高性能非埋地承壓熱塑性塑料復合管道及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及高性能非埋地承壓熱塑性塑料復合管道，所述復合管道包括五層結(jié)構(gòu)，其中復合管道的管壁由外至內(nèi)分別是具有耐候性、高強度的第一層；具有高強度、能夠阻止復合管道繼續(xù)蠕變的第二層；能夠與上下層進行融合、進行應力分配的輔助增強層，輔助增強層形成第三層；能夠阻隔氣體微量滲漏的氣體阻隔層，氣體阻隔層形成第四層；能夠抗腐蝕，具有強度和韌性的內(nèi)燃氣接觸層，內(nèi)燃氣接觸層形成第五層。本結(jié)構(gòu)的復合管道耐腐蝕和抗老化效果好，管內(nèi)氣體向外滲透的缺陷基本被阻隔。
【專利說明】
高性能非埋地承壓熱塑性塑料復合管道及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境友好型(環(huán)保型)的熱塑性塑料制造，應用于城市管廊建設的高性能非埋地承壓復合材料管道。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來一種新型的增強復合材料-連續(xù)纖維增強熱塑性塑料發(fā)展很快，國際上通常稱為CFRT-Continuous Fiber Reinforced ThermoplasticXFRT中的增強材料是高強度連續(xù)纖維、常用玻璃纖維和碳纖維?；w材料是熱塑性塑料，其獨特的優(yōu)點是材料屬環(huán)境友好型、高強度、高韌性、抗腐性、重量輕等。國內(nèi)雖然先后也有一些企業(yè)探索開發(fā)，但至今也未見到成熟的產(chǎn)品。而應用于中低壓的天然氣輸配管道，大量使用HDPE(PE10)的原料生產(chǎn)，執(zhí)行國標GB15558.1和國際標準IS04437，在埋地狀態(tài)下使用，而不能用于非埋地狀態(tài)下?，F(xiàn)在國家大力提倡和規(guī)劃在城市中建設綜合管廊工程，使用HDPE(PE10)的中低壓天然氣輸配管道就無法在管廊中使用。在此領(lǐng)域使用高分子材料復合管道，現(xiàn)在國際國內(nèi)尚屬空白，而HDPE熱塑性塑料管道在燃氣中低壓輸送系統(tǒng)中具有無可比擬的優(yōu)勢，其優(yōu)異的性能仍是極具發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)秀材料。
[0003]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)并不能解決燃氣用熱塑性塑料管道的非埋地使用問題，在綜合管廊中使用燃氣輸送塑料管是開發(fā)研究的重點方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決非埋壓條件下塑料壓力管道抗蠕變性和直接暴露在空氣中的耐老化性能，以及在管廊內(nèi)微量滲漏燃氣，可能形成局部聚集而引起的安全問題，采用多層結(jié)構(gòu)、多種不同性能材質(zhì)組成的復合管材，實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下:
[0005]高性能非埋地承壓熱塑性塑料復合管道，所述復合管道包括五層結(jié)構(gòu)，其中復合管道的管壁由外至內(nèi)分別是具有耐候性、高強度的第一層;具有高強度、能夠阻止復合管道繼續(xù)蠕變的第二層;能夠與上下層進行融合、進行應力分配的輔助增強層，輔助增強層形成第三層;能夠阻隔氣體微量滲漏的氣體阻隔層，氣體阻隔層形成第四層;能夠抗腐蝕，具有強度和韌性的內(nèi)燃氣接觸層，內(nèi)燃氣接觸層形成第五層。
[0006]本結(jié)構(gòu)的復合管道耐腐蝕和抗老化效果好，管內(nèi)氣體向外滲透的缺陷基本被阻隔。
【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明示意圖
[0008]圖2為抗蠕變性能檢測結(jié)果示意圖
[0009]附圖序號說明:第一層1、第二層2、第三層3、第四層4、第五層5【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細的說明。
[0011 ]本發(fā)明中，高性能非埋地承壓熱塑性塑料復合管道中復合管道包括五層結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料力學的預應力緩沖原理，采用材料強度逐層增強的方法，組成了五層結(jié)構(gòu)，其中復合管道的管壁由外至內(nèi)分別是具有耐候性、高強度的第一層1，第一層I采用耐候性、高強度的改性塑性塑料制造，此種材料具有極佳的耐候性能和優(yōu)良的強度性能，能抵抗在施工中承壓件，例如管材的外層被劃傷，并能避免劣質(zhì)環(huán)境條件對管材的不好影響。同時第一層的材質(zhì)增加了與第二層材料的融合性，獲得較強的結(jié)合力。
[0012]第二層2需要具有高強度、能夠阻止復合管道繼續(xù)蠕變的性能，可以采用雙向纏繞加捻連續(xù)玻璃纖維，雙向纏繞加捻連續(xù)玻璃纖維是以一定的夾角(以平衡軸向和徑向抗拉強度)纏繞加捻玻璃纖維線(此玻璃纖維加捻線，經(jīng)過使用具有熱塑性、高粘接力、高強度的聚合物處理而成，使之具有很好的上下層粘結(jié)力)，第二層2是管材強度的最高層，可有效阻止復合管道的繼續(xù)蠕變，并協(xié)同均衡增強管材的軸向和徑向強度性能，使復合管道的各向強度性能趨于相同。
[0013]第三層3需要能夠與上下層進行融合，形成輔助增強層；第三層3的材質(zhì)可以采用玻璃纖維短纖改性增強的高密度聚乙烯HDPE(PE10)，例如玻璃纖維短纖可采用日本(4mm玻纖)改性增強HDPE原料生產(chǎn)，能極好進行管道的應力分配，達到最佳的綜合強度效果，并且第三層3具有較好的與上下層融合的作用。
[0014]第四層4為氣體阻隔層，氣體阻隔層選用當前最優(yōu)秀的氣體阻隔熱塑性塑料，能起到阻隔復合管道管內(nèi)燃氣的微量滲漏，采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，經(jīng)檢測對比，氣體滲漏率降低90%以上。
[0015]第五層5為復合管道的最內(nèi)層，是內(nèi)燃氣接觸層，內(nèi)燃氣接觸層需要具備優(yōu)異的抵抗化學腐蝕，具有較高的強度和韌性，以及極低的氣體摩擦系數(shù)的特點，因此第五層5可以選取高密度聚乙烯(PE100級)材質(zhì)作為內(nèi)層。
[0016]本發(fā)明中復合管道通過下述步驟完成:
[0017](I):采用三層共擠技術(shù)設備，直接生產(chǎn)出由第五層、第四層和第三層組成的復合管，經(jīng)真空冷卻并定型，此步驟的生產(chǎn)可以使用現(xiàn)有技術(shù)；
[0018](2):使用兩臺連續(xù)纖維纏繞設備進行雙向雙層的制作，雙向雙層的意思是采用兩個方向、兩股纖維的纏繞方式進行制作，即內(nèi)層纖維按逆時針方向纏繞，外層纖維按順時針方向纏繞，纏繞密度為4*4mm/cm2 ；
[0019](3):使用一臺塑料擠出機擠出熱塑性塑料(ASA)改性料，包覆外層，包覆的外層形成復合管道的第一層，熱塑性塑料(ASA)改性料的完成復合管道的強制定型，確保外徑尺寸穩(wěn)定，包覆層厚度控制在3-6mm之間。
[0020]本發(fā)明解決了非埋壓條件下塑料壓力管道抗蠕變性和直接暴露在空氣中的耐老化性能，以及在管廊內(nèi)微量滲漏燃氣，可能形成局部聚集而引起的安全問題。而采用多層結(jié)構(gòu)，多種不同性能材質(zhì)組成的復合管材可以有效抵抗外界的侵襲、腐蝕的破壞，并且使管道上的各種應力能夠合理分配。
[0021]針對主要應具備性能(耐候性、氣體滲漏和抗蠕變性)進行了相關(guān)檢測。
[0022]第一:耐候性檢測
[0023]參照國標GB15558.1 (2003)中附錄E的耐候性測試，試驗參數(shù)E彡3.5GJ/V，氣候老化后，取出試樣，做管材性能測試:熱穩(wěn)定性、管材靜液壓強度(165h/8(TC)，斷裂伸長率等，均未發(fā)生明顯變化。
[0024]第二:按照GB15558.1標準對比HDPE(PE10)管材檢測氣體滲漏率，氣體滲漏率僅為HDPE(PE10)燃氣管的10%以內(nèi)。
[0025]第三:抗蠕變性能檢測
[0026]設計了一個新的檢測方法，即在80°C的熱空氣環(huán)境中，將管內(nèi)注入水打壓至5.0mpa(環(huán)應力)，進行了 1000小時測試，測試后檢測其外徑變化情況，在165小時、500小時、1000小時檢測分別取樣檢測，僅在165小時有不到2%的外徑增大，其后的檢測外徑均無明顯變化。
[0027]具體變化如圖2所示:
[0028]見過上述實驗數(shù)據(jù)說明該復合管道在恒定壓力和較高溫度情況下，經(jīng)過一個多月的測試，能有效抵抗管材外徑增大的(即蠕變)問題。
[0029]由于此復合管道的實際使用效果，需要很多年才能有一些趨勢性結(jié)果，其加速檢測試驗方法，也沒有公認或通行方法，其最終的性能現(xiàn)階段只能通過現(xiàn)有復合材料理論的應用和加速測試方法(如IS09080標準)的外延推測，預期其長期使用性能。
[0030]根據(jù)現(xiàn)階段的測試結(jié)果分析，該產(chǎn)品在耐候性、氣體滲透率、抗蠕變等性能，基本達到對該復合管道的設計預期目標值，可以在城市綜合管廊中用于燃氣或水等中低壓介質(zhì)的輸送。
[0031]以上僅為本發(fā)明實施例的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明實施例，凡在本發(fā)明實施例的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明實施例的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.高性能非埋地承壓熱塑性塑料復合管道，其特征在于:所述復合管道包括五層結(jié)構(gòu)，其中復合管道的管壁由外至內(nèi)分別是具有耐候性、高強度的第一層;具有高強度、能夠阻止復合管道繼續(xù)蠕變的第二層;能夠與上下層進行融合、進行應力分配的輔助增強層，輔助增強層形成第三層;能夠阻隔氣體微量滲漏的氣體阻隔層，氣體阻隔層形成第四層;能夠抗腐蝕，具有強度和韌性的內(nèi)燃氣接觸層，內(nèi)燃氣接觸層形成第五層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能非埋地承壓熱塑性塑料復合管道，其特征在于:其中具有耐候性、高強度的第一層采用改性塑性塑料材質(zhì)，第一層材質(zhì)抵抗施工中對復合管道的外層劃傷和環(huán)境條件對復合管道材料的性能影響，并增加與第二層材料的融合性和結(jié)合力； 其中，第二層采用纏繞加捻連續(xù)玻璃纖維形成雙向雙層結(jié)構(gòu)，第二層為承壓件強度最高層，有效阻止復合管道的繼續(xù)蠕變，并協(xié)同均衡增強承壓件的軸向和徑向強度性能，使復合管道的各向強度性能趨于相同； 其中，第三層采用高密度聚乙烯(HDPE)短玻璃纖維增強材質(zhì)，第三層能夠進行應力分配，使復合管道達到最佳的綜合強度效果，并具有與上、下層融合的作用； 其中，第四層采用氣體阻隔熱塑性塑料材質(zhì)，起到阻隔管內(nèi)燃氣的微量滲漏； 其中，第五層采用高密度聚乙烯材質(zhì)。3.高性能非埋地承壓熱塑性塑料復合管道制造方法，其特征在于: (1)首先采用三臺共擠技術(shù)設備，直接生產(chǎn)出由第五層、第四層和第三層組成的復合管道，并且經(jīng)真空冷卻進行定型； (2)使用兩臺連續(xù)纖維纏繞設備進行雙向雙層的工作，其中內(nèi)層纖維按逆時針方向纏繞，外層纖維按順時針方向纏繞，纏繞密度為4*4mm/cm2 ； (3)使用一臺塑料擠出機擠出熱塑性塑料改性料，所述熱塑性塑料改性料包覆在步驟(2)中的外層形成包覆層，包覆層為復合管道的第一層。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能非埋地承壓熱塑性塑料復合管道制造方法，其特征在于:所述包覆層厚度控制在3_6mm之間。
【文檔編號】F16L9/12GK106042426SQ201610362487
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】陳敬昆, 陳帆
【申請人】湖北鐘格塑料管有限公司