大口径HDPE管材挤出生产技术及应用

范光华

摘 要：聚烯烃塑料管材主要包括聚乙烯和聚丙烯等，聚乙烯管材包括给水排水实壁管、单壁双壁波纹管、钢带增强波纹管、燃气管、矿粉砂石淤泥输送管、农业灌溉滴灌管及其他复合改性交联管。聚丙烯管材包括冷热给水管和工矿企业输送管。随着国家建设的不断加大和深入，聚烯烃塑料管材产量和质量都有了飞速的发展和提高，应用领域涉及到城乡供排水、农业灌溉、可燃性气体、矿山企业、旧网改造维修等各个方面。聚烯烃塑料管材新技术不断得到创新发展。

关键词：大口径HDPE管材；挤出生产技术；应用

前言

HDPE 管道具有耐腐蚀、水力摩阻低、强度高、韧性好、施工快捷、适应变形能力强、造价低廉等优点，在市政供排水工程中被大量应用。目前工程中采用的 HDPE 管道口径一般较小，在已实施的输水、气管道工程中以 600mm 及以下者为常用。在导致高密度聚乙烯（HDPE）管材使用寿命终止的原因中，代表管件破损的环形裂纹在所有破坏模式中高达50%，可以说影响管道系统整体安全性的最大因素是其最薄弱环节—管件，高品质的管件将有助于提高管道的整体安全性。

1聚烯烃塑料管材的挤出技术

闪立新从原料、设备、生产工艺等方面比较系统地论述了聚乙烯管材的挤出技术，王建国等从设备结构方面研究了Φ32mm以下小规格管材如何达到30m/min以上的“高速”“高效”生产，总结了单纯完善设备来实现“高速”“高产”而存在的问题。比如物料混炼塑化不均，物料急剧升温和热分解，辅机的控制系统精度须提高，螺杆和机筒磨损加剧，减速器与轴承在高速运转下如何提高使用寿命。对于高速挤出而言，物料的塑化效果很关键，使用屏蔽式单螺杆挤出效果较好，由于屏蔽式螺杆特有的双螺旋线结构，可以确保物料均匀塑化，既提高了产量又降低了能耗。

根据聚乙烯物料在高速挤出时易出现的问题，郦华兴等分别从原料选型、改性、配方设计、工艺控制等方面进行了分析研究，对HDPE和LLDPE的混合物的流动性及系统“内外润滑平衡”做了深入研究，从而实现了聚乙烯电缆料的高速挤出。郑建旭等比较系统地论述了聚乙烯管材的高速挤出技术，重点提出对挤出模具进行聚四氟乙烯喷涂处理的研究。原材料生产企业积极开发出更适合市场要求的聚乙烯原料，满足管材物理性能和卫生性能的要求。

2管件及管件连接

为了满足管道系统的使用和安装要求，工程中需要大量的管件。对管件以及管件与管材的连接应做的试验进行了规定，包括静液压强度、熔接强度、对接熔接拉伸强度、鞍形旁通的冲击强度、耐弯曲密封试验、耐拉拔试验等。在邢清干渠工程中，管件主要包括排气旁通（150mm）、进人检查旁通（600mm）、主管材的接口及弯管。工程中，主管连接一般采用热熔连接方式，主管与阀门连接采用法兰连接，主管合拢采用电熔套筒，旁通管采用PE鞍形电熔连接件。邢清干渠主管热熔连接，在厂内进行了相关试验和测试，包括渗漏、拉伸、撕裂等试验，测试指标均满足规范和设计要求，现场施工按照厂内测试时的工艺进行控制。施工现场安装1000m后进行了水压试验，水压试验合格。厂内和现场试验表明，对于大口径HDPE管道，采用热熔连接是完全满足工程使用要求的。

对于角度较小的转点，利用PE管自身的柔性特点接转，角度较大时，采用HDPE弯管。邢清干渠弯管采用加厚的主管材（SDR21）熔接制作，与主管材熔接连接，厂内和现场试验证明满足工程要求。邢清干渠沿线平均800m设置一排气阀（DN150），沿程设置了9个进人检查孔（DN600），排气和检查旁通管均为与主管材同级的PE材料，采用鞍形电熔连接件与主管材连接。在管线全部安装完成后，进行了整体水压试验，试验压力0.6MPa。检查孔设于检查井内，上游1.5m为检修蝶阀，下游1.4m为穿墙套管，试验过程中，出现一个进人检查孔崩脱，分析原因主要为HDPE管承受内压时变形量较大，上下游受阀门和穿墙套管以及鞍形旁通自身刚度影响较大，使鞍形旁通与主管连接处变形率大，应力集中明显，加之旁通管与主管之间电熔连接质量不易保证，造成旁通管与主管连接面撕裂并在压力下崩脱。问题出现后，此旁通及主管更换为钢管。经过此问题总结经验，当设置大口径旁通管时，建议主管采用钢管，设置钢制旁通管。

PE主管与阀门或者钢管连接，常用的连接方式是通过套在HDPE管道上的法兰盘与所需连接设备的法兰连接，通过压紧法兰根实现止水，邢清干渠采用这种连接方式。但是这种方式存在以下问题：相同规格的HDPE管内径相对钢管或阀门要小，若HDPE管与阀门直接连接，当采用蝶阀时有可能造成蝶阀阀板不能完全开启；HDPE法兰根与法兰盘接触宽度小，不利于水密封，且容易剪切破坏。工程中使用了一种变径接头，并申请了专利。变径接头由变径管及其上下侧的钢制法兰组成，一侧为标准法兰，与PE管连接的法兰为内径与PE管内径相同的非标法兰，采用此变径接头能有效解决上述问题。

HDPE主管分段熔接，存在已连接较长管段的合拢问题。邢清干渠合拢采用电熔套筒连接，电熔套筒长度800mm，壁厚55.5mm。套筒在厂内进行了熔接工艺和效果试验检测，在施工现场按照厂內的工艺控制，现场完成套筒熔接十余处。整体水压充水阶段，发现套筒处存在不同程度的渗水问题。原因主要是施工现场管材和套筒存在竖向变形，造成主管外壁和套筒内壁间隙不均，电熔时PE料的熔化粘结不完全，造成局部密闭性不足。现场采用充填PE粉料、热熔进行修补，整体水压试验合格。针对套筒熔接出现的问题，建议对于大直径PE管道，合拢尽量设于阀门井处，同时建议合拢采用钢管法兰连接。

3回填要求

对柔性管道，沟槽回填质量对管道承载能力、变形率影响很大，管周回填中粗砂，压实度较高，土的综合变形模量大，管道竖向变形小，承载能力高。邢清干渠HDPE管道沿线地层以砂性土为主，施工过程中，对DN1400管道两侧沟槽内选用不同的回填料、不同的压实度进行了以下4种试验工况：①原土回填；②中粗砂垫层，管周两侧原土回填；③底部120度中粗砂支撑角，其余原土回填；④管道中心线高程以下中粗砂垫层，其余原土回填。检测结果显示，方案①竖向变形率最大，为1.4%，方案④竖向变形率最小，为0.2%。从检测结果看，管沟内回填中粗砂对减小竖向变形率效果明显。规范规定，塑料管材的变形率不超过3%，根据检测结果以及预测变形，工程中选用原土回填。

结语：大口径HDPE管道对原材料、管件的制作和安装、现场工艺控制等方面较常规小口径管道严格，当超出规范规定时，应进行严格的试验测试。根据大口径 HDPE 管道设计、施工中的问题，有以下体会和建议： ①管道连接采用热熔连接是便捷可靠的； ②长管合拢采用电熔套筒质量不易控制，建议采用法兰连接，并设置变径接头； ③支管直径较大的鞍形旁通管，在内外压作用下，因管道变形率过大引起应力集中，致鞍形旁通与主管容易撕脱，建议有条件的采用整体注塑加工，或者采用钢制管件； ④管沟回填建议采用中粗砂，严格控制回填质量，建议回填时管道内有一定的压力，减小因管道自重和回填土重引起的管道竖向变形； ⑤管道整体水压试验压力建议采用文献规定，水压试验的分段可结合检修阀门井设置。

参考文献

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