烯优异的耐腐蚀、低摩阻、高冲击强度、不易结垢、耐疲劳性等性能设计管道内管；利用高强度、超高强度材料做增强层；使用专用的粘合树脂将内层、增强层、外层可靠牢固地粘结在一起，从而保证各层形成一个稳定的力学结构。

Description

一种UHMWPE钢骨架复合输油管

技术领域

本实用新型涉及机械领域，尤其是一种UHMWPE钢骨架复合输油管。

背景技术

管道作为输送油、水、气等各种流态化介质的装备，对国民经济各个领域的安全高效生产具有举足轻重的地位。长期以来，管道材料主要使用的是钢管。钢管的强度高，但比重大，不耐腐蚀，不耐磨损，易结垢。特别是介质和环境对钢管的腐蚀，不仅给工业生产带来巨大的经济损失，而且会造成重大人身伤亡事故和严重的环境污染。为此，人们寻求各种非金属管道以替代易腐蚀的钢管。塑料管道由于耐腐蚀性能优良，在许多场合已逐渐取代钢管。但是，与钢管相比，塑料管的拉伸屈服强度低、耐高温性差、不耐冲击、易老化，又极大地限制了塑料管的应用。

我国目前装配式输油管线主要采用钢管，由于钢管比较重，在野外复杂地形铺设管线，人工搬运、拆卸等操作工作量大、难度大，且由于钢管易腐蚀、服役周期短、材料损耗大、成本高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种结构简单，投入成本少的一种UHMWPE钢骨架复合输油管。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

一种UHMWPE钢骨架复合输油管，包括封头、接头内件、接头外件、接头扣压外套、接头内芯管和复合管，所述封头在最外侧；所述接头内件在封头内侧；所述接头外件在接头内件外侧，与封头相接；所述接头扣押外套与复合管相互嵌入在楔槽；所述复合管还包括内管、增强层和保护层，内管在复合管最内侧，增强层在内管外侧，保护层在最外侧；所述复合管的内管、增强层和保护层由聚烯烃专用粘合树脂连接。

进一步地，所述复合管的内管是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管道。

进一步地，所述复合管的增强层是以50°——65°缠绕角左、右旋缠绕。

进一步地，所述复合管的增强层由高强度碳素弹簧钢丝组成。

进一步地，所述复合管的保护层是改性高密度聚乙烯。

本实用新型所提出的一种UHMWPE钢骨架复合输油管利用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)优异的耐腐蚀、耐摩耗、低摩阻(低输送功耗)、高冲击强度、不易结垢、耐疲劳性等性能设计管道内管(输送层)；利用高强度、超高强度材料(弹簧钢丝、玻璃纤维等)做增强层；利用改性高密度聚乙烯(热塑性弹性体、纳米材料改性)做外保护层；使用专用的粘合树脂将内层、增强层、外层可靠牢固地粘结在一起，从而保证各层形成一个稳定的力学结构。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的复合管结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型涉及一种UHMWPE钢骨架复合输油管，包括封头1、接头内件2、接头外件3、接头扣压外套4、接头内芯管5和复合管6，所述封头1在最外侧；所述接头内件2在封头1内侧；所述接头外件3在接头内件2外侧，与封头1相接；所述接头扣押外套与复合管6相互嵌入在楔槽；所述复合管6还包括内管7、增强层8和保护层9，内管7在复合管6最内侧，增强层8在内管7外侧，保护层9在最外侧；所述复合管6的内管7、增强层8和保护层9由聚烯烃专用粘合树脂连接；所述复合管6的内管7是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管道；所述复合管6的增强层8是以58°缠绕角左、右旋缠绕的高强度碳素弹簧钢丝组成；所述复合管6的保护层9是改性高密度聚乙烯。

实施例：本实用新型涉及一种UHMWPE钢骨架复合输油管，其复合管6由三层结构复合加工制成：

第一层(内管7)是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管道；

第二层(增强层8)是以58°缠绕角左、右旋缠绕高强度碳素弹簧钢丝组成；

第三层(保护层9)由改性高密度聚乙烯制成；

层间由聚烯烃专用粘合树脂粘接成一体。

1、材料

1.1内管7超高分子量聚乙烯

①内管7原料采用超高分子量聚乙烯树脂，原料分子量为200～300万。

②UHMWPE的抗冲击强度很高，是普通高密度聚乙烯的5倍之多；摩擦系数很小，使管道输运阻力小；化学稳定性高，能耐酸、碱、盐各种腐蚀性介质及有机溶剂的侵蚀，对汽油、煤油、柴油稳定；耐疲劳性能突出，耐磨性极强；此外还具有耐温、良好的抗应力开裂能力和抗蠕变性，这些特性，很适合野战输油管在平原、山地、沙漠、河流、沟壑等各种野外复杂地形及寒冷的北方地区使用。

③超高分子量聚乙烯混合料必须以超高分子量聚乙烯树脂为基础，仅加入必要的添加剂，如抗氧化剂、抗静电剂、润滑剂等。超高分子量聚乙烯混合料的基本性能参见CJ/T323附录A的规定。

1.2增强层钢丝

①增强层8所用钢丝为碳素弹簧钢丝，抗拉强度为2400MPa。

②本管道用于复杂的环境条件，既要考虑钢丝的强度，又要考虑耐冲击要求，选择D级是比较好的，其尺寸、允许偏差及力学性能符合GB4357的规定。

③钢丝表面镀铜锌合金。

1.3专用粘合树脂

①内管7、增强层8、保护层9采用聚烯烃专用粘合树脂作为粘合材料。

②聚烯烃专用粘合树脂是以一定分子量的聚烯烃树脂经化学改性而制成，对表面张力较低的UHMWPE管具有很强的粘接力。一方面，可以有效填充增强材料留余的空隙，另一方面，可以和内管7、增强材料、保护层9形成牢固的结合使复合管道成为一体，有效提高复合管道的承压能力等。

③聚烯烃专用粘合树脂是由专用材料，经生产性试验和性能试验验证，该粘合树脂的性能是可靠的。

1.4保护层改性高密度聚乙烯

①保护层9采用改性高密度聚乙烯。

②普通高密度聚乙烯的主要缺点之一是耐环境应力开裂性能差，通常室外环境使用1-2年就发生龟裂，适合埋地管道保护层9，不适合野外复杂地形和恶力环境下使用。改性高密度聚乙烯由不含双键的热塑性弹性体、纳米材料、抗静电、抗紫外等助剂对高密度聚乙烯改性，可使保护层9具有优良的耐环境应力开裂性能、防紫外、抗静电、耐寒性好、可制成伪装色等优良特点。

2、结构尺寸设计

2.1内管7尺寸

①超高分子量聚乙烯内管7的规格设计按照CJ/T323规定。

②公称内径145mm，设计内管7承压4.0MPa，内管壁厚为6.5mm。

2.2钢丝尺寸

①对于高压管道，在使用过程中管道主要承受内压作用，利用薄壁管应力理论推知，高压管道的螺旋向缠绕角58°。

②设计钢丝直径1mm，涂胶层厚0.25mm。

③单层最多缠绕钢丝线数n

n＝πD_M/(d/cosα)…………………………………(1)

式中：

D_M——第一层钢丝中径，mm。

d——钢丝直径，mm；

α——钢丝缠绕角，度。

2.3保护层尺寸

保护层9采用改性高密度聚乙烯，厚度2mm，可对管道起到非常好的保护和增强作用。

3、压力的理论计算

3.1计算模型分析

复合管6由内外聚乙烯层和钢丝复合层组成，其承压能力由这3层叠加而成。但因聚乙烯断裂伸长率远远大于钢丝断裂伸长率，复合管6爆破时聚乙烯与钢丝不会同时达到强度极限，而是复合管6受内压膨胀变形到一定程度，钢丝先达到拉伸强度极限并发生断裂。复合管6由于失去钢丝缠绕网骨架的增强作用以及钢丝断裂带来的冲击，紧接发生爆破。因此计算复合管6短期爆破压力时，钢丝与聚乙烯计算强度不能同时取强度极限。另外，钢丝与聚乙烯通过高性能黏结剂紧密黏结，变形过程中可近似认为钢丝与聚乙烯等应变。因此，钢丝计算强度取其强度极限，聚乙烯计算强度取其拉伸应变与钢丝断裂伸长率相等时所对应的强度。

由薄壁圆管力学性能可知，复合管6内外聚乙烯层的轴向强度大于环向强度。根据缠绕结构特性，可通过合理选择钢丝根数及钢丝缠绕角，改变钢丝复合层轴向强度与环向强度的相对大小关系。当钢丝缠绕根数较少、缠绕角较小时、复合层轴向强度大于环向强度；当钢丝缠绕根数和缠绕角增加到一定程度、复合层环向强度大于轴向强度。内、外聚乙烯层与钢丝复合层叠加以后，当复合管6的轴向强度大于环向强度时，复合管6为环向爆破，反之则为轴向爆破。复合管6的短期爆破压力为轴向爆破压力和环向爆破压力的最小值。

3.2由复合管6轴向载荷平衡条件得到：

将钢丝和超高分子聚乙烯计算强度代入式(2)，求得复合管6的轴向爆破压力P^Z _B为：

式中：

α——钢丝缠绕角，度。

d——钢丝直径，mm；

N——缠绕钢丝总根数；

ri、r0——复合管内、外半径，mm；

K＝r0/ri；

σbg——钢丝抗拉强度，MPa；

σbp——超高分子聚乙烯抗拉强度，MPa。

3.3由复合管环向载荷平衡条件得到：

式中：

代入钢丝和超高聚乙烯计算强度，求得复合管的环向爆破压力

复合管6短期爆破压力为环向爆破压力和轴向爆破压力的最小值，即：

P B＝min(P_B ^Z＝P_B ^θ)

3.4设计计算

①管道基本参数为：

管道内径：145mm；

钢丝抗拉强度：2400MPa；

工作压力：6.0MPa。

②管道设计参数为：

超高内管壁厚：6.5mm；

钢丝直径：1mm；

缠绕角度58°；

单层钢丝缠绕数量：≤176根；

超高分子聚乙烯内管7计算强度：16MPa；

保护层壁厚：2mm。

③管道计算参数为：

管道总厚度：11.25mm；

管道外径：167.5mm。

④轴向爆破压力

将钢丝和超高分子聚乙烯计算强度实际值代入式(3)中，求得复合管6的轴向爆破压力：

当n＝220时，P^Z _B＝18.34MPa。

⑤环向爆破压力

将钢丝和超高分子聚乙烯计算强度实际值代入式(6)中，求得复合管6的环向爆破压力：

当n＝220时，P^Z _B＝18.15MPa；

4、产品制造工艺及流程

4.1工艺流程说明

超高分子量聚乙烯树脂与辅料进行混料，进入专用挤出机和模具，在规定的工艺条件下挤出、经定径形成内管7；已涂覆粘合树脂的碳素弹簧钢丝经专用缠绕机进行左右旋双层缠绕；专用挤出机及模具在规定的工艺条件下将聚烯烃粘合树脂均匀涂覆在钢丝层间形成增强层8；专用挤出机及模具在规定的工艺条件下将改性高密度聚乙烯均匀涂覆在钢丝层外面形成保护层9；冷却、计米、印字、牵引、切割；对单根复合管6两端打磨、熔焊封闭；扣压接头；质量检验、包装、入库。

6.2工艺流程图

5、接头及连接设计

增强复合管6的接头、连接设计是整个管路系统的重要环节。参照扣压式橡胶高压管接头连接方式，考虑复合管6的特殊情况，对接头部分进行了设计。

接头设计控制要点：

①要保证连接可靠。通过结构设计，满足爆破压力、长期工作压力和动态环境使用的要求。

②密封可靠。特别要考虑到塑料的蠕变和应力松驰状态下的可靠密封。措施：一是提供足够的扣压力，使外套和管道产生充分的塑性变形，二是在扣压连接时涂专用密封胶或内置耐油橡胶圈。

③选好接头材料。外套选用塑性好的20#钢，内芯管选用机械性能好的低合金结构钢(如X65管线钢)。

④结构设计细节部分应充分考虑应力集中，避免、减小疲劳应力。

⑤防腐处理。

5.1结构

①接头由接头扣压外套4与接头内芯管5组成；

②利用扣压机对扣压外套逐渐加压合模，使接头扣压外套4与复合管6产生塑性变形，相互嵌入楔槽中，增加端面承载面积及侧面接触面积，从而增强了接头与复合管6轴向连接强度。

5.2材料

接头扣压外套4：20#钢；

内芯管：X65管线钢。

外层采用电镀Zn-Ni合金处理，内芯管内壁喷涂特氟龙(或耐油环氧粉末涂料)。

6、性能、特点

本项目所设计的复合管6道，由超高分子量聚乙烯(内管7)、高强度碳素弹簧钢丝(增强层8)、改性高密度聚乙烯(保护层9)以及聚烯烃专用粘合树脂(粘接层)四种性能优异的材料复合而成，采用优化的结构设计、自主研发的生产工艺和装备，最大限度地发挥各种材料的个性特征和各种材料组合协同作用，使产品具有诸多优点。

6.1承压能力高

由于采用抗拉强度为2400MPa的高强度碳素弹簧钢丝做增强层8，并以58°缠绕角左、右旋双层缠绕，力学设计非常合理，保证径向受力和轴向受力的最大化。同时采用高强度聚烯烃专用粘合树脂作为粘接层，一方面有效填充钢丝留余的空隙、防止钢丝移位，另一方面使钢丝增强层8与UHMWPE内管7，钢丝增强层8与改性高密度聚乙烯保护层9形成牢固的结合，使复合管6道成为一体。优异的材料特性和合理的结构设计有效提高复合管6道的承压能力，能够满足装配式输油管线承载压力的要求。

6.2抗冲强度高

UHMWPE的抗冲击强度可达100KJ/m2以上，是普通高密度聚乙烯的5倍之多；与普通高密度聚乙烯不同，低温条件下UHMWPE的抗冲击强度不降反升，在-40℃达到最高值。在产品结构设计过程中，充分保留了UHMWPE材料的特性，并在增强材料和粘接材料的选择时，充分考虑强度与韧性的统一。复合管6道的高抗冲强度、特别是低温环境下仍保持的高抗冲性能，很适合装配式输油管线在平原、山地、沙漠、河流、沟壑等各种野外复杂地形及寒冷的北方地区使用。

6.3耐化学腐蚀

内管7采用化学稳定性高的UHMWPE，在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质(酸、碱、盐)及有机溶剂(包括汽油、喷气燃油、柴油)的侵蚀。在增强材料高强度碳素弹簧钢丝的使用方面，采取多种技术措施(如在高强度碳素弹簧钢丝镀铜锌合金+表面涂复聚烯烃专用粘合树脂、在成品复合管6两端打磨熔焊封闭等)，保证高强度碳素弹簧钢丝不锈蚀、强度不减。外层采用改性高密度聚乙烯作为保护层9，不仅保留高密度聚乙烯对各种腐蚀性介质的稳定性，而且可使保护层9具有优良的耐环境应力开裂、防紫外、抗静电、耐寒等性能。

6.4输送阻力小

UHMWPE的表面光滑，摩擦系数与冰相当，使UHMWPE内管7具有很低的流动摩阻系数，输运阻力小。在同样口径、同样压力的情况下，可以显著地提高输运油料的流通速率，节省能源；或在同样口径、同样输送量的情况下，可以减少管道输送压力，达到节省材料用量、减轻管道重量的目的。

6.5抗粘附结垢

由于成品油含有胶质等粘附性较强的物质，极易粘附在传输层的内壁，而UHMWPE表面吸附能力很小，其抗粘附能力仅次于塑料中不粘性最好的聚四氟乙烯，不易粘附异物。采用UHMWPE材料作为内管7输送油料，长期使用不易结垢，可免清洗，不仅有效提高管道的输送能力，而且可大大减少管道清洗工作量，有利于节能环保。

6.6综合性能突出

UHMWPE钢骨架复合管6具有承压能力高、耐寒、抗冲击，50℃以下耐燃油浸蚀、输送阻力小且不易粘附结垢、耐环境应力开裂、防紫外、抗静电、阻燃、可制成伪装色等优良特点。

7、关键技术、难点及解决方案分析

7.1问题一：

①问题：UHMWPE的表面光滑，不利于粘合树脂与增强钢丝的粘接。

②对策措施：一是采用射频等离子表面处理技术对UHMWPE内管7的外壁进行处理，提高超高分子量聚乙烯管外表面的极性；二是自主研发具有活性基团、新型高相容性聚烯烃专用粘合树脂，赋予其极性，提高两相界面的粘合性，以达到提高粘接力的目的。大幅度提高专用粘合树脂与UHMWPE内管7、钢丝及保护层9的粘合力，使内管7、增强层8与保护层9形成紧密结合的一体化结构，充分发挥UHMWPE钢骨架复合管6道的优良性能。

7.2问题二：

①问题：UHMWPE钢骨架复合管6道的接头技术，要保证接头在很高压力下不泄漏，又能承受很大负荷的传递，还要具备抗腐蚀、低摩阻、抗结垢等问题。

②对策措施：接头采用扣压式接头，内部设置高回弹耐油型密封圈，防止基材蠕变而导致接头处漏油，接头外部采用镀锌镍合金解决防腐问题，内部采用喷涂特氟龙(或耐油环氧粉末涂料)解决内层防腐、结垢、低摩阻以及耐油耐温等问题。

8、管道安装方案

超高分子量聚乙烯钢骨架复合管6道的连接采用沟槽式管接头方式。该方法具有安装快速、简易、安全、可靠、经济、免焊接、无污染的优点，而且可以吸收管路噪声、振动传播及热胀冷缩，便于管道的维修保养，不受安装场所限制，易于控制成本等特点。该方法广泛地被输送流体管道的给排水、消防、空调、燃气、化工、造船等管道工程所采用。

本项目研究和设计的产品是装配式输油管线，是一种在特殊情况下使用临时铺设的管线，适用于平原、丘陵地带等各种野外复杂地形。

超高分子量聚乙烯钢骨架复合管6道具有一定的柔韧性和耐磨擦能力，对于管道基础的适应能力强。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种UHMWPE钢骨架复合输油管，包括封头、接头内件、接头外件、接头扣压外套、接头内芯管和复合管，其特征在于，所述封头在最外侧；所述接头内件在封头内侧；所述接头外件在接头内件外侧，与封头相接；所述接头扣押外套与复合管相互嵌入在楔槽；所述复合管还包括内管、增强层和保护层，内管在复合管最内侧，增强层在内管外侧，保护层在最外侧；所述复合管的内管、增强层和保护层由聚烯烃专用粘合树脂连接。

2.根据权利要求1所述一种UHMWPE钢骨架复合输油管，其特征在于，所述复合管的内管是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管道。

3.根据权利要求1所述一种UHMWPE钢骨架复合输油管，其特征在于，所述复合管的增强层是以50°——65°缠绕角左、右旋缠绕。

4.根据权利要求1所述一种UHMWPE钢骨架复合输油管，其特征在于，所述复合管的增强层由高强度碳素弹簧钢丝组成。

5.根据权利要求1所述一种UHMWPE钢骨架复合输油管，其特征在于，所述复合管的保护层是改性高密度聚乙烯。