聚乙烯压力管材生产的质量控制.docx
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聚乙烯压力管材生产的质量控制
聚乙烯压力管材生产的质量控制
聚乙烯压力管道生产的质量控制和施工摘要,从原料、生产工艺过程的控制及管道连接介绍如何加强聚乙烯压力管道产品质量的控制和施工。
关键词,聚乙烯压力道生产工艺质量控制施工
聚乙烯,PE,压力管道主要用于城市供水、燃气输送,作为一种新型建筑材料正在被大力推广使用,在建设部和各级政府部门的大力倡导下,近年来,全国形成了PE管材投资热潮,PE压力管材的生产企业由2000年前的十几家增加到目前的一百多家,生产企业生产、销售势头良好。
作为管材的生产厂家不仅要盯住市场销售量,更要盯住自己的产品质量。
PE管材作为燃气、给水用压力管道材料,对其质量要求很高,其质量的好坏直接影响到人民生活的安全。
因此,生产企业要引起足够重视。
聚乙烯管材的生产原理是颗粒状原料熔融后在模头区内成型,通过喷淋冷却定型。
聚乙烯压力管的外径为Φ16,1600mm。
国家水管和燃气管标准规定的上限分别是Φ1000mm和Φ630mm,国外已有Φ1600mm的供水压力管和Φ630mm的燃气管投入使用。
聚乙烯压力管道的生产对原料、生产设备以及过程控制均有较高的要求。
本文结合本公司的生产实际,介绍聚乙烯管材生产过程中的原材料选择和预处理、管材挤出设备和工艺参数、生产中应注意的一些问题及管材连接的方法和工艺参数。
1、PE压力管材原料的质量控制
PE压力管材主要应用于城市供水、燃气输送等方面,其使用寿命至少要达到50年以上,并保证绝对安全性。
原料的选择对于管材最终能达到的性能是极其重要的,有时是决定性的。
生产厂家应选择PE管材专用料来生产PE管材,
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欧洲标准和国家标准对PE给水和燃气管材专用料的性能指标都有明确规定,管材专用料按材料的等级分为PE63、PE80、PE100。
目前供水、燃气用原料主要是PE80、PE100,我国PE树脂的产量很大,经过技术研发,国内聚乙烯管材料得到了很快的发展。
1,1树脂的选择
聚乙烯管材料主要有单峰和双峰分布两种分子结构,单峰结构聚乙烯管材料难以同时满足耐慢速开裂增长和耐快速开裂增长要求。
随着新技术和新产品的不断出现,市场对PE需求越来越大,但同时也对PE的加工性能例如韧性、强度和耐环境开裂应力（ESCR）的要求也越来越高。
提高分子质量可以改进PE的这些性能,如制备平均相对分子质量超过25万的HMW-HDPE,但是,增大聚乙烯的分子质量时,加工性能如挤出、模塑、热成型和旋转模塑性能随之下降。
双峰PE可以很好地解决这个问题。
双峰HDPE可改进加工性能,HDPE中高分子质量成分可赋予其强度性能（良好的强度、韧性和耐环境应力开裂性能）,而低分子质量成分改善树脂的加工性能,从而在加工和应用方面弥补了常规PE无法满足的一些要求,例如提高加工速度,在保证强度要求的前提下,使PE制品用料量减少而降低制品的成本。
PE100级管材专用料主要是双峰分布聚乙烯。
双峰分布聚乙烯的生产方法主要包括,熔体混合法、分段反应法和一段反应法三种。
熔体混合法,是指采用并联反应釜生产。
该流程的2台反应釜生产的树脂分子质量不同,即在第一反应釜生产分子质量小的树脂,而在第二反应釜生产分子质量大的树脂,根据产品需要,按一定的比例将2个反应釜中的树脂进行混合,从而达到控制MWD的目的。
这种方法的缺点是成本高,而且产品质量难以均一。
分段反应法,是采用串联反应
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釜生产,可通过2种途径实现双峰树脂的生产:
（1）催化剂浓度控制法。
第一、第二反应釜的控制条件差别较大,分子质量小的树脂在第一反应釜内形成。
在第二反应釜中控制较低的催化剂浓度,让一部分聚合物分子在第二个反应釜内继续进行链增长反应,生成分子质量较大的树脂。
（2）氢调法,在第一个反应釜中用很少量的链转移剂（如氢）,在第一反应釜生产高分子质量成分,而在第二反应釜生产低分子质量的成分。
按适当比例调节2台反应釜的反应速率,从而生产出满足要求的具有不同MWD的树脂。
使用串联反应釜成本高,但操作较为灵活、树脂牌号的调整范围大。
一段反应法,是在一个反应釜中生产双峰或多峰分布的树脂,从而可以使树脂达到超粒子级的混合。
常用的国、内外管材专用料主要牌号如表1、2所示。
表1国产PE管材专用料
3用途密度,g/cm生产厂家牌号MFR,g/10min
6000M0.040.961燕山石化工业用管
6100M0.140.954工业用管
7000M0.030.961工业用管
6380M0.10.949大口径压力管、燃气管
7600M大口径压力管、燃气管0.040.949
DGDB-248011（21.6kg）0.943,0.947齐鲁石化给水管、燃气管
DGD-24000.090.939给水管、燃气管
DGDB-2480H11（21.6kg）0.940给水管、燃气管
6100M0.140.954扬子石化工业用管
3
YZ6000.080.950工业用管YEM4803T0.300.950燃气管6100M0.140.954大庆石化工业用管6200M0.040.961硅芯管道6366M0.060.952压力管道7000M0.030.961工业用管TR4800.0960.945金菲石化燃气管TR4000.080.940燃气管YGH041T0.4（5kg）0.949上海石化给水管、燃气管YGH051T0.5（5kg）0.946给水管、燃气管GM5010H0.310.946辽阳石化压力管道J13100.330.941通用管
注,MFR的测试条件,190?
2.16kg
表2进口PE管材专用料
3用途密度,g/cm生产厂家牌号MFR,g/10min
PH1500.150.942韩国现代给水管PH1430.200.938燃气管
0.941-0.950TR4180.20菲利普给水管TR4000.250.939燃气管HHM55020.350.955内衬管
SolveyTUB1310.130.951燃气管
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Fina38020.16-0.200.940-0.948燃气管Borealis3470?
0.10.946给水管、燃气管
3490?
0.10.950给水管、燃气管NESTENCPE24210.160.941燃气管注,MFR的测试条件,190?
2.16kg
1,2炭黑母料的选择
生产燃气、给水用PE管材时最好采用混配料,尤其是生产燃气用PE管材时一定要采用混配料,只有这样产品质量才能得以保证。
采用本色料加色母料生产PE管材时要注意两个方面的问题,
l,色母料的加入量,
2,色母料在本色料中的分散情况。
国家标准要求管材中炭黑的含量应达到2.5,,炭黑的分散等级应达到3级。
使用本色料加色母料生产管材时,一定要注意色母料中炭黑的含量。
目前新使用的黑色母的炭黑含量为40,,50,,因此在PE本色料中加色母料至少要达到5,以上才能保证生产的管材产品中的炭黑含量达标。
若炭黑含量少,达不到指标要求,会使管材的抗氧化性能明显降低,氧化诱导时间缩短,从而达不到质量要求。
色母料在本色料中一定要分散均匀,分散不均匀会造成炭黑在熔融料中分散不均,影响管材质量。
我公司曾进行拉伸试验和管材爆破试验,炭黑分散不均匀拉伸易断裂,断裂伸长率难达标,管材爆破试验中管材的承载压力远远低于用混配料生产的管材。
炭黑的分散主要取决于炭黑母料的质量和加工设备的混合分散能力,炭黑母料的质量主要取决于,载体树脂、炭黑种类、分散剂及炭黑母料的制备工艺。
炭
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黑在母料中的分散重要包括以下三个过程,炭黑的表面润湿、炭黑通过载体树脂被剪切细化、炭黑在母料的均化。
由以上三个过程可以看出,采用适当粘度的载体树脂,可以保证炭黑的表面润湿和剪切,炭黑分散性除了取决于物理混合因素外,也取决于炭黑色母料本身性质,主要取决于色母料颗粒炭黑特性单元-原生凝聚体的尺寸和结构。
粒径越小,分散效果越好。
由大量支化和交联原生粒子构成的凝聚体称为“高结构”,其凝聚体中心距离大,相邻单元吸引力小,“高结构”内存在较大空间,可“束紧”更多树脂,有利分散。
不同的色母料在最佳物理混合条件下拥有不同的炭黑分散程度。
图1为不同炭黑母料配方的分散图,采用高结构炭黑作为颜料,可见,1a为载体树脂采用纯LLDPE时,炭黑的分散最差,1b的载体树脂采用LLDPE/LDPE共混体系,炭黑的分散性能有所改观,1c为LLDPE/LDPE共混体系为载体树脂同时加入超分散剂,炭黑的分散最佳。
母料1c具有最佳炭黑分散。
色母料1c粒径小、结构高,凝聚体作用力小、分散均匀。
1a1b
1c
6
图1炭黑母料配方体系对炭黑分散性能的影响1a载体树脂为LLDPE,1b载体树脂为LLDPE/LDPE共混体系,1c载体树脂
LLDPE/LDPE共混体系,加入超分散剂
1,3螺杆结构的选择
挤出机螺杆结构对分散性能的影响也比较大,螺杆是挤出机的核心部件,它决定了管材的生产速度并对管材的质量有重要影响。
螺杆的设计必须避免形成高温区和高应力区,以免使聚乙烯降解而影响管材性能。
设备生产厂在螺杆的设计上下了很多功夫,报导的螺杆种类也非常多。
各国生产聚乙烯压力管道使用的螺杆略有不同,欧洲国家由于采用混配料生产,所以重点在于加强塑化效果,美国由于原料的多样性,螺杆的选择更侧重于混炼的效果,螺杆设计上增加了一些混炼元件,我国生产聚乙烯压力管材的设备由于多是从欧洲引进,所以螺杆的设计多是遵循欧洲的习惯。
鉴于上述情况,结合国内在生产给水管材时多采用聚乙烯树脂加炭黑母料生产管材的实际情况,在引进设备时公司对螺杆结构进行了考察、定制,螺杆结构应有利于炭黑的分散,在螺杆结构中设计了有利于塑化的屏障型附螺纹,有利于分散的分散混炼元件销钉,这种螺杆既可以保证材料的塑化效果又有利于炭黑在基体树脂中的分散。
螺杆结构对炭黑分散性能见图2,由图2a可见,图2b、c分别存在未能完全分散的炭黑大颗粒,从直观图可以判断不同色母料炭黑分散性能。
试验结果表明,不同结构的螺杆对炭黑分散性能影响明显,带有屏障型附螺纹及件销钉的螺杆的分散性能明显由于其它两种结构的螺杆。
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2a2b
2c
图2螺杆结构对炭黑分散性能的影响
2a带屏障型附螺纹及分散混炼元件的螺杆,2b带屏障型附螺纹的螺杆
2c普通螺杆
1,4水分的控制
原料中的含水量也是不能忽视的,原料中水分的含量直接影响管材产品的表面质量,国标要求原料中水分的含量小于300mg,kg。
原料中的水分含量高,管材表面会出现气泡、凹陷,严重时会影响到管材的耐压强度。
因此在挤出生产前需对PE原料中水分的含量进行重新检测,尤其是混配料,由于含炭黑,炭黑表面的羰基易吸收水分,会造成原料中水分的含量远远超标,因此生产前要对原料进行烘干处理。
目前,干燥方式有热风干燥和脱湿干燥两种,前者干燥效果不是太理想,我公司采用脱湿干燥设备干燥原料。
脱湿干燥设备是通过热风和分子筛
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吸附同时处理原料中的水分,干燥温度一般不高于80?
干燥后原料中的水分含量完全能达到国标要求。
原料通过干燥处理后降低了水分的含量同时投入挤出机中,原料温度均匀一致,提高了挤出生产的稳定性。
2、生产工艺过程的质量控制
生产工艺包括挤出工艺温度、机头压力、挤出速度、牵引速度、真空度、冷却水温度等技术参数。
挤出工艺温度包括机筒温度、机头温度和口模温度。
PE管材是采用单螺杆挤出机挤出的,机筒温度设置为平坦分布,温度可控制在170,200?
对于PE80级原料采用下限温度,而PE100级原料采用上限温度。
机头温度对挤出成型影响很大,温度过高,挤出制品形状的稳定性差,易使制品的收缩率增大,温度过低,物料的熔体粘度增大,机头压力升高,物料离模后膨胀较大,制品表面粗糙。
机头温度一般控制在190?
210?
可根据物料出料的情况来调整温度。
口模温度可控制在220?
左右,一般情况下,口模温度高可提高管材表面的质量,管材表面光洁,当然应主要根据所选用原料的情况来具体决定。
机头压力也叫熔体压力,PE压力管材的熔体压力一般控制在20MPa,40MPa,熔体压力与机筒内物料的塑化程度、螺杆转速、机头部位滤网的孔径等指标有关,一般增大熔体压力,能使产品的密实度提高,有利于提高制品质量。
挤出速度也叫螺杆转速,螺杆转速的选择直接影响到管材的产量和质量,提高螺杆转速可在一定程度上提高产量,但是单纯提高螺杆转速,则会造成物料塑化不良,管材内壁毛糙。
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牵引速度与挤出速度之比称为拉伸比,PE管材的拉伸比为1.2左右,通过调节牵引速度可调整管材的壁厚,在实际生产过程中,生产一定壁厚的管材调节牵引速度时需同步调整挤出速度。
真空度的大小直接影响到管材的外径尺寸,真空度一般控制在0.02,0.07MPa,第一节的真空度相当重要,主要起定径作用,真空度要大些,第二节、第三节的真空度可小些,能够确保管材圆度即可。
一般情况下生产管材外径尺寸越大,要求的真空度就越高。
目前常用的管材挤出生产方法为真空定径及喷淋冷却,真空冷却定径采用带有水环的真空定径套,置于第一节真空中,冷却水水温和喷淋水流量调节对于管材的质量影响很大。
冷却水温度一般控制在15一25?
为宜,冷却水温度过高,将会延长冷却时间,减慢冷却速度,意味着熔融的原料处于高温的时间也将延长,尤其是管材内壁,这样会加速原料中抗氧化等添加剂的分解,降低管材的抗老化性能,同时对管材的定型也有不利影响。
相反,如果真空定径水温过低,则会使熔融态的PE管材外表面冷却结晶速度过快,造成管材的内外表面温差过大而使管材定型后产生较大的内应力,降低管材的力学、物理性能。
冷却水流量可通过流量计来控制,冷却水流量过大,易使管材表面粗糙,产生斑点、凹坑,过小也会使管材表面质量变差,产生斑点,冷却水分布不均匀还会使管材产生不圆现象。
总之,要根据设备、模具、原料的具体情况来制定出合理的工艺参数,在生产过程中要严格按工艺制度进行操作,只有这样才能保证稳定高质量的生产。
大口径压力管道口模间隙的调整,理论上讲,为获得壁厚均匀的管材,要求芯模、口模和定径套的中心在同一条直线上且口模间隙应该调整得均匀、一致。
但在生产实践中,Φ315mm以上的管材,尤其是生产厚壁管材时,熔体粘度难
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以支撑重力的作用,会出现熔体流垂现象,导致管材的上、下壁厚不均。
所以,管材生产厂家通常要通过调节口模压板螺栓来调整口模间隙,口模上间隙通常要大于口模下间隙。
我公司生产大口径管材的口模间隙见表3。
表3口模间隙设定表
管材规格左右间隙最大值,mm上下间隙的差值,mm
φ315SDR110.31.8
φ315SDR17.60.31.4
φ400SDR110.32.8
φ400SDR17.60.32.5
φ450SDR110.32.8
φ450SDR17.60.32.5
φ630SDR110.43.3
φ630SDR17.60.42.7
φ1000SDR110.85.6
φ1000SDR17.60.85.0
φ1200SDR110.95.8
φ1200SDR17.60.95.2
3、连接方法
PE管材连接方法的应用和连接技术的优劣,直接关系到压力管网的运行效果和使用寿命。
常用的HDPE管道连接方法有,对焊连接、电焊管箍连接件连接、带密封圈的承插式套管连接、丝扣连接法、线性伸缩承插管连接、法兰连接法。
这些连接方法各有各的性能特点,使用于不同的场合,安装方式也不尽相同。
3.1热熔对接焊连接
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热熔对接焊连接适用于管径φ63及以上管材与管材及管材与管件的连接。
该连接方法的性能特点是,刚性连接、不可拆装、抗拉力强。
对焊连接是一种最简单的管件连接方法,它为整个系统的预制安装提供了许多方便有利的前提条件,且不需其它部件。
因而,无论预制安装是在现场或是在车间都可以用对焊连接。
对焊的焊接断面很小,焊接边缘不会干扰管道,管道内部截面也几乎没有任何变化。
对焊接面容许的厚度近乎与管壁厚度一样,所以也不浪费管材。
通过对焊连接法,管子长度和弯头连接处都能得到充分利用。
管径小于φ75mm时可采用手动焊接法,采用电焊机焊接,管径范围一般为φ63及以上管材与管材及管材与管件的连接。
3.2电焊管箍连接件连接
电焊管箍连接件连接法适用于管径从φ40mm-315mm的管件连接。
其性能特点,刚性连接、不可拆装、抗拉力强。
电焊管箍连接件连接法由于易于使用、连接可靠、简单、快捷,通常用于现场焊接、改装、加补安装和修补。
如管路系统需改装或作一些早期的修改工作,电焊管箍就能通过取下中间的止动圈而滑动。
焊接时所需的压力值是通过加热时管箍的收缩作用而产生。
加热时,压力均匀的分布在焊接面上,且收缩作用引起管径尺寸也在容许的范围内变化。
3.3丝扣连接法
丝扣连接法适用于管径从φ32mm,110mm的管件连接。
其性能特点,非刚性连接、可拆装、抗拉力强。
丝扣连接法通常用于那些需要简单就能拆卸连接件的各种预制安装场合,以及与下水存水弯、淋浴盆的连接。
在安装时,丝扣件必须用密封圈压紧,这样只有极小的密封圈表面积与水接触,从而达到更好连接效果。
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3.4防伸缩套管连接法
防伸缩套管适用于管径从中φ50mm,315mm的管件连接。
连接方法的性能特点,刚性连接、不可拆装、抗拉力强。
对于不平整、不规则、特殊管材的连接采用防伸缩套管是一种较方便的方法。
通常此方法也可用于在HDPE管与各种不同的陶瓷设备的连接,例如,实验室洗涤槽。
在安装时,首先把专用橡皮圈套在管端安装处的,要保证橡皮圈正好放在套管长度一半处。
然后把管道插入套管内,用力推入。
不断地移动喷灯或柔和光灯,用低温（大约125?
）使套管周围均匀受热。
经以上处理后,套管会收缩,从而使连接件更为牢固、密封。
最后用锚固管卡固定防伸缩套管。
3.5法兰连接法
法兰连接适用于管径从φ50mm,315mm的管件连接。
其性能特点,非刚性连接、可拆装、抗拉力强。
法兰连接法通常作为低压输送管线（工厂、水泵、储液罐、游泳池）上可拆卸的连接件。
另外,法兰连接法也是与铸铁管及钢管之间最简单的连接方法。
而法兰盲板则可用于检查口的开口上。
3.6带密封圈的承插短管连接法
带密封圈的承插短管连接法适用于管径从φ32mm,160mm的管件连接。
其性能特点,非刚性连接、可拆装、抗拉力强。
带密封圈的承插短管连接件常用于各种简单的预制安装管件间的装配,在装配时可以采取水平式或垂直式安装。
当安装空间受限制时,这种变通的小尺寸连接法就具有一定的优势。
该连接件还附带一个黄色保护帽,可防止在装配未完成阶段杂物的进入。
3.7承插式伸缩短管连接法
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承插式伸缩短管连接法适用于管径从中φ32mm,315mm的管件连接。
其性能特点,非刚性连接、可拆装、抗拉力强。
安装承插式伸缩短管连接件,必须使用锚固管卡进行固定,以防止在热胀冷缩中承插管位置的移动。
在楼板与楼板间的垂直立管上、长距离的收集管网上以及埋地管道必须至少安装一个承插式伸缩短管。
这是因为承插式伸缩短管不仅能消除由于排水过程温度变化引起的热胀冷缩,而且有助于与各个楼面支管的连接,使得管道安装更为简单。
4、常见问题处理
问题原因解决方法
管表波纹1、冷却不充分,1、增加定径套进水量或增加口模与定径
2、密封圈尺寸不合适,形套之间的距离,
成震动现象。
2、检查真空槽密封圈尺寸是否小,如小,
更换或适当降低第一节真空槽真空度,
增加第二节真空度。
表面麻点,主要1、原料中含有杂质,1、检查原料,
内表面,2、口模与芯模间内壁清理2、清理干净或过度一段时间,
不干净,3、检查温度传感器。
3、局部温度过高,导致老
化。
表面凹坑及表面1、原料潮,1、原料烘干,
粗糙2、定径套水量不均。
2、调整水量或更换定径套。
表面亮斑定径套水量不足增加定径套水量或更换水量大的定径套表面不光亮熔体温度不合适或原料有调整熔体温度或更换原料
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问题
外表面划痕定径套、支撑板或密封圈上清理定径套、支撑板或密封圈
附有杂质
外表面水线定径套局部水眼堵塞,造成清理定径套
个别水眼水量过大
内壁沟槽,多出壁厚过大,熔体难以冷却,使用中心冷却系统,降低口模与芯模温度现于厚壁管材,产生流动
管材壁厚不均匀1、口模或芯模螺栓松动、1、紧固螺栓或调整口模间隙,
口模间隙调整不合适,2、检查加热圈或温度传感器,
2、口模或芯模温度不均,3、调整定径套与口模对中。
导致料流不一致,
3、定径套与口模不对中。
局部点薄分流梭或筛网堵塞清理分流梭或筛网
5、产品检测的质量控制
产品的检测分为原料检测、过程检测和最终产品检测。
对于原料的检测,有两项性能指标需在生产前进行,即水分含量和熔体流动速率,熔体流动速率是制定工艺温度的参考依据。
过程产品检测是产品生产过程中对产品的表面质量、外形尺寸,外径、壁厚、圆度等,进行的控制,目前较先进的生产线上配置有在线壁厚测量装置和自动口模对中系统,如果没有这些装置就需使用工具测量管材的外径。
壁厚和椭圆度等指标,如不符合要求应及时对口模,对真空定径进行调节直到能够稳定生产出合格的产品。
最终产品的检测是产品出厂前必须要进行的,
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除前面提到的表面质量,外形尺寸检测以外,还要对管材产品进行静液压强度、断裂伸长率、氧化诱导期和熔体流动速率四项物理性能指标的检测。
6、小结
1,聚乙烯管材生产厂家必须建立严格的原料评价程序,对入厂检验项目进行严格试验,确保原材料合格。
2,炭黑的分散对管材的质量非常重要,一定要选择分散性好的炭黑母料,螺杆的选型也至关重要。
3,加工过程的控制必须严格执行操作规程和工艺规程,这是保证产品质量的前提。
4,只有选择正确的管道连接方法,严格连接工艺条件,才能保证管道的可靠连接,进而保障管道的安全运行。
5,聚乙烯压力管道事关人民的日常生活和生命安全,生产企业需要很高的专业水平和丰富的实践经验上能胜任,应该不断积累实验数据,在分析总结的基础上,用于指导生产,确保产品质量。
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