预制直埋保温管外护管开裂的原因分析及预防

摘要预制直埋保温管在我国推广应用已有几十年的历史, 形成了较完善的保温结构和一整套科学的设计理论和计算方法。预制直埋保温道技术是一项多学科综合技术，涉及材料、传热、力学、工艺、岩土学和设计、制造、施工、运行管理等诸多方面。近几年，直埋式保温管道在施工现场多次出现外护管破裂现象，冬季施工时尤为突出。为解决和预防这一问题，对能够影响这种现象的诸多因素逐个分析，以求找出解决问题的方法。

关键词 高密度聚乙烯挤出成型应力

中图分类号： TE867文献标识码： A

Abstract:Tube in the existing on domestic application of decades of history of prefabricated directly buried insulating, formed the design theory and calculation method of heat preservation structure more perfect and a set of scientific. Prefabricated directly buried insulating technology is a multidisciplinary integrated technology, involved in many aspects of materials, heat transfer, process, mechanical, geotechnical and design, manufacturing, construction, operation management etc.. In recent years, many in the construction site directly buried insulating pipe pipe rupture phenomenon, especially in winter construction. To prevent and resolve this problem, many factors can influence the analysis one by one to this phenomenon, in order to find a solution to the problem.

Keywords: high density polyethylene extrusion stress

中图分类号：TU995.3文献标示码：C

1 外护管用原材料的发展

聚乙烯材料（PE）的发展可分为三代：第一代，相当于现在的PE63以下等级的PE管材料；第二代，相当于现在的PE80级管材料；第三代，20世纪80年代出现了被称为“ 第三代管材料”，国际上不少大型石油化工企业已经使用的PE100级管材料。现在开发出第四代PE125管材料, 已在某些领域开始使用。2012年，国家质量监督检验检疫总局颁布了国家标准，《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》（GB/T 29047―2012）（2012-12-31，2013-09-01实施），要求外护管应使用高密度聚乙烯树脂制造，高密度聚乙烯树脂应采用PE80级或更高级别的原料。

2 外护管挤出成型工艺影响因素

外护管主要采用负压定径技术生产，影响因素主要有挤出成型工艺和主要成型设备两方面。工艺参数包括温度、挤出速率、牵引速率；成型设备主要由挤出机、主体模具、负压定径舱、定径装置、二次冷却系统、牵引装置组成。

2. 1PE管定径工艺

PE管定径工艺分为负压定径和正压定径。负压定径和正压定径的区别在于使用气压不同，负压定径是在定径舱中制造低于大气压的环境，使塑性状态的PE管材在负压下紧贴定径装置成型；正压定径是在定径装置中通入高压空气迫使塑性PE管材紧贴定径装置而成型。与正压定径工艺相比，负压定径工艺的优点为: ①PE管材直径容易控制,成品合格率高； ②PE原材料浪费小；③安全性高； ④成品管材的力学性能好。

2.2工艺参数

主要工艺参数为温度、挤出速率、牵引速率。对于整个生产过程来说, 3个参数是互相影响的。

（1）温度

包括料筒温度、机头温度和冷却温度。温度是影响塑化及管材成型质量的主要因素，料筒和机头温度过高导致塑料老化甚至炭化，而温度过低使原料塑化不充分，成品管管壁上会留有尚未塑化的PE颗粒。冷却温度对于PE管材的直径和外护管内应力影响很大，不同冷却温度会造成同批成品管直径不同和内应力大小不同。因此控制冷却温度，尤其是冬天挤出成型时更应该引起大家的注意。

（2）挤出速率

挤出速率主要取决于挤出机螺杆转速。提高螺杆转速可以提高产量，但转速过快，会导致塑化质量下降，成品管材拉伸强度不合格，而且影响与牵引速率的配合。应根据管径和所处地域的环境温度适当调整螺杆转速，使原料充分塑化,保证管材的质量。

（3）牵引速率

牵引速率用来调整管材的壁厚,一般牵引速率比挤出速率稍快一些。由于大管径PE管的直径及质量大，需要适当调节牵引速率，以免在生产过程中发生管材爆裂。

2.3 生产设备

2.3.1挤出机

挤出机包括挤出螺杆、机筒、加料系统、加热和冷却系统等。挤出机单位时间挤出量直接影响到整条生产线的生产能力，挤出机对PE原料的塑化能力也直接影响产品的质量。

2.3.2主体模具

主体模具的作用是使挤出机挤出来的PE熔融物均匀地通过整个模具断面，使PE熔融物形成连续的管材。目前，广泛采用的模具为筛篮式模具，这种模具可使PE料的流动速率达到预期值，同时还具有阻力小、产量高、结构紧凑、连接合理、更换方便等特点。

为了保证良好的塑化温度，在口模外壁和芯模内壁设置了不同功率的电加热片。为了随时调整模具的温度避免PE物料发生炭化，在每组电热片上预留热电偶插座，根据热电偶反馈的温度信号控制电热片温度。

2.3.3负压定径舱

在设计负压定径舱时应选用功率较高的真空泵，来弥补舱体密封不严的缺陷。定径舱内设有密集的高效喷淋设备，冷却水从PE管坯的四周均匀喷洒在PE管坯表面，使PE管坯尽可能快地冷却、定径。在实际生产中不可避免地会从外界进入一些杂质到水中,为了喷淋设备的工作稳定并减少维护工作量，在水泵前端设置过滤单元，避免杂质堵塞管道和喷头，延长设备使用寿命。为了引管的方便和易操作，在舱的底部加设一套纵向行进装置,使舱体在水平轴向可以移动。

2.3.4定径装置

定径装置主要控制PE管坯的最初直径，考虑到PE管属于柔性材料，温度对其收缩膨胀影响较大，在制造定径装置时应适当增大定径装置的内径。

2.3.5二次冷却系统

由于管坯在负压定径舱出口处温度仍不能降到室温，即没有完成最终定径，要对管材进行二次冷却。冷却水温度和流量是设计喷淋设备的主要参数。在水温的控制上采用冷却循环水为主和自来水为辅的混用方式，当经冷却塔冷却后的循环水水温过高时温控电磁阀打开，自来水进入循环水系统，使循环水温度降低，当水温达到系统要求后温控电磁阀自动关闭。喷淋方式采用多点喷射，使PE管坯各点均匀冷却。喷嘴的出口压力应使水成雾状均匀喷洒在管坯表面。

2.3.6牵引装置

牵引装置对控制管材的壁厚十分重要，在不同牵引速率下PE管的壁厚会发生变化，一般牵引速率快则PE管壁厚减小，反之壁厚增加。牵引装置采用多个变频调速电机分别驱动多条履带的方式，使多条履带在同一速率下转动，保证了各点的同步牵引。在控制履带和管材表面的接触压力时，采用了气动控制系统，通过比例调节阀可精确调节接触压力，保证管材各点受力均匀，各点前进速率恒定，从而控制PE管壁厚。

由以上分析不难看出，外护管成型时的温度、设备、冷却、定径和牵引是否恰当，会直接影响外护管的内在质量，所以提请外护管生产厂家严格生产工艺，并能够具备出厂检验的能力，确保外护管在下一道工序使用时不会造成失效。

2.4 外护管电晕处理

在使用高密度聚乙烯为外保护层的预制直埋保温管的生产过程中，对于外保护层和聚氨酯泡沫保温层之间的结合强度，采取比较简单、易于控制的方法是，高密度聚乙烯管内表面进行电晕处理，增加其表面张力。电晕的基本原理为：在高压、高频电的作用下，通过电极的尖端放电原理，用电极尖端放电产生的电晕对高密度聚乙烯材料表面进行处理。处理的直接结果是材料表面张力增加。根据实验显示，塑料管经过电晕处理后，成品保温管的保温层泡沫与塑料外壳管间的剪切强度可以增加至少一倍以上，这对于保证整体保温管的质量和延长保温管的使用寿命有着不可忽视的意义。

就目前了解到的情况，国内电晕工艺及其使用尚不普及，除了极个别生产厂家拥有进口的塑料管挤出生产线，同时配备了进口的电晕设备以外，基本上在生产塑料管过程中都没有电晕能力，因此使用电晕处理过的塑料管进行生产预制直埋保温管的厂家微乎其微。

经过电晕处理的塑料管内表面最好能够进行防尘处理，同时塑料管的生产日期到使用日期之间最好能够控制在三个月以内，特别在炎热的夏季更应当缩短存储时间。因此要充分应用电晕工艺，对于生产厂家，还必须同时提高对塑料管的生产和库存管理水平，来充分保证电晕效果在保温管中起到应有的作用。

3 外护管应力问题

3.1 生产过程产生的应力问题

直埋保温管道要求在工厂制作，由管道和配套的各种管件组成，预制保温管道由钢制工作管、保温层和外防护套管组合而成。外护管在聚氨酯发泡过程中外护管会受到一定的应力，这个应力需要在工厂的停放过程中慢慢释放，需要一定的时间。

3.2 运输过程中产生的应力问题

由于保温管需要从工厂运输到施工工地，在运输过程中的吊运装卸都会因为操作不当造成外护管受到外力，当外力集中于某一点时，很可能造成外护管中的内应力集中，从而引起应力破坏。

3.3 管道安装过程中由于焊接、补口引起应力问题

管道安装过程需要焊接，焊接会产程局部高温，同时，需要采用热熔套补口和现场浇注聚氨酯在补口处发泡，这些操作也会引起外护管的应力释放，操作不当可能会引起外护管的应力破坏。

3.4 运行过程中内部热交换产生应力问题

热力管道中介质温度与环境温度存在明显差异，高温管道介质与环境温度差可高达一百摄氏度以上，在如此大的温差作用下钢制工作管要发生明显的尺寸变化，通常用热胀冷缩来描述。高温管道的外护管虽然与介质隔着保温层，状况与工作管有差别，但是从工程角度来讨论，保温层功能只是控制热损失，而不是不产生热损失。因此，保温管道的保温层厚度不是无限厚，否则是不经济的。保温管道在工作时有明显的传热过程存在，外套管的温度便因此明显高于环境温度，而管道安装时，外护管的温度可视作等于环境温度，也就是说，管道从敷设完毕到投入使用，保温管的工作管和外护管的温度都有显著升高，只是工作管的温度升幅更大而已。针对工作管道温度升高产生的一系列问题在研发直埋敷设技术过程中提供了诸多相应的措施。相比之下，外护管得到的关注则较少。可是在工程实践中恰恰是外护管产生问题的概率较高。

4小结

由于以上诸多原因，为了防止施工时外护管意外开裂，建议采取以下解决办法：

（1）把好原料关，使用质量可靠的原材料，加强生产过程质量控制；

（2）生产出的外护管进行合理的停放时间，以便外护管的应力释放，建议一周至三个月，时间太长会引起材料老化；

（3）严格控制浇注发泡工艺，防止发泡过程引起内应力过大；

（4）吊运装卸应平稳，严禁野蛮装卸；

（5）补口材料的熔融指数尽量与外护管材料一致，以免由于二者熔融指数相差太大，造成融融焊接温度相差太大，从而造成应力破坏。