连续玻纤与聚乙烯在线复合技术在大口径复合管道上的应用.docx
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连续玻纤与聚乙烯在线复合技术在大口径复合管道上的应用
连续玻纤与聚乙烯在线复合技术
在大口径复合管道上的应用
连续玻璃纤维（CFRT）增强聚乙烯管作为一种新型的复合管道以其重量轻、强度高、成本低、耐腐蚀、绿色环保等一系列的独特优势，在市政、水利、煤炭、化学、油气等领域等有着巨大的应用前景，受到管道行业的广泛关注，因此，近些年来连续玻璃纤维增强聚乙烯管复合材料及其工艺研究都进展十分迅速。
国内外的管道企业对连续玻璃纤维增强聚乙烯管复合材料及其工艺进行了深入的研究，也取得了一些成果，比如荷兰Airborne公司开发成功的连续纤维增强热塑性塑料增强复合管2012年获得了JEC美洲创新奖。
美国企业CompositeFluidTransferLLC开发成功的连续纤维增强聚乙烯管获2013JEC美国创新奖。
国内企业如晨光、伟星、合宁等企业也在积极开发玻璃纤维增强聚乙烯管等等。
但目前产品大都集中在小口径（300mm以下）管道或者低压排水管道等市场领域，而大口径管道开发领域存在产品成本高，生产效率低，市场竞争力不强等缺点，无法在大口径管道领域市场上大规模的推广和应用，纤维增强大口径热塑性管道国内外都处在开发阶段。
玻纤预浸、复合、直接缠绕成型增强聚乙烯管工艺（简称CHY工艺）的出现，有效的解决了现行工艺中大直径管熔接不方便、用料太费、成本太高、效率低下等问题，使得大口径连续玻璃纤维增强聚乙烯管大规模使用成为可能。
1.CHY工艺介绍
CHY工艺主要包括玻璃纤维预浸、烘干、玻璃纤维与聚乙烯复合、复合纤维缠绕4个主要步骤，以及由它们组成的连续生产工艺过程，其既可以独立生产，也可以与带缠聚乙烯管工艺或者克拉管工艺结合起来生产“芯管+增强层+保护层”结构的聚乙烯复合管（简称CHY复合管）。
工艺流程图如下所示：
CHY工艺具体工艺过程如下所示：
CHY工艺主要生产设备包括：
玻璃钢管道缠绕机、单螺杆挤出机、玻璃纤维预浸装置，烘箱、玻璃纤维与聚乙烯复合装置及其配套的辅助设施。
主要设备及其作用如下表所示：
燃气加热装置
预加热芯模保证缠绕过程中玻纤层与层之间充分融合粘接为整体
1号单螺杆挤出机
挤出聚乙烯带缠绕内层芯管和外层聚乙烯保护层
气动輥压装置
在缠绕过程中将缠绕层輥压致密，排出层间空气保证熔接质量
纱架及张力控制装置
保证玻璃纤维在预浸、复合、缠绕整个工艺过程中张力一致
玻纤预浸装置
对玻纤表面进行界面有效处理，保证玻璃纤维从内到外与聚乙烯能充分有效结合
烘箱
将预浸后的玻纤烘干
玻纤复合装置
玻璃纤维通过2号单螺杆挤出机挤出的聚乙烯内外复合，形成玻纤表面涂覆聚乙烯的复合纤维带
缠绕机
复合纤维在热熔融状态下在芯管上往复缠绕成型管道
2.CHY复合管道结构及连接方式
CHY热塑性复合管由三层组成。
内层是采用PE100级高密度聚乙烯作为内衬层，是连续的实壁层，用挤出熔融的聚乙烯带材片材在预热的芯模上缠绕熔接成型，也可以用预制的薄壁实壁管。
中间层是是采用往复式缠绕工艺用复合玻纤多层缠绕形成的增强层。
往复式缠绕工艺在热固性玻璃钢管道行业已经得到广泛应用，非常成熟可靠，缠绕角的大小可以根据实际需要调整。
外层是高密度聚乙烯的外护层，用挤出熔融的聚乙烯带片材缠绕熔接成型。
在需要某些功能（如成型承口插口）时可以通过反复缠绕局部增加厚度。
CHY热塑性复合管材的两端分别通过缠绕熔接和机械加工成型连接体的承口、插口。
3.CHY工艺优势
CHY工艺与当前最为先进的连续玻纤增强HDPE/PP预浸带的柔性热塑性复合塑料管相比较，在技术先进性方面主要体现在：
（1）技术先进：
CHY工艺技术水平在国、内外均属领先。
工艺技术要点是采用了塑料挤出、纤维预浸、管道缠绕联合一次成型的工艺技术。
其中：
①增强纤维的在线预浸技术是CHY工艺的专有技术，②将塑料挤出、纤维预浸、管道缠绕三大工艺模块集成在一起，形成联合一次成型的技术也是CHY工艺的专有技术。
（2）采用单丝并排缠绕的工艺与带式缠绕的方式相比较张力控制更加容易，通过合理设计的张力装置能保证每根丝张力一致和恒定，不存在带式缠绕时中央与边缘存在张力差需要精密机构校正的问题。
同时，一次性的将热塑性树脂和纤维复合并融合成一个整体结构，比先制带然后将纤维带表面树脂加热再熔化复合的方式熔接的效果更好，保证断面形成整体的增强结构。
为了保证纤维带的再加热融合的性能，通常纤维带的厚度设计得比较薄0.2-0.3mm左右。
这样如果要达到设计色3-5mm的增强层厚度，需要10层以上的纤维带融合形成。
因此，需要使用10台以上的带式缠绕机，设备投资很大，同时多层的熔接对工艺控制的要求非常高，对加热和冷却方式的选择非常严格。
而采用CHY的复合纤维丝的复合方式，由于可以往复缠绕，同时单丝的厚度可以达到1-2mm，所以配置一台或者两台缠绕机就可以达到需要的增强层厚度，设备投资比较小。
从复合工艺的方面来看，熔融状态的树脂和纤维直接熔接成增强体，不需要使用非常高级的加热装置就可以保证良好的熔接效果。
（3）适应性广：
基体材料可选用多种热塑性塑料，如PE、PP、PA等，用于增强的纤维可选用玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等各种高性能纤维。
根据基本材料或增强纤维的不同，只需要调整相关工艺参数即可。
（4）调整方便：
在生产制造管材时，CHY工艺根据复合管材性能、规格的不同，可以在线方便、灵活的调整三大工艺模块工艺参数，进行调整、组合、匹配，以满足产品的符合性要求。
（5）成本低廉：
由于集成了挤出、预浸、缠绕三大工艺，减少了很多中间工艺环节，因此采用CHY工艺技术制造的复合管材，具有能耗低、材料省、效率高的成本优势。
4.CHY工艺复合材料性能优势
复合材料是基体材料与骨架材料的复合体，骨架材料对制品的性能和寿命起着决定性作用。
在CHY复合管中玻璃纤维就是骨架材料，骨架材料与基体材料的界面结合性能决定玻璃纤维发挥作用的程度。
下表是未经专用浸润剂处理的复合材料和经过CHY工艺专用浸润剂处理的复合材料的力学性能对比（测试标准:
GB/T-1447）：
CHY复合材料拉伸断裂强度（MPA）
玻璃纤维含量（%）
20%
30%
40%
50%
60%
玻纤表面经过CHY工艺过程处理（MPA）
133
182
246
289
354
玻纤表面未进行CHY处理（MPA）
98
131
182
221
265
拉伸样条如下图所示:
玻纤表面处理之后，玻纤与基体树脂之间不再是简单的物理结合，而是发生了化学变化，形成了连接更为可靠的化学键，两者界面之间产生了极强的相互作用，从而使得基体和玻纤可以紧密的结合在一起。
下图是玻纤处理前后的SEM照片：
由上面的电镜图可以看出，在玻纤处理之前，基体和玻纤的结合并不牢固，在撕裂之后玻纤表面并没有基体树脂附着在上面，这就说明两者的结合强度很低。
但是当玻纤表面处理之后我们就可以发现，即使是撕裂后，玻纤表面依然会有大量基体树脂附着在上面，这就说明基体和玻纤之间的结合力已经极大的增强了，其结合力已经超过了基体树脂本身分子之间的作用力。
下图是玻纤表面处理前后的拉伸样条显微镜图片：
玻纤处理前玻纤处理后
在显微镜下，我们可以明显的看出，处理之前，由于基体和玻纤之间的结合力较低，玻纤比较容易从基体树脂中拔出，但是在处理之后，由于结合力的加强，玻纤已经很难从基体中拔出。
5.CHY工艺成本优势
连续玻璃纤维增强大口径聚乙烯管材料成本表如下表所示：
连续玻璃纤维增强大口径聚乙烯管材料成本表
从材料成本表可以看出，CHY工艺复合管在生产制造大中直径管道时，由于其增强层重量的占比较高，充分发挥了增强层的性能优势和成本优势，因而更具竞争力。
不同类别管道成本对比表如下所示：
序号
管道类别
直径（mm）
承压1.0MP
重量（公斤/米）
成本（元/米）
1
CHY增强PE复合管
300
7
80
实壁PE管
315
18.4
221
球墨铸铁管
326
61
183
玻璃钢管道
310
12
95
2
CHY增强PE复合管
400
10.5
119
实壁PE管
400
30
356
球墨铸铁管
429
85
255
玻璃钢管道
412
18
145
3
CHY增强PE复合管
1000
58
639
实壁PE管
1000
186
2227
球墨铸铁管
1048
340
1020
PCCP管
1160
700
735
玻璃钢管道
1026
160
810
4
CHY增强PE复合管
2000
178
1922
实壁PE管
2000
706
8000
球墨铸铁管
2282
1126
3300
PCCP管
2290
2520
2600
玻璃钢管道
2046
409
2100
管道成本对比表
从不同类别的管道比较中可以看出，对于同规格、同口径的管道，在重量及成本方面，CHY工艺生产的复合管具有明显的优势。
6.CHY复合管的性能优势
CHY热塑性复合管继续保留了聚乙烯管无毒卫生、耐腐蚀、流阻小、高韧性、寿命长等优异性能，同时解决了聚乙烯管强度较低，刚度较小等不足。
由此打开了塑料管道进入大中直径中压管道市场的大门。
CHY热塑性复合管与钢管的比较：
由于钢管易于腐蚀、生锈，又很笨重，搬运不便，而CHY热塑性复合管耐腐蚀、不生锈、重量轻的优势突出。
CHY热塑性复合管与玻纤增强热固性管道（俗称玻璃钢管道）比较最大优势是可回收循环利用，生产过程无废水废气产生，顺应了绿色环保、循环经济的大趋势
CHY热塑性复合管与普通塑料管的比较：
普通塑料管不能满足大中直径管道的性能要求，例如：
PVC管道因聚氯乙烯树脂流动性差难以制造很大直径实壁管（在世界范围内PVC管道直径很难超过1200mm，多数在800mm以内）。
HDPE管道因聚乙烯树脂流动性好虽然可以制造大直径实壁管（直径：
1600--2500mm），但由于HDPE的强度比较低，需要较大的壁厚，大直径HDPE管只能应用于承受压力低的领域。
而CHY热塑性复合管刚好能克服这些普通塑料管的缺点。
7.市场展望
近年来，我国城镇建设管道铺设量逐年快速增长，但塑料管材用量仅为20％，市场发展的潜力还很巨大。
我国启动的“海绵城市”、地下管廊”建设，工程建设中塑料管材将具有美好的市场前景。
市政给水管、排水、排污管等市场潜力巨大，中央财政给予海绵城市试点专项资金补助，每年按城市级别4-6亿元。
试点城市将城市建设成吸水、蓄水、净水、释水的海绵体，提高城市防洪排涝减灾的能力。
2015年4月2日，国务院正式发布《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）将带动2万亿水治理投资，这将给CHY复合管带来巨大的市场机会。
过去十年可以说是中国增强热塑性管道的探索期，孕育期，预期今后十年将是增强热塑性管道的发展期，增长期。
理由是：
增强热塑性管道的优异特性逐步被广泛认识，在建筑和市政工程市场继续扩展的同时，不少其他领域的管道用户在探索应用增强热塑性管。
近年我国石油天然气产业对应用RTP很积极，‘石油管道局’等多次组织专题调研，制定了一批相关的标准。
RTP已经越来越多应用于陆地和海上油气田的注水管、集输管等。
石油天然气产业特别希望能够把RTP应用到‘长输管道’，认为突破后每年将有数万公里的工程量。
同时在矿井输水、盐田输卤、军用输油、海底管道，温泉利用等领域RTP都已经有成功应用的实例。
中国作为全球第二大经济体，能源产业无疑是我国最迫切需要发展和最优先投资建设的产业。
我国油气管网建设任重道远，尤其是油气资源西部很多在沙漠，东部很多在沼泽，海滩和海上。
可以肯定地预计我国石油和天然气产业的RTP应用会有较
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