專利名稱：超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的結(jié)構(gòu)和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種耐壓、耐磨損、耐腐蝕的超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的結(jié)構(gòu)、配方和制造工藝及連接方法。
超高分子量聚乙烯被譽為神奇的塑料。具有以下特點優(yōu)異的耐磨性，耐磨強度是碳鋼的7倍；摩擦系數(shù)小，不粘附性好；優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，除極少數(shù)溶劑對其有腐蝕性外，常見的無機、有機酸、堿、鹽和有機溶劑對這種材料都沒有腐蝕性。超高分子量聚乙烯在化學(xué)穩(wěn)定性上類似于聚四氟乙烯，是一種惰性材料。用這種材料制成管材，特別適合于輸送如原油等具有腐蝕性、粘附性的液體和如尾礦、泥漿、水煤漿等具有腐蝕性和強磨損性的液固混合物。但是超高分子量聚乙烯的抗拉強度低、抗蠕變能力差、抗切削能力差。單純的超高分子量聚乙烯管材耐壓強度低，容易蠕變，抗自然或人為破壞能力差，因此不能作為上述物料的輸送管道。
目前，油田使用的輸油管道絕大部分是無縫鋼管。由于有的油田水中含有鹽堿或者油田注水時含有腐蝕性物質(zhì)及磨損性物質(zhì)，所以管道很快損壞。再者，由于鋼管內(nèi)壁比較容易粘附原油而且摩擦系數(shù)較大，所以輸送的壓力較大。并且隨時間的推移，鋼管內(nèi)壁沉積的原油越來越多，流量逐漸減小，輸送壓力越來越大，所以必須定期清理管道，增加了很多生產(chǎn)成本。
對于尾礦特別是金屬尾礦及泥漿等固液混合物的輸送，由于高磨損和腐蝕，不能單獨使用無縫鋼管，而要在鋼管內(nèi)壁襯上鑄石等材料。這樣不僅管道的成本大大增加(通常至少增加一倍)，而且制造、運輸、安裝均費時費力。
針對上述情況，本發(fā)明的目的是公開一種超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管材的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝及連接方法，使這種管材的耐壓強度提高到2～20MPa，增加抗蠕變和抗破壞能力，使之完全符合上述物料的輸送要求。與無縫鋼管相比，這種復(fù)合增強管材具有顯著優(yōu)點1、大大提高使用壽命。在強腐蝕和高磨損條件下，使用壽命可提高幾倍至十幾倍。2、由于這種管材內(nèi)壁的不粘附性和摩擦系數(shù)小，可降低輸送壓力，這對于長距離輸送有重大意義。3、由于這種管材的導(dǎo)熱系數(shù)比鋼小一萬多倍，可大大降低輸送管路的保溫和加熱要求，這對于寒冷地帶和冬季原油及其它物料的輸送有重大意義。4、這種管材的生產(chǎn)成本低于無縫鋼管的生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的要點是將超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)和聚乙烯蠟(PE WAX)用擠出機和相應(yīng)的模具制成超高分子量聚乙烯管材作為內(nèi)管。再用纏繞編織機將鋼絲編織在內(nèi)管的外壁上。然后將PVC、MBS及其它輔料混合，用雙螺桿擠出機制成高抗沖擊PVC合金材料并擠入復(fù)合模具中。在復(fù)合模具中，PVC合金材料均勻地包敷在編織管的外壁。最后經(jīng)過定型、牽引、切斷得到超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管。其結(jié)構(gòu)見圖1。該復(fù)合管經(jīng)管端加工和按螺紋與焊接相結(jié)合的連接方法連接，得到實際的輸送管路。
現(xiàn)將超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的配方、設(shè)備、生產(chǎn)工藝及連接方式詳述如下A、超高分子量聚乙烯管材的制造a、配方由兩部分組成，A料是UHMW-PE作為基本成分，取其重量為100％,A料選擇分子量為100～200萬UHMW-PE。B料是加工助劑，選用分子量為3000～5000的聚乙烯蠟，用量為3～7％。
b、制造工藝1、混料按上述配方配料，將配好的原料置于混料機中混合均勻。
2、成型將混合好的原料用合適的雙螺桿擠出機或特殊設(shè)計的料筒帶槽的單螺桿擠出機，配以經(jīng)特殊設(shè)計的管材模具擠出成型。管材模具無分流器，采用側(cè)進料方式。芯棒中空可以將冷卻空氣通入成型后的超高分子量聚乙烯管材中。模具芯棒帶有夾層，可以通入冷卻液對芯棒進行冷卻控溫。模具后半段帶有外冷卻裝置，可以對模具外套進行冷卻。模具的壓縮比為1.2～2.5。擠出機料筒溫度為100～200℃，模具溫度為150～210℃，模具冷卻定型段和芯棒的溫度控制在60～100℃。擠出機轉(zhuǎn)速為10～30rpm。成型后的超高分子量聚乙烯管材經(jīng)牽引機牽引進行下一道工序。
B、編織編織鋼絲的目的是為了提高管材的耐壓強度和抗破壞能力。
根據(jù)不同的管徑和耐壓要求，選用不同直徑的鋼絲和編織密度。用纏繞編織機將鋼絲以與管材軸線成45°角的方向纏繞，與反向纏繞的鋼絲成直角。
纏繞時要有足夠的張緊力。纏繞可采用雙向雙線，也可采用雙向多線的方法。
C、復(fù)合在編織層外復(fù)合高抗沖擊PVC合金材料是為了保護編織層和提高管材的耐壓強度及克服超高分子量聚乙烯管的蠕變。這種高抗沖擊PVC合金材料具有優(yōu)異的耐老化性能和抗環(huán)境應(yīng)力開裂能力。在野外的自然環(huán)境中可以抵抗各種砸、壓等自然和人為的破壞。其老化壽命在30年以上。
a、高抗沖擊PVC合金材料的制造1、配方由三部分組成。A料是PVC作為基本成分，取其重量為100％，選用K值為60～70的PVC。其它各成分相對與A料的配比為B，抗沖擊改性劑、選用MBS B-56，用量為10％。C，輔料，包括熱穩(wěn)定劑、潤滑劑、抗氧劑和顏料。C1為熱穩(wěn)定劑，包括C1.1三鹽基硫酸鉛，用量0.5～1.2％,C1.2為二鹽基硬脂酸鉛，用量0.04～0.2％,C1.3為硬脂酸鉛，用量0.54～2.2％,C1.4為硬脂酸鈣，用量0.05～0.3％。C2為潤滑劑，選用硬脂酸，用量0.07～0.6％。C3為抗氧劑，用量0.001～0.002％。C4為顏料，可選用各種顏料。
2、制造工藝按配方配好原料，置于高速混料機中混合至120℃，放入冷卻混料機中攪拌冷卻至60℃以下。將混合好的原料用適合于PVC的雙螺桿擠出機，配以特殊設(shè)計的復(fù)合模具擠出成型。擠出機料筒溫度130～180℃。擠出機轉(zhuǎn)速10～25rpm。
b、復(fù)合復(fù)合是在復(fù)合模具中進行的。復(fù)合模具既是PVC合金材料的管材成型模具，又要完成PVC合金材料與編織管的復(fù)合。
1、復(fù)合模具復(fù)合模具無分流器，采用側(cè)進料方式。芯棒中空，將超高分子量聚乙烯編織管從中穿過。芯棒帶有隔熱夾層以防止編織管熱變形。芯棒比外套短，并在末端過渡到編織管的外徑。外套長于芯棒，并在末端收縮，以使PVC合金材料緊緊包敷在編織管外壁。模具的壓縮比為5～7。復(fù)合模具的原理簡圖見圖2。
2、復(fù)合工藝復(fù)合模具的溫度控制在160～200℃。從超高分子量聚乙烯管材成型模具的中空芯棒處連續(xù)吹入冷卻空氣來冷卻超高分子量聚乙烯編織管的內(nèi)壁，以防止編織管熱變形。牽引機牽引復(fù)合管進入定型模具中，定型模具是一帶有冷卻裝置的內(nèi)徑略小于復(fù)合模具口模內(nèi)徑的圓筒，圓筒分為上、下兩部分，可自由開啟和合模。定型模具通入冷卻水將復(fù)合管冷卻到60℃以下。復(fù)合管的PVC合金材料外管經(jīng)過牽引拉伸和冷卻收縮后，緊緊包敷在編織層外，與內(nèi)管和編織層成為一體。
經(jīng)以上步驟即得到超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管。
D、切斷與管兩端加工1、切斷切斷機為特殊設(shè)計的切斷機，對復(fù)合管定長切斷。車刀可切削編織層。車刀先將一定長度的外層和編織層車掉，然后再居中切斷內(nèi)層管，使內(nèi)層管裸露3mm長。
2、復(fù)合管兩端加工在復(fù)合管兩端的外層管上分別加工螺紋，一端為正向螺紋，另一端為反向螺紋。加工好后，分別用塑料端蓋擰上，防止損壞。
復(fù)合管兩端的結(jié)構(gòu)見圖3。兩端加工成這種結(jié)構(gòu)是為了管之間及管與其它管件之間的連接。
E、連接a、復(fù)合管之間的連接采用外層管與套管螺紋連接和內(nèi)管焊接相結(jié)合的方法。套管保護連接處，使連接處的機械強度和耐壓強度超過復(fù)合管的本體強度。套管同時起到內(nèi)管焊接夾具的作用。內(nèi)管焊接，保證內(nèi)管的完整性。
1、套管的結(jié)構(gòu)簡圖見圖4。套管鋼制，內(nèi)壁兩端有正向和反向螺紋。套管的中間置有焊圈。
2、焊圈是螺旋狀的涂有高溫絕緣材料的鎳鉻絲圓形發(fā)熱體。焊圈的作用是通電發(fā)熱，將內(nèi)管融化并焊接到一起。焊圈的表面溫度不超過200℃。
3、安裝工藝將復(fù)合管的兩端插入套管，旋轉(zhuǎn)套管將兩復(fù)合管端頭拉入套管并是兩端裸露的內(nèi)管接觸。給焊圈通電，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)套管，使焊圈進入內(nèi)管中，并使內(nèi)管端頭變形，充滿套管的環(huán)形空隙，直至旋轉(zhuǎn)扭矩達到設(shè)定值。繼續(xù)給焊圈通電一段時間，使內(nèi)管端頭完全融化焊接在一起。撤去電源，焊圈留在管內(nèi)。復(fù)合管的連接即告完成。
b、復(fù)合管與管件的連接各種管件如三通、彎頭、閥門與復(fù)合管的連接處均加工有一定長度的內(nèi)螺紋。螺紋后面襯有一定厚度的超高分子量聚乙烯襯里，并置有焊圈。其安裝工藝與復(fù)合管之間的連接相同。
經(jīng)D、E兩步驟，就可將超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管安裝成輸送管路。該管路既可置于地面也可架空或埋地。
超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的內(nèi)、外徑可任意選擇。一般原則是內(nèi)層超高分子量聚乙烯管的厚度為3～10mm，外層PVC合金材料管厚度2～4mm，中間的編織層鋼絲的直徑和編織密度根據(jù)耐壓要求選定。


圖1是超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為外層PVC合金材料管。2為鋼絲編織層。3為內(nèi)層超高分子量聚乙烯管。
圖2是復(fù)合模結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為中空的芯棒。2為芯棒的隔熱層。3為芯棒的過渡段。4為復(fù)合模外套。5為口模收縮段。6為側(cè)進料口。7為編織復(fù)合管。8為冷空氣。
圖3是超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管兩端結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為內(nèi)層超高分子量聚乙烯管的裸露段。2為外層管上的正向螺紋。3為另一端的反向螺紋。
圖4為套管的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為套管管體。2為內(nèi)正向螺紋。3為另一端的內(nèi)反向螺紋。4為內(nèi)置焊圈。5為穿線孔。6為焊圈的結(jié)構(gòu)示意圖。
實施例用上述工藝制造的外徑110mm，內(nèi)徑96mm，耐壓12MPa的超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的內(nèi)管配方如表1所示、外管配方如表2所示、內(nèi)管用料筒帶槽的單螺桿擠出機擠出的工藝如表3所示、外管用雙螺桿擠出機擠出，擠出及復(fù)合工藝如表4所示。表1

表2

表3 (溫度單位℃

擠出機轉(zhuǎn)速 15rpm表4(溫度單位℃

擠出機轉(zhuǎn)速 20rpm
權(quán)利要求
1.超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是以超高分子量聚乙烯管作為內(nèi)層，中間層是鋼絲編織層，外層是高抗沖擊PVC合金材料。
2.如權(quán)利要求書1所述結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的制造方法，其特征在于內(nèi)層超高分子量聚乙烯管是用擠出方法生產(chǎn)的，中間的鋼絲編織層是纏繞編織的，外層高抗沖擊PVC合金材料管是擠出復(fù)合的。A、超高分子量聚乙烯管材的制造a、配方由兩部分組成，A料是UHMW-PE作為基本成分，取其重量為100％,A料選擇分子量為100～300萬UHMW-PE。B料是加工助劑，選用分子量為3000～5000的聚乙烯蠟，用量為3～7％。b、制造工藝1、混料按上述配方配料，將配好的原料置于混料機中混合均勻。2、成型將混合好的原料用合適的雙螺桿擠出機或特殊設(shè)計的料筒帶槽的單螺桿擠出機，配以經(jīng)特殊設(shè)計的管材模具擠出成型。管材模具無分流器，采用側(cè)進料方式。芯棒中空可以將冷卻空氣通入成型后的超高分子量聚乙烯管材中。模具芯棒帶有夾層，可以通入冷卻液對芯棒進行冷卻控溫。模具后半段帶有外冷卻裝置，可以對模具外套進行冷卻。模具的壓縮比為1.2～2.5。擠出機料筒溫度為100～200℃，模具溫度150～210℃，模具冷卻定型段和芯棒的溫度控制在60～100℃。擠出機轉(zhuǎn)速為10～30rpm。B、編織根據(jù)不同的管徑和耐壓要求，選用不同直徑的鋼絲和編織密度。用纏繞編織機將鋼絲以與管材軸線成45°角的方向纏繞，與反向纏繞的鋼絲成直角。纏繞時要有足夠的張緊力。纏繞可根據(jù)不同管徑和耐壓要求采用雙向雙線，也可采用雙向多線的方法。C、復(fù)合a、高抗沖擊PVC合金材料的制造1、配方由三部分組成。A料是PVC作為基本成分，取其重量為100％，選用K值為60～70的PVC。其它各成分相對于A料的配比為B，抗沖擊改性劑，選用MBS B-56，用量為10％。C，輔料，包括熱穩(wěn)定劑、潤滑劑、抗氧劑和顏料。C1為熱穩(wěn)定劑，包括C1.1三鹽基硫酸鉛，用量0.5～1.2％,C1.2為二鹽基硬脂酸鉛，用量0.04～0.2％,C1.3為硬脂酸鉛，用量0.54～2.2％,C1.4為硬脂酸鈣，用量0.05～0.3％。C2為潤滑劑，選用硬脂酸，用量0.07～0.6％。C3為抗氧劑，用量0.001～0.002％。C4為顏料，可選用各種顏料。2、制造工藝按配方配好原料，置于高速混料機中混合至120℃，放入冷卻混料機中攪拌冷卻至60℃以下。將混合好的原料用適合于PVC的雙螺桿擠出機，配以特殊設(shè)計的復(fù)合模具擠出成型。擠出機料筒溫度130～180℃。擠出機轉(zhuǎn)速10～25rpm。b、復(fù)合復(fù)合是在復(fù)合模具中進行的。1、復(fù)合模具復(fù)合模具無分流器，采用側(cè)進料方式。芯棒中空，將超高分子量聚乙烯編織管從中穿過。芯棒帶有隔熱夾層以防止編織管熱變形。芯棒比外套短，并在末端過渡到編織管的外徑。外套長于芯棒，并在末端收縮，以使PVC合金材料緊緊包敷在編織管外壁。模具的壓縮比為5～7。
2.復(fù)合工藝復(fù)合模具的溫度控制在160～200℃。從超高分子量聚乙烯管材成型模具的中空芯棒處連續(xù)吹入冷卻空氣來冷卻超高分子量聚乙烯編織管的內(nèi)壁。牽引機牽引復(fù)合管進入定型模具中冷卻到60℃以下。
3.如權(quán)利要求書1～2所述的結(jié)構(gòu)和制造方法所生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的切斷和管端加工。A、切斷切斷機車刀先將一定長度的外層和編織層車掉，然后再居中切斷內(nèi)層管，使內(nèi)層管裸露3mm長。B、復(fù)合管兩端加工在復(fù)合管兩端的外層管上分別加工螺紋，一端為正向螺紋，另一端為反向螺紋。
4.如權(quán)利要求書1～3所述的超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的連接A、復(fù)合管之間的連接采用外層管與套管螺紋連接和內(nèi)管焊接相結(jié)合的方法。a、套管鋼制，內(nèi)壁兩端有正向和反向螺紋。套管的中間置有焊圈。b、焊圈是螺旋狀的涂有高溫絕緣材料的鎳鉻絲環(huán)形發(fā)熱體。焊圈的表面溫度不超過200℃。c、施工工藝 將復(fù)合管的兩端插入套管，旋轉(zhuǎn)套管將兩復(fù)合管拉緊。給焊圈通電，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)套管，使焊圈進入內(nèi)管中，并使內(nèi)管端頭變形，充滿套管的環(huán)形空隙，直至旋轉(zhuǎn)扭矩達到設(shè)定值。繼續(xù)給焊圈通電一段時間，使內(nèi)管端頭完全融化焊接在一起。撤去電源，焊圈留在管內(nèi)。B、復(fù)合管與管件的連接各種管件如三通、彎頭、閥門與復(fù)合管的連接處均加工有一定長度的內(nèi)螺紋。螺紋后面襯有一定厚度的超高分子量聚乙烯襯里，并置有焊圈。其施工工藝與復(fù)合管之間的連接相同。
5.如權(quán)利要求書1～4所述的超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管及連接方法形成的管路，其特征在于耐壓強度為2～20MPa，當用于輸送原油、泥漿、化學(xué)與金屬尾礦、水煤漿等腐蝕性、高磨損性、粘附性的液體和固液混合物時，其使用壽命為無縫鋼管的幾倍至十幾倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高分子量聚乙烯編織復(fù)合增強管的結(jié)構(gòu)制造方法及其應(yīng)用。這種復(fù)合管分為三層:內(nèi)層為超高分子量聚乙烯管,中間層為鋼絲編織層,外層為高抗沖擊PVC合金材料管。這種復(fù)合管具有高耐磨、耐腐蝕、耐高壓、耐老化、使用壽命長等特點,其使用壽命遠遠長于無縫鋼管,而生產(chǎn)成本低于無縫鋼管。這種復(fù)合管可廣泛用于輸送原油、泥漿、化學(xué)與金屬尾礦、水煤漿等腐蝕性、高磨損性、粘附性的液體和固液混合物。并可降低輸送壓力及降低保溫和加熱要求。
文檔編號F16L9/00GK1221086SQ9812033
公開日1999年6月30日 申請日期1998年10月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月7日
發(fā)明者王慶昭 申請人:王慶昭