聚乙烯大口径特厚壁管生产工艺技术研究

尹伟华(四川森普管材股份有限公司)

自1954年聚乙烯管用于压力管道系统以来，取得了长足的进步。但在发展过程中，聚乙烯(PE)压力管道制造商一直被大口径特厚壁管道(直径≥500mm，壁厚≥45mm)生产所困惑。由于聚乙烯产品是热的不良导体，在生产聚乙烯管道时，管材壁厚内部在一段时间内将保持熔融状态，管壁越厚，其持续的时间越长。壁厚中间熔融体在重力的作用下沿管壁向下流动，从而改变壁厚厚度的分布，这种现象被称为融垂(见图1)。融垂造成管道正上方和正下方壁厚相对较薄，从正上方往下沿管壁部分逐渐增厚，通常在正对管道断面的225°左右和315°左右位置达到壁厚最厚。

聚乙烯管道承压能力是以聚乙烯原材料性能和管壁厚度获取的，这使得聚乙烯管道在向大口径和高承压能力方向发展过程中受到难以逾越的阻力。如果大口径高承压能力管道在生产过程中不能很好的解决融垂问题，将使具有很好发展前景的聚乙烯管道在大口径和高压力等级领域中途折戈。

GB/T13663-2000《给水用聚乙烯(PE)管材》标准中6.3.3壁厚及偏差中明确规定：管材的最小壁厚ey,m in等于公称壁厚en。换言之，因融垂原因引起的壁厚超差部分则是材料浪费，所以，研究解决聚烯烃管道加工过程中的融垂问题，对于降低企业生产成本，增强产品市场竞争力具有非常重要的作用。

对于解决大口径特厚壁管道在生产过程中因融垂而引起的壁厚分布不均现象，我进行了如下几方面的研究。

一、原材料的选择。在确保原材料性能的情况下尽可能选择具有低融垂性能的原材料，如北欧化工的HS3490-LS-H。该料抗融垂非常好，在大口径特厚壁管道生产过程中具有常规材料不可比拟的性能。据资料记载：应用于穿越博斯普鲁斯海峡输送饮用水到伊斯坦布尔的管道，是Firat于2007年选用一种特别抗融垂的PE100原料进行生产加工，直径1200mm的PE100级管道管壁厚度达到109.1mm。

二、工艺参数设置。在确保聚乙烯材料充分熔融塑化和良好挤出的情况下，尽可能降低材料的加工温度。降低材料加工温度主要是降低熔融材料的热焓，便于在有限的冷却条件下减少其受重力影响而导致的熔融材料流动的时间和距离，从而减缓融垂现象。例如：上海石化YGH 041原料加工工艺温度设置：机筒一段至五段为60℃、190℃、195℃、205℃、210℃；机筒与模头过渡段为190℃-200℃；模头各温区设置为175℃-190℃。

三、口模与芯棒间隙的调整。口模与芯棒间隙的调整主要就是考虑到聚乙烯材料在加工过程中由于重力不可避免的存在融垂现象。通过调整口模与芯棒的相对偏移量，达到上面的坯料厚度比下面的坯料厚度大，而左右坯料厚度一致的效果。结合经验和实际加工壁厚，一般的口模与芯棒的相对偏移量2.5-4mm(常规聚乙烯原材料),即上下坯料厚度差为5-8mm。

四、管道内部的冷却问题。这是该项研究的重点。现行聚乙烯管道加工过程中主要是靠雾化水对管道外表面进行冷却，内表面靠自然冷却，中间层靠向内外表面传导热冷却。经研究发现：在生产过程中，管道内壁向管道内部的空气辐射热量，内部受热的热空气由于没有对流的条件，造成热空气基本停滞不流动，当内部热空气温度与管道内壁温度一致时，管道唯一冷却方式就只有靠管道外表面雾化水带走管道传导出的热量进行冷却，这种方式大大降低了管道的冷却效率，进而影响生产效率和加重管道的融垂现象。例如：dn630 PE100 SDR11的管道，最小管道壁厚达到57.2mm，出口模的熔融坯料要在生产线上运行40米左右才能基本定型，需要近7个小时的时间。所以管道生产过程中内表面的冷却成为制约产品生产质量和效率的重要因素。为提高管道生产过程中管道内表面的冷却效率，我探索并研制出一套管道内部冷却装置及应用方式，它以经处理的压缩空气为冷媒，将预处理好的压缩空气通过专用管道从模头尾部预留孔进入到模具内部，再从模具芯棒中部的孔穿出并连接到专用冷却装置上，预处理的压缩冷空气对进入定径套中部以后的预成型管道内壁进行冷却，可以根据管道的内径、壁厚来调节冷却风量和冷却段数。通过特殊的装置将预处理的冷压缩空气传递到聚乙烯管道的内表面，经空气对流将管道内表面的热量带走，从而实现管道外壁和内壁同时对管道进行冷却的方式加快对管道的冷却，冷却效率提高，加快了管道的凝结和结晶时间，大大减缓了融垂的影响程度。经验证：管道的冷却效率和产品质量均提升50%以上。聚乙烯管道生产过程中融垂问题的解决，为聚乙烯管道向大口径厚壁管方向突破奠定了坚实的基础，特别是对于国产原料的推广使用具有重大意义。

国家提倡低碳、节能、环保，解决好聚烯烃管道加工过程中的融垂问题，节省了原材料消耗，从而节约了石油资源和能耗消耗，对于国民经济的发展具有重要的意义。

[1]孙逊编著 .聚烯烃管道.北京：化学工业出版社，2002.

[2]洪定一主编.塑料工业手册.聚烯烃.北京：化学工业出版社，1999.

[3]李德祖主编.塑料加工技术应用手册.北京：中国物资出版社，1997.

[4]建筑用管材标准汇编 非金属卷 北京：中国标准出版社，2008.