层聚乙烯(3PE)防腐层是目前国内外埋地管
道外防腐主要技术体系之一。它是由底层的FBE、中间层的胶粘剂、外层的聚乙烯复合组成的一种管道外壁防腐结构。2001年四川石油管理局管道防腐公司建立了西南第一条三层聚乙烯钢管外防腐生产作业线,生产能力和技术水平达到了国外同类作业线水平。但是在实际生产中,如何控制好螺旋钢管的外防腐层厚度还存在着一些难题。当管体防腐层厚度达到标准要求时,焊缝处的防腐层厚度往往达不到标准的要求,造成该处防腐层厚度偏薄,甚至出现裂口,不仅给操作工人增加了很多补口工作,也降低了钢管外防腐一次合格率;当焊缝处防腐层厚度达到标准要求时,管体的防腐层厚度就会超厚,造成了原材料的浪费,增加了成本。
一、钢管外防腐层厚度的影响因素
通过大量的实验研究,笔者发现钢管外防腐层的厚度主要受以下因素的影响。
1.熔体指数对防腐层厚度的影响 研究发现,原材料中胶粘剂和聚乙烯的熔体指数对防腐层的厚度有一定影响。
熔体指数又称为熔体流动速率,即热塑性塑料在一定的温度和负荷下,熔体每10min通过标准口模的量(用MFR表示,单位g/10min)。胶粘剂和聚乙烯的熔体指数是通过熔体流动速率测定仪来测定的,并主要受到加热温度和压力的影响。 在相同加热温度和压力情况下,熔体指数偏低
时,胶粘剂和聚乙烯的流动性差,容易断裂,造成防腐层厚度偏薄且厚度不均匀,从而缩短挤塑设备的使用寿命;熔体指数偏高时,聚乙烯和胶粘剂的流动性好,焊缝处防腐层容易因碾压发生变形,结构层数不够,造成防腐层厚度偏低;熔体指数过高,焊缝处防腐层甚至会出现断裂。
2.螺旋焊缝钢管的前期处理
钢管的前期处理主要是对不合格的钢管焊缝余高的处理,因为焊缝的高度和形状对钢管外防腐层的效果影响很大。在生产过程中发现,钢管的管体至螺旋焊缝顶部的高度普遍在2.3mm以上,最高的达到2.7mm,且整个焊缝呈尖角状而不是平滑过渡的(图1),h为焊缝高度。
图1 螺旋焊缝顶部形状示意图
这种螺旋缝钢管如果不经处理就直接进行三层
聚乙烯外防腐,极易造成焊缝处厚度减薄,而达不到标准的要求。对于那些焊缝形状像刀刃一样的螺旋钢管,压辊碾压时极易造成焊缝处防腐层出现裂口;或当焊缝处防腐层厚度达到了标准规定后,管体又会超厚1.0~1.5mm,造成原材料的极大浪费。
3.生产工艺参数之间的匹配
(1)聚乙烯、胶粘剂的挤出量控制
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1・第25卷第下面以聚乙烯为例来说明聚乙烯挤出量对防腐层厚度的影响。通过聚乙烯缠绕时的幅宽、螺距和聚乙烯挤出量间的近似关系式可以得出他们与防腐层厚度的近似公式。
设聚乙烯单位时间内的挤出量为M,挤出的片状聚乙烯近似为梯形,上宽为b,下宽为a,长度为h,聚乙烯厚度的均值为δ(图2)。
图2 聚乙烯缠绕时的幅宽、螺距与聚乙烯挤出量
之间的近似关系图
挤出量M=
(a+b)×h×δ
2
,由此得出:
聚乙烯缠绕时的幅宽δ=
2×M
(a+b)×h
胶粘剂缠绕时的幅宽δ′=
2×M′
(a′+b′)×h′
从上面公式可以看出,在模头高度一定时,对于某种型号的聚乙烯来说,挤出量越多,防腐层的厚度值越大;反之防腐层厚度值越小。胶粘剂的缠绕情况和聚乙烯大致相仿,此不赘述。
(2)防腐层的缠绕层数 设螺距为L,聚乙烯的压边为c,缠绕层数为n。
由L=a-cn得:n=a-c
L
,δ总=δ∑n。
从上式可以看出防腐层厚度直接受到缠绕层数n的影响。当螺距小时,在宽幅一样的情况下,缠绕层数增加,防腐层厚度必定增加。反之,螺距增大时,防腐层厚度就会降低。(3)钢管的前进速度
钢管的前进速度对防腐层厚度的影响受挤出量的限制(图3)。图3 钢管的前进速度对防腐层厚度的影响示意图
设钢管的前进速度为v1,传动线的传动速度为v2,传动角为α,m为转数。钢管的前进速度v1=v2×tanα。当传动角度、传动速度一定时,钢管前进速度不变,其螺距不变。当传动轮的轴线与钢管的轴线平行(即传动角为0)时,钢管的前进速度为0;传动轮的传动角度越大,钢管的前进速度越大。当钢管的螺距不变时,在挤出量一定的情况下,钢管前进速度越快,钢管的防腐层厚度越薄。
(4)挤出聚乙烯、胶粘剂模头温度控制
聚乙烯、胶粘剂温度对防腐层厚度影响主要是通过影响聚乙烯和胶粘剂的流动性,来对防腐层厚度造成影响。聚乙烯和胶粘剂的加热温度直接影响着其流动性。模具加热温度越高,其流动性越好。当然,模具的加热温度和天气的变化也有着很大的关系:气温低时,模具的加热温度就应该相应增大;反之则应该降低。
(5)模头的高度
模头高度直接影响着挤出的聚乙烯和胶粘剂到达钢管表面的幅宽,模头越高幅宽越小,反之越大。在螺距、钢管前进速度一定时,聚乙烯到达钢管表面的幅宽越大就会使钢管外防腐层的厚度增加。
6)压辊系统
压辊系统由控压拖辊等组成,其功能是将所缠绕的聚乙烯托住并压实,保证两根管接头处的涂敷质量。压辊的硬度、压力对螺旋钢管焊缝处防腐层的厚度减薄有着必然联系。螺旋焊缝钢管压辊的硬度要比用在无缝钢管外防腐生产时的硅胶的硬度适当软一些。压辊的压力也应该低一些。
二、解决方法
为了解决螺旋焊缝钢管的外防腐层厚度问题,
通过大量的论证和生产过程中的实践经验,得到了下面可行的有效措施。
1.聚乙烯熔体指数的控制
为了控制原材料的熔体指数,要求聚乙烯的熔体指数控制在0.2~0.25,胶粘剂的熔体指数控制在0.55~0.61。四川石油管理局油建管道防腐公司(以下简称我公司)采用烟台东方普洛降解塑料有限公司生产的聚乙烯、广东市鹿山化工材料有限公司生产的胶粘剂,并对其性能稳定性提出了要求,使其适用于我公司的生产工艺。 2.螺旋焊缝钢管的控制
钢管焊缝的形状及余高是造成防腐层裂口的一个主要原因,所以对于进入防腐作业线的螺旋焊缝
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2・加工利用与安全环保
天 然 气 工 业 钢管应该进行严格筛选,不允许不合格的钢管进入作业线,以确保钢管防腐一次合格率。对于那些不合格的螺旋焊缝钢管,应组织专人对其进行修磨。为了减少劳动力的浪费,我公司与钢管厂家约定了以下几点。
①焊缝余高:管径大于426mm的,余高不大于2mm;管径小于426mm的,余高不大于1.5mm。
②外焊缝与母材之间必须平缓过渡,且外焊缝截面图形状应呈圆弧状;焊缝外形不能呈尖角状。③沿钢管轴线方向,管体与外焊缝根部应该没有明显的高差。
3.主要工艺参数的控制 钢管的传动速度、螺距大小、聚乙烯和胶粘剂的挤出量等工艺参数间相互匹配是至关重要的。对工艺参数进行控制,重点是要根据原料的特性控制好
出管的速度、挤塑挤胶机的熔融温度和出口温度等。为了更为有效地使所有工艺参数处于稳定状态,对
涂敷速度进行了必要的控制。
通过大量生产实践和研究可以看出,对于螺旋焊缝钢管的三层聚乙烯涂敷,只要选择适合的涂敷材料,并对钢管本身的缺陷严加控制,在生产过程中不断改进生产工艺,制定出合理的作业指导书,就可以生产出合格、让用户满意的产品