聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管技术及生产线布置

摘 要：详细介绍了聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管的生产线布置和工艺流程，通过对预制直埋保温管产品主要性能指标和预期产业化目标的分析，明确了其广阔的发展前景和将要取得的社会效益和经济效益。

关键词：聚氨酯喷涂；预制直埋保温管；聚乙烯缠绕；保温层；外套管

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.005

0 前言

预制直埋保温管由输送介质的钢管（工作管）、聚氨酯硬质泡沫塑料（保温层）、高密度聚乙烯外套管（外护层）构成，因其具有热损耗低、防腐及绝缘性能好、施工快捷安全等优点，被广泛应用于液体与气体的输送管网、集中供热热网、市政建设工程等领域，是保障城市安全高效运行的重要基础设施和“生命线”，是公认的环保节能产品。目前，生产企业普遍采用传统的“管中管”工艺生产大口径预制直埋保温管，虽然传统的“管中管”生产工艺中各工序独立性强，便于专业操作和分工协作，但因其关键基础工艺存在难以克服的薄弱环节，在产品规格、产品质量及制造成本方面存在着一定的缺陷，在此背景下，开发高端保温管道生产工艺技术，破解制约预制直埋保温管制造关键基础工艺的薄弱环节，推动我国预制直埋保温管制造业由低端向中高端迈进，成为我国保温管道制造业刻不容缓的科技攻关课题。

1 传统的预制直埋保温管“管中管”工艺

传统的“管中管”生产工艺主要包括钢管表面预处理、高密度聚乙烯外护管生产和保温层生产三大步骤，其中保温层生产步骤是首先将钢管穿入高密度聚乙烯外护管中形成套管结构，并在钢管与高密度聚乙烯外护管之间的环形空间均匀布置支架，两端采用法兰密封；然后将套管吊装在发泡平台上，利用高压发泡机向套管中注射聚氨酯发泡材料；在聚氨酯材料发泡成型固化后拆除两端密封结构，完成保温层的生产过程。

传统的“管中管”生产工艺存在的缺陷主要表现在以下几个方面：一是由于产品的规格（如管材口径、保温层和外套管厚度等）相对固定，只能适应市场的常规需求，当用户提出特定的非标准化产品要求时，会加大产品制造成本和工程投资，延长生产和施工周期；二是采用“管中管”生产工艺，聚乙烯外套管在聚氨酯注料成型过程中，聚氨酯发泡会产生一定的膨胀力，为了保证管材的安全，需要加大高密度聚乙烯外护管管壁的设计厚度，由此造成工艺过程的制作成本偏高；三是聚氨酯注料无论是水平形式还是倾斜形式，形成的保温层密度分布都不均匀，为保证管材各部位密度指标不低于标准要求，就需要多注入40-50%的聚氨酯原料，同样存在工艺过程的制作成本偏高问题。

2 聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管技术

唐山兴邦管道工程设备有限公司研发的聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管技术，通过对“钢管在线预处理系统”、“聚氨酯喷涂技术”及“聚乙烯缠绕技术”的深入研究，制定了由钢管外壁抛丸清理除锈、钢管内壁吹扫、聚氨酯喷涂、聚乙烯缠绕、管端切割和成品管转运等关键工序组成的工艺生产路线，并建成与该工艺生产路线相匹配的生产线，以此克服了传统“管中管”生产工艺存在的技术障碍，不仅保证了保温层密度的均匀性，提高了产品质量，而且降低了产品制造成本。

2.1 聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕保温管生产线

如图1所示，聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕保温管生产线包括钢管除锈及清扫作业区域（Ⅰ）、聚氨酯喷涂作业区域（Ⅱ）、聚乙烯缠绕作业区域（Ⅲ）和钢管端头处理作业区域（Ⅳ）；在钢管除锈及清扫作业区域（Ⅰ）中设置钢管外壁抛丸清理线和钢管内壁清扫设备；在聚氨酯喷涂作业区域（Ⅱ）中设置聚氨酯喷涂线；在聚乙烯缠绕作业区域（Ⅲ）设置聚乙烯缠绕线；在钢管端头处理作业区域（Ⅳ）设置钢管端头切割设备；在清扫作业区域（Ⅰ）、聚氨酯喷涂作业区域（Ⅱ）、聚乙烯缠绕作业区域（Ⅲ）和钢管端头处理作业区域（Ⅳ）之间设置工件输送轨道，并在工件输送轨道上配置两台以上用于运送工件的液压升降小车。

2.1.1 钢管外壁抛丸清理线

钢管外壁抛丸清理线上设有钢管螺旋输送线和抛丸机；其中钢管螺旋输送线采用橡胶辊道螺旋输送方式；抛丸机布置在钢管螺旋输送线中部，由抛丸室、抛丸器、分离器、提升机、弹丸控制系统、除尘系统和电器控制系统组成。

2.1.2 钢管内壁清扫设备

钢管内壁清扫设备包括钢管旋转支撑装置、吹风装置和密封集尘装置；吹风装置设有吹扫小车、风机、送风管、送風管支撑小车、送风管支撑轮和吹风装置移动轨道，其中吹扫小车和送风管支撑小车布置在吹风装置移动轨道上，吹扫小车由电机驱动运转，送风管支撑小车行走为从动方式，通过钢链与吹扫小车连接，风机安装在吹扫小车上，风机出口与送风管进口端密封连接，在送风管的出口端装配与钢管工件内壁配合的送风管支撑轮；密封集尘装置由行走车体、密封仓体、密封集尘装置移动轨道、脉冲反吹式除尘器和集尘料斗组成；密封仓体、脉冲反吹式除尘器和集尘料斗均安装在行走车体上，在密封仓体前端设有与工件端口配合的密封胶板，在密封仓体后端连接脉冲反吸式除尘器，脉冲反吸式除尘器的排尘口与集尘料斗连接。

2.1.3 聚氨酯喷涂线

聚氨酯喷涂线中设置钢管螺旋输送线、钢管预加热设备和聚氨酯喷涂设备；钢管预加热设备采用中频电加热装置，其中频电源采用全数字化控制系统，核心控制板实现标准化，所有设备之间可以互换，便于维修、调试；聚氨酯喷涂设备包括1500L保温料罐及供料系统、聚氨酯喷涂机、聚氨酯喷涂房及喷枪支撑架，其中聚氨酯喷涂机选用美国GRACO公司当前最先进的双组份聚氨酯喷涂主机。

2.1.4 聚乙烯缠绕线

聚乙烯缠绕线中设置钢管螺旋输送线、聚乙烯缠绕设备和冷却设备；钢管螺旋输送线的末端设有用于实现工件下料的液压摇臂；聚乙烯缠绕设备包括PE挤出机、自动上料系统、Φ180液压柱式换网系统、模具及模具吊架、融体过液流道部分和涂覆架导向压辊系统；其中PE挤出机选用高效单螺杆挤出机；自动上料系统由料斗式烘干机、真空上料机组成，各单机之间均采用软管联接而成一个封闭的循环系统；模具选用衣架式板材专用模具，吸收、消化国外先进技术，采用优质模具钢制作，型腔表面镀铬；涂覆架导向压辊系统与下置式缠绕方式相匹配，聚乙烯片材由一套托辊进行挤压，胶辊采用耐高温硅橡胶制作，硬度为邵氏10±2度，托辊及压辊内部通水冷却，全部动力采用气动方式；冷却设备用于对涂敷完成后钢管的表面冷却，由水喷淋房、沉淀池、水冷却塔、冷却水池及水泵组成，水冷却塔及水泵主要用于水喷淋房供水，冷却水通过水泵加压输送至水喷淋房对钢管进行冷却降温，然后回水返回沉淀池内，再经循环水泵提升至冷却塔进行降温，再返回冷却水池循环使用。endprint

2.1.5 钢管端头切割设备

钢管端头切割设备用于钢管防腐后管端聚乙烯的切割，由带密封仓行走小车、升降切割系统、集尘装置组成；带密封仓行走小车的密封仓将切割系统整体密封，以维护环境的清洁和降低切割噪音，小车行走减速机采用斜齿轮硬齿面减速机，带有制动功能；升降切割系统采用单头切割机切割管端防腐层，切割锯采用圆形有齿钢锯，升降采用气缸进行驱动；集尘装置采用布袋除尘器。

2.1.6 液压升降小车

液压升降小车设有行走系统、液压升降系统和控制系统；液压升降小车行走系统采用电机及斜齿轮硬齿面减速机驱动，行走速度为变频调速；小车采用滑触线进行供电，通过遥控接收器控制小车的行走、停止、液压缸的举升、液压缸的降落；每台小车配有一台液压站，放置在小车上，与小车一起行走。

2.2 聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕保温管生产工艺流程

聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕保温管生产的工艺路线为：液压升降小车上管→→→钢管外壁抛丸清理除锈→→→液压升降小车下管→→→钢管内壁吹扫→→→液压升降小车上管→→→中频加热→→→聚氨酯喷涂→→→液压摇臂下管→→→液压升降小车上管→→→聚乙烯缠绕→→→水喷淋冷却→→→液压升降小车下管→→→管端切割→→→成品管转运。

2.2.1 钢管外壁抛丸除锈

利用液压升降小车将钢管工件运送至钢管抛丸清理线的螺旋传动钢管输送线上，钢管自转前进进入抛丸室，当传感器采集到钢管到位信号后，控制系统指令弹丸闸门开启，抛撒的弹丸撞击钢管外壁，将附着在钢管外壁上的锈蚀物及杂质清除，同时，粉尘处理系统工作将弹丸与粉尘分离并清除，在钢管工件移出抛丸室后，弹丸闸门关闭，钢管工件进入输出辊道，钢管工件经一次抛丸处理，外表面达到除锈的要求。

2.2.2 钢管内壁吹扫

利用液压升降小车将工件由钢管抛丸清理线的螺旋传动钢管输送线运送至钢管内壁清扫设备的钢管旋转支撑装置上，密封集尘装置中行走车体沿密封集尘装置移动轨道向工件靠拢，使工件一端进入密封仓体，启动钢管旋转支撑装置，钢管绕自身轴线旋转，吹扫小车在吹风装置移动轨道上運行，带动送风管进入工件后，风机启动，通过送风管的出风口对钢管内壁进行吹扫，同时密封集尘装置中脉冲反吹式除尘器工作，将钢管内壁上残留的锈蚀粉尘吸入集尘料斗中，完成钢管内壁吹扫作业。

2.2.3 聚氨酯喷涂

利用液压升降小车将工件由钢管内壁清扫设备的钢管旋转支撑装置运送至聚氨酯喷涂作业区域（Ⅱ），由聚氨酯喷涂线的螺旋传动钢管输送线驱动工件前行，经中频电加热装置对工件进行加热，将钢管外表面加热到40～60℃，除去钢管表面潮气等附着物，使钢管外表面温度保持高于露点温度至少3℃以上，达到聚氨酯原料发泡的最佳温度（30～35℃），然后由聚氨酯喷涂设备的喷枪将聚氨酯原料以伞形、雾状和混合均匀的形态，均匀喷涂在螺旋前进的钢管上，聚氨酯原料在一定时间内发起，达到一定抗压强度和厚度，完成聚氨酯喷涂作业。

2.2.4 聚乙烯缠绕

利用液压摇臂将工件由聚氨酯喷涂线的螺旋传动钢管输送线上移送至液压升降小车上，再由液压升降小车将工件运送至聚乙烯缠绕作业区域（Ⅲ），由聚乙烯缠绕线的螺旋传动钢管输送线驱动工件前行，同时PE挤出机工作，挤出一定厚度的熔融的聚乙烯片材，并按照设定的技术参数叠加缠绕在聚氨酯层表面，经水喷淋冷却设备冷却后，聚乙烯外护层紧紧包裹在聚氨酯发泡的钢管上，完成聚乙烯外护层的制作。

2.2.5 钢管端头处理

利用液压升降小车将工件由聚乙烯缠绕线的螺旋传动钢管输送线运送至钢管端头处理作业区域（Ⅳ），由钢管端头切割设备按照设定尺寸将工件两端端头切除，然后通过液压升降小车将工件运送至产品存放区域，完成聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕保温管生产过程。

3 聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕保温管主要性能指标

3.1 聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕保温管成品管技术参数

（1）轴向剪切强度： ≥0.12MPa（23±2℃） ，≥0.08MPa（140±2℃）

（2）管径范围： DN200-DN1200

（3）连续运行温度： 140℃ Max

（4）峰值运行温度： 150℃ Max

（5）使用寿命： ≥30年

3.2 工作管执行标准

DN200及以上管径采用螺旋焊接钢管，执行标准SY/T5037-2000或GB/T9711.1

3.3 聚氨酯保温管保温层技术参数

（1）平均孔径：≤0.5mm

（2） 闭孔率≥88%

（3）任意位置密度 ≥60㎏/m3

（4）抗压强度 ≥0.3MPa（10%变形条件下）

（5）吸水率： ≤10%（100℃沸水，90分钟）

3.4 低压高密度聚乙烯外护管技术参数

（1）密度≥950㎏/m3（20℃）

（2）炭黑含量： 2.5%±0.5%（质量百分比）

（3）导热系数： 0.43W/（m.℃）

（4）热膨胀系数： 18010-6（1℃）

（5）拉伸强度： ≥19MPa

（6）断裂伸长率： ≥350%

（7）耐环境应力开裂： ≥200h

4 聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕保温管技术产业化目标

唐山兴邦管道工程设备有限公司应用聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管工艺技术，建成硬质聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管生产线两条，以DN1000mm型喷涂缠绕保温管为例，以一年生产300天计算，达到年产保温管600000米的生产能力，年产值约12亿元。

5 结论

聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管技术改变了传统“管中管”生产工艺，在保温管制造核心技术方面取得了重大突破，与国内外同类产品制造技术相比，其自动化钢管预处理系统、自动化喷涂系统、自动化生产控制系统和自动化行进传动系统在系统性、融合性和操作性等方面更具有独特的技术优势，该技术可加快推进新一代信息技术与预制直埋保温管制造技术融合发展，全面提升预制直埋保温管产品质量、可靠性和使用寿命，形成具有原创性自主知识产权的基础工艺体系；经测试与估算，采用“聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管工艺技术”生产的预制直埋保温管导热系数比国家标准下降0.003，节能率达到9%；产品使用寿命延长至30年至50年，其相对减少重复性生产制造中的能耗20%左右，综合节能率达到30%以上，不仅对于绿色低碳发展将有着重要意义，也使得唐山兴邦公司生产的预制直埋保温管产品售价比国内同类先进产品价格每延米低20%左右，取得了良好的社会效益和经济效益。

作者简介：邱华伟（1979-），男，大专，工程师，中共党员，总经理，研究方向：绝热节能产品研发，国家、行业标准主要起草人，无支架直埋保温管制造技术。endprint