大口径HDPE管材挤出生产技术及应用

作者:刘伯元  徐新 文章来源:中国塑料加工协会改性塑料专业委员会 中国化学建材专业信息网塑料管道委员会 宁波康润机械科技有限公司 发布时间:2013-08-26

如今,采用塑料管代替传统管材是不可抗拒的趋势。本文阐述了塑料管材应用的几大领域,并着重介绍了宁波康润机械科技有限公司针对HDPE管材生产所开发的设备,包括挤出机、模具、定径装置、牵引和切割设备,以及控制系统等。

根据各国的历史经验,在现代化的过程中,用塑料管代替传统管材是不可抗拒的趋势。即使在已经建成密布管网的发达国家,塑料管的应用量仍然在逐步增长。我国的塑料管市场也正面临一个历史性的大发展机遇,在《国家化学建材产业“十五”计划和2015发展规划纲要》中,明确提出了“十五”期间及今后15年内加快推广化学建材,限制淘汰落后产品的计划和目标,推广应用塑料管道。

塑料管材类型及应用

1.塑料给水和输气用管材

给水用聚乙烯管材,主要应用在建筑以外的城乡给水、建筑内的给冷水领域,以及农业灌溉用输配水管网。按我国的新国标GB/T 13663-2000,该类管材的直径范围为16~1000mm。输气用聚乙烯管材专门应用于埋地燃气输配网,按我国现行国标GB 15558.1-1995和GB 15558.2-1995,其直径范围为20~250mm,最大压力为0.4MPa.

聚乙烯管有独特的柔韧性,其断裂伸长率一般超过500%,弯曲半径可以小到管直径的20~25倍,还有优良的耐刮伤能力。因此铺设时容易移动、弯曲和穿插,对管道基础的适应能力强。一方面,聚乙烯管铺设对于管基的要求较低可以节约费用;另一方面,其铺设后管基发生不均匀沉降和错位时也不容易损坏,这使得聚乙烯管最适宜于有地震危险的地区。另外,还可以采用聚乙烯管做衬管的方法来修复旧的城市给水或排水管。


图1 康润机械多层复合共挤3S PP超静音管材挤出生产线

一般来说,小直径的聚乙烯管道以长盘管形式供货,较大直径的柔韧管材可在地面上连接好后,再铺在挖好的沟内。

2.塑料埋地用排水、排污管材

塑料埋地排水管属于“柔性管”,在正确设计和施工下,塑料埋地排水管和周围土壤共同承受负载,因此不需要和刚性的混凝土排水管一样的强度和刚度,就可以保证满足埋地使用中的力学性能的要求。在水力特性方面,塑料管光滑的内壁使其对于液体流动的阻力明显小于混凝土管。实践证明,在同样的坡度下,采用直径较小的塑料埋地排水管就可以达到要求的流量;在同样的直径下,采用塑料埋地排水管可以减少坡度(减少了铺设工程量)。在密封性方面,相对于混凝土排水管,塑料管的连接比较可靠。在耐腐蚀方面,塑料埋地排水管也远胜于金属管和混凝土管,同时其抗磨损性能也很好。

在安装方面,塑料埋地排水管的优点尤其明显:质量轻、长度大(接头少)、对于管沟和基础的要求低(混凝土管一般需要做混凝土管道基础)、连接方便且施工快捷(混凝土管的连接处需要养护)。在城市拥挤地区和地质恶劣地区(如地下水位高、地基松软等地带),塑料埋地排水管在安装方面的优点常常更明显。在综合经济性方面,塑料埋地排水管的优势正在被越来越多的用户所认识。尽管塑料埋地排水管管材的价格比混凝土管高,但其总工程造价常常低于传统的混凝土排水管。


图2 由康润机械的设备生产的大口径多层复合共挤管材

鉴于相较于传统埋地排水管(如混凝土、金属管)的明显优越性,塑料埋地排水管在国外已经得到广泛的应用,在我国的塑料管材市场中,发展潜力最大的领域也是埋地排水管,因为城市建设需要一个庞大的排水排污管道系统,不光生活排水、工业排水要进入这个管系,体量更大的雨水也有很大部分需要通过这个排水系统收集和输送。其中,宁波康润机械科技有限公司(以下简称“康润机械”)的3S聚丙烯(PP)超静音排水管材,采用了全电脑控制三层共挤的生产工艺,其内、外层原材料均为环保型耐冲击共聚丙烯树脂,中间层是特殊降噪吸声材料。该管材的主要性能特点有:静音效果优异,通过高密度的特殊分子结构材料来吸收声波的能量,静音效果明显优于其他管道;耐化学腐蚀性强;耐高温性能优异;抗冲击性能良好;采用了柔性连接方法;其施工速度快,管道安装、拆卸与维修非常方便;使用寿命长,正常使用可达50年以上,且无需日常维护;材料环保,具有轻质、无毒、阻燃且耐老化等优点。基于这些优点,该管材深受广大用户的认可和信赖。

3.光缆护套管

当前光缆网络的建设高潮,带来了世界范围的塑料光缆护套管的发展机遇。光缆护套管有多种类别,其中最有发展前途的是各种柔韧、大长度且内壁有永久预润滑的高密度聚乙烯(HDPE)管——“硅芯管(CILICORE)”。


图3 康润机械中空模具内部超强冷却三层共挤模具

硅芯管是共挤出的双壁管,其主体外层为高密度聚乙烯,内层为薄层含硅塑料——硅芯层(0.5~2mm)。硅芯管的内直径一般为25~50mm,厚度为2~5mm,长度可达1000~5000m。硅芯管一般被做成各种颜色,还常加有标志色条,以便用户分辨。

硅芯管的主要优点在于:能够在铺设后用“气吹法”穿入光缆,且一次穿入的光缆长度可达上千米,护套管和光缆都可以在此长度下没有接头。其铺设的效率高、成本低,可以先进行铺设,在需要时穿入光缆,也可以更新光缆。凭借这些优点,硅芯管迅速发展成为全球光缆护套的主体。

在我国,最先成功应用硅芯管是在高速公路,而更大的市场是全国通信网络用的长途光缆。鉴于保密性和可靠性的考虑,我国在国防建设中也大量投资建设光纤通信网络,同时大量应用了硅芯管。针对这种现状,康润机械开发了硅芯管与梅花管生产线,并已投放市场。


图4 康润机械的多履带牵引机

康润机械的大口径HDPE管材挤出生产技术

1.挤出机

HDPE管材的生产,是将HDPE在挤出机料筒内熔融塑化,然后通过模头成型管坯,这要求挤出机能快速而充分地将树脂熔融,同时熔体温度要尽可能均匀,才能确保熔体流量的恒定。平稳流动的熔体通过模头分散,形成沿圆周方向均匀、壁厚同一且在整个长度方向一致的管材。为此,挤出机的螺杆长径比要求为L/D>28:1,最具代表性的L/D为30:1~37:1。挤出机的驱动功率要大,减速箱采用高转矩、低噪声的配置,挤出料筒采用开槽强制加料输送系统,使其在优化生产率下有较大的可调性,保证了管材的均匀。在此过程中,稳定可靠的电气控制和精确的机筒加热冷却控制精度是保证HDPE熔体均匀的关键。

螺杆是挤出机的心脏,各种类型的螺杆都可适用于PE管材的挤出,但要得到产量高、熔体均匀并且挤出稳定的螺杆,其设计上必须使螺杆混炼效果好,避免过高的剪切力使聚合物发生剪切损伤或熔融过热而降低树脂的性能。康润机械设计生产了采用屏障式螺棱、带混炼头的双阶式螺杆,该螺杆具有物料输送能力强、混炼效果好且熔体挤出均匀稳定的特点;而对于大口径的管材生产,最好采用多机共挤技术,以节省能源、提高产量,并使用自动换网装置来过滤细化已塑化的熔融物,进一步提高管材性能。康润机械用于HDPE管材的挤出生产线配置如上表所示。

2. 挤出模具

HDPE管材挤出模头可以采用支架式模头、筛板式模头和螺旋式模头等。在选择模具型式时,需考虑熔体流经的整个区域,避免发生挂料现象或流速不等而导致停留时间过长。若熔体在高温下停留时间过长,熔体将发生氧化降解引起性能下降,降解以后树脂可能发生周期性断裂,沿模头表面拖括形成管材表面缺陷。

对于大口径的厚壁管材,采用支架式模头是不适宜的。通过支架以后的熔体往往由于各种原因在汇合时不能紧密融合在一起,形成接缝处强度减弱,故一般推荐使用筛板式模头或螺旋式模头。

康润机械为高产量的单螺杆挤出机配备的聚烯烃管模具为新型螺旋式结构。基于在设计制造螺旋分配器方面的多年经验,该公司采用其特有的缩放技术来确保机头均匀的壁厚分配且不受管径尺寸影响。这种技术专为最佳的管材成型及优良的产品质量而设计,具有其他类型聚烯烃管材挤出模头难以比拟的优点。该公司还可提供特殊模具,用于标准模具无法生产的管材,为客户制定详细的解决方案,以满足其市场需求,提高市场占有率。

图5 康润机械大口径无屑切割机

康润机械的新型螺旋式模头的主要特点有以下几点:

(1)可根据客户要求提供单螺旋分配器、双螺旋分配器及多螺旋分配器模具,用于生产单层、双层及多层结构的管材,并且可生产双色及多种颜色的管材,提高性能,节省成本。

(2)有优良的自洁性能,便于模具的清理,加工过程中滞料和制品原料的更换对管材的影响极小,提高了工作效率,节省了成本。

(3)通过模头后,熔体合理的星型圆周分布使管材具有极其稳定的尺寸公差。

(4)具有组合式结构,通过过渡器的调整,模具合理地实现了管材口径的大范围过渡,并因此使得模具投资更加经济。

(5)可形成分层的管材结构,保证了管材的强度。

(6)带有可移动的模具小车,安装与拆卸简便,清模、换模和组装变得更加容易。

(7)模具对物料的适应性更强,可用于各种热塑性材料,包括:PE80、PE100、PP-R、PP-H、ABS和ABS/PC混合料等。

(8)大容量的顺畅流道可确保管材内应力的充分释放。

(9)管材的内外表面光滑无划痕。

(10)无论管径大小,都能保证拥有稳定的产品质量。

(11)采用了高品质的陶瓷加热器或铸铝加热器,使用寿命长。

3. 定径要求

HDPE是高结晶性聚合物,成型收缩率在2%~4%,熔融管坯从模头挤出以后通过定径筒,在冷却过程中需精确控制其尺寸。该过程既可采用真空定径法又可采用内压定径法,它们均要求熔融管坯通过定径筒以后,迅速冷却定径,以保证管材精确的外径和椭圆度要求。特别是对于大口径厚壁管材,厚壁管坯由于自重而易下塌造成壁厚不均匀,且散热困难,外径难以控制。因此,冷却定径显得十分重要。

康润机械的大口径HDPE挤出生产线均采用真空定径法,一般是将6m或12m长的真空定径水箱分融成几个真空冷却室,以满足几个冷却阶段对真空度的不同要求。在第一真空室外装有定径筒,其真空度应调节到挤出管坯贴吸到定径筒上。各个真空室的真空度可任意控制,以适应不同冷却阶段对管径的要求。该生产线还配备可变径定径套,以便于PE管材的生产,提高成品率。

为了克服挤出管坯与定径筒间的摩擦阻力并避免熔体粘附在定径筒上,保证管材表面外观的良好,定径筒前端采用了水环冷却和水膜式冷却润滑的结构,以水流为润滑介质,保证了在一定长度的定径筒内,管材能得到均匀的冷却与润滑,同时在箱体内还加装了几道定径环,以弥补修复管材的椭圆度。

对大口径厚壁的HDPE管材进行迅速均匀的冷却是困难的,虽然通过真空冷却定径以后,管材表面已冷却固化,但管材仍处于熔融状态,熔融热量迅速传递至管材表面,还未固化的熔融内层极易在管材的自重下下垂,造成管材壁厚的不均匀和较大向的椭圆度。因此,冷却水箱采用喷淋式冷却系统,保持较低而恒定的进水温度和较高的水压,使水呈雾状迅速喷淋至管材四周,均匀带走热量。定径控制主要取决于挤出速度和冷却能力之间的平衡,若水温经常变化,要求操作者不断高速操作工艺条件是难以保证稳定的高质量生产的,因此,恒定的冷却水温度显得十分重要。

就冷却水箱而言,为保持稳定的生产,冷却水量及水温的自动控制是必须的,康润机械的真空定型水箱至少有两套水位、水温自动控制装置,并且有相应的手动控制装置,以确保管材的正常生产。

4. 牵引与切割

HDPE挤出生产线通过强制牵引来克服管材通过定径筒与各冷却水箱的密封垫所产生的摩擦力。牵引速度的稳定性决定了管材的壁厚均匀性,康润机械的PE管材牵引机均采用履带式牵引,根据规格不同采用双履带、三履带或多履带的牵引。牵引速度为无级变速,并通过PLC程序与主机实现同步调速,同时具有自动增厚装置,使每根管材的两个端面壁厚比中间壁厚稍厚,确保管材联接处的强度要求。

切割机一般采用自动定长切割,小于φ800mm的管径采用无屑切割,大口径采用行星切割机,以确保管材端面的平整。

5. 生产控制系统

康润机械的大口径HDPE生产线采用自行设计的微电脑控制系统,该系统直观方便,采用人机对话,方便实现其工艺条件控制和调节。挤出机转速与牵引可实现同步调速,保证了稳定的生产工艺与生产质量。其硬件系统由德国西门子公司提供,软件采用欧洲先进技术,由康润机械自行开发。该控制系统为可编程计算机控制系统,具有10.4寸液晶显示、中文菜单和薄膜开关操作面板,带有熔体压力计熔体温度测量装置,其温度控制为模块化PID自整定。在此配置下,可实现的指令有:主机、辅机同步控制;自动开机预热;可编程预设各级报警;自动温度及过载保护;口令设置进入。此外,该生产线均可加配管材外径及壁厚的超声波自动检测和控制系统,以及自动称量加料系统。

除了大口径HDPE管材生产设备之外,康润机械还可提供多种PP管材生产线,PVC管材生产线,如PE双壁波纹管、农田滴灌用PE管、PA11汽车刹车用管 、MPP电力管材、CPVC管材、PE梅花型管和PERT管材等。

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