PE给水管材的制造工艺及其优化研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 31 日 作者简介：陈俊杰，男，汉族，福建安溪人，本科，广西国塑管业集团有限公司，研究方向为 PE 给水管材的制造工艺及其优化研究。-30-PE 给水管材的制造工艺及其优化研究 陈俊杰 广西国塑管业集团有限公司，广西 南宁 530104 摘要：摘要：深入研究了 PE 给水管材的制造工艺及其优化方法。首先，针对 PE 管材的物理性能和技术指标进行详细分析，结合具体参数，如断裂伸长率、纵向回缩率和氧化诱导时间等，对参数进行对比分析。基于相关性能指标的优化，可持续性的提高 PE 管材的强度、稳定性和使用寿命。在管材工艺制作过程中，文章详细分析热熔对接和电熔焊接两种常用的管道连接技术，列举出对应操作参数。其中，热熔对接通过精确的控制预热、熔融和对接阶段的温度和压力，可实现高效可靠的管道连接。而电熔焊接则以其操作简便和高效快速的特点，适用于直径较小的 HDPE 管道。基于以上理论分析，建议在生产过程中建立严格的质量控制体系，确保不同批次的 PE 管材都符合技术规范要求。关键词：关键词：PE 给水管材；制造工艺；优化 中图分类号：中图分类号：TQ325 0 引言 近几年，基于给水工程的不断发展和对环保材料需求的不断提升，聚乙烯（PE）给水管材因其优异的性能和环保特性，逐渐成为供水系统中主要结构组分。基于热塑性塑料材料，PE 给水管材具有良好的耐腐蚀性、抗老化性和长寿命等，结合现有的 PE 给水管材的使用，在城市给水领域得到广泛应用。研究旨在深入研究 PE 给水管材的制造工艺，并通过优化研究，提出可行性的施工工艺和技术改进措施，进而满足管材在使用过程中对性能、质量和环境友好性的更高要求。针对PE给水管材的制造工艺，需要深入化分析和优化，针对性的提高管材整体性能，不断地提高生产效率，此类型研究具有重要的理论和实践意义。1 PE 给水管材的制造工艺 1.1 PE 给水管材特性 1.1.1 熔体流动速率（MFR）的重要性与控制 PE 给水管材的熔体流动速率（MFR）是一个关键的性能参数，它反映了聚乙烯分子量的大小。一般而言，熔体流动速率越大，代表分子量越小，这有助于加工成型，提高生产效率。然而，过大的熔体流动速率也可能对管材的环刚度产生不利影响。因此，需要在维持较高生产效率的同时，保证 PE 给水管材的环刚度不受过度影响。通常，选用 0.8-1.5g/10min（190，5kg）之间的熔体流动速率是较为合适的范围，这既满足加工要求，又保证了管材的环刚度，从而关键保障其 50年的使用寿命1。1.1.2 氧化诱导时间（OIT）的作用与控制 氧化诱导时间（OIT）是另一个重要的性能指标，特别在保障PE给水管材长期使用寿命方面起到至关重要的作用。GB/T19472.1-2004 中规定，波纹管的原材料的氧化诱导时间应20min（200）。OIT 反映了材料抵抗氧化老化的能力，影响着管材在使用过程中的稳定性和耐久性。通过控制原材料的氧化诱导时间，可以有效预防 PE 给水管材在长时间使用中出现老化、劣化等问题，确保其性能的可靠性。1.1.3 原材料组成及比例的优化 在 PE 给水管材的制造中，原材料的组成及比例直接关系到最终产品的性能。一般的配方中，聚乙烯占80%-85%，适量加入洁净回用料有助于提高资源利用效率。功能母料占 15%-20%，最大不宜超过 20%，通过适度的添加，可以改善材料的加工性能和抗老化能力。颜料在总体组成中比例较小，占 2%2，但对于管材的外观和可视性有一定影响。合理的原材料配比有助于制造出性能稳定、质量可靠的 PE 给水管材。1.2PE 给水管材的制造工艺 1.2 系统设计 聚乙烯管道的强度计算是确保管道在使用中不发中国科技期刊数据库 工业 A-31-生破裂或漏水的关键步骤之一。强度计算的基本原理是根据管材的设计要求，考虑管道在工作压力下的承载能力。公式中的主要参数如下：PN（管材公称压力）：表征管道的工作压力，是需要计算的目标。s（设计压力）：由 MRS（最小要求强度）和设计系数 Fd 决定，反映了管道设计的强度水平。D（平均外径）：管道的平均外径，用于计算管材公称压力。e（最小壁厚）：管道的最小壁厚，也是计算中的一个重要参数。SDR（标准尺寸比）：反映了管道外径和壁厚之间的关系，影响了 PN 的计算。综合这些参数，强 度 计 算 公 式 可 通 过PN=2se/(D-e)或 PN=22s/(SDR-1)来表示。其中 s=MRS/Fd。20 时，MRS、设计应力 s 和设计系数之间的对应关系见下表 1。表 1 20时，MRS、设计应力 s 和设计系数之间的对应关系 设计应力(s,MPa)最小要求强度(MRS,MPa)设计系数(Fd)10 8 1.25 6.3 5 1.6 3.2 2.5 2 6.3 3.2 1.25 2-1.2.1 水力计算 在管道系统的设计中，水力计算是确保管道系统正常运行的关键步骤。通过利用达西威斯巴赫公式、阿里特苏里公式以及海登威廉公式，可以有效地计算管道的摩擦损失、摩阻系数、局部水头损失以及流量等参数。本文将详细分析这些计算公式的应用，以及常见管件的摩阻系数和流量计算。达西威斯巴赫公式用于计算管道中的摩擦损失。该公式中的参数包括管段长度（L）、管道计算内径（dj）、平均流速（V）、摩阻系数（）等。摩阻系数 在紊流状态下由阿里特苏里公式计算。这一系列计算考虑了管道的摩擦损失，为系统设计提供了基础。管件局部阻力水头损失可由公式 h=KV2/2g 计算，其中 h 为局部水头损失，K 为各种管件的摩阻系数，V为水流速度，g 为重力加速度。常见管件的摩阻系数列于文中，通过这些系数，可以准确计算管道中各个局部的水头损失。海登威廉公式则用于计算流量，考虑了摩擦阻力的影响。该公式中的参数包括流量（Q）、海登威廉摩阻值（C）、管道计算内径（dj）、水力坡度（I）等3。摩阻值 C 是一个摩擦因子，通过表格提供了不同类型和使用年限的管道的 C 值，为流量计算提供了关键数据。通过以上公式的应用，设计人员可以得到管道系统中各种参数的准确计算结果。值得注意的是，在设计过程中，为了简化计算，局部水头损失可以按照给定的百分比进行估算。这有助于在设计过程中降低复杂性，提高设计效率。水力计算是管道系统设计的重要组成部分，通过合理使用达西威斯巴赫公式、阿里特苏里公式和海登威廉公式，可以全面考虑管道中的摩擦损失、摩阻系数、局部水头损失和流量等因素。通过数据分析和系统设计，设计人员可以得出符合实际工程需求的管道尺寸和参数，确保管道系统在长期使用中的高效、安全运行。1.2.2 其他相关参数的设计工艺（1）线膨胀系数与导热系数 线膨胀系数和导热系数是影响HDPE管道系统热膨胀和导热性能的两个重要参数。线膨胀系数（）表示材料随温度升高而线膨胀的程度，而导热系数（）则表征材料导热的能力。对于 HDPE 管道系统，线膨胀系数为 1.4*10-4 m/m，导热系数为 0.42 W/mk4。以上两个参数在管道系统的设计中具有重要作用。线膨胀系数的了解有助于预测管道在温度变化下的变形情况，为管道的热膨胀留出足够的空间。导热系数的值影响着材料的热传导性能，对于需要考虑保温或散热的工程而言，导热系数的选取至关重要。（2）弹性模量与泊松比 弹性模量（E）和泊松比（）是描述材料力学性能的参数。对于 HDPE 管道系统，弹性模量在 600-900 MPa 之间，泊松比为 0.45。弹性模量反映了材料的刚度，即在外力作用下材料的变形抵抗能力。泊松比则表征了材料在拉伸或压缩过程中沿横向的收缩程度。在设计 HDPE 管道系统时，弹性模量的选择影响了管道的结构设计和受力性能。较大的弹性模量通常表示材料较硬，而较小的弹性模量则表示材料较柔软。泊松比的考虑则有助于预测管道在不同工况下的变形情况，从而更好地设计管道系统的支持结构。（3）软化点与脆化温度 软化点和脆化温度是HDPE管道系统在高温和低温环境下的两个关键参数。软化点为 126，脆化温度为-70。软化点表示材料在加热过程中开始变软的温中国科技期刊数据库 工业 A-32-度，而脆化温度则是材料在低温下发生脆化的温度。以上两个参数的理解对于选择HDPE管道系统的使用条件至关重要。软化点的高低决定了 HDPE 管道系统的耐高温性能，而脆化温度则决定了其在低温环境下的可用性。在极端温度条件下，设计人员需要谨慎选择 HDPE管道系统，确保其在各种环境中都能保持良好的性能5。1.3 管材连接技术 1.3.1 热熔对接工艺 热熔对接基于常用于连接 HDPE 管材的高效工艺。表中详细列出了 HDPE 管材热熔对接的参数典型值，包括预热、熔融、切换和对接等步骤。对于公称壁厚在2mm 至 40mm 范围内的 HDPE 管，均可以采用这种方式进行连接。首先，在预热阶段，通过施加 0.15Mpa 的预热压力，将管材预热至 210。在这个阶段，需要注意的是预热时的卷边高度 h，该参数的控制对后续步骤的影响非常关键。接下来是熔融阶段，其中压力降至 0.01Mpa，同样在 210下进行。加热时间从 30 秒到 170 秒不等，取决于管道的壁厚，允许最大切换时间也有相应的调整。切换和对接的步骤在压力、温度、时间等方面也有详细的规定。通过这个热熔对接工艺，形成的接口具有较高的承拉和承压强度，确保了连接的可靠性和持久性。1.3.2 电熔焊接 电熔焊接是一种常用于 HDPE 管道连接的高效、便捷的方式。该方法利用专用电熔焊接机，通过通电加热，实现 HDPE 管道的连接。相比其他连接方式，电熔焊接具有操作简便、连接迅速的特点，尤其适用于直径较小的 HDPE 管道。预热压力和温度：预热压力：0.15Mpa、预热温度：210、，牢固性。熔融阶段：压力：0.01Mpa，加热时间：取决于管道壁厚，在熔融阶段，通过调整压力和温度，使 HDPE管道的两端达到融化状态，为连接创造条件。切换和对接阶段：切换时间：根据管道壁厚，对接压力：0.15Mpa，冷却时间：根据管道壁厚，在切换和对接阶段，确保焊接质量，通过精确的控制时间和压力，使连接部位达到理想的稳定状态。1.3.3 鞍形对接连接 鞍形对接连接是解决主管分接问题的一种创新方式。在 HDPE 管道应用中，经常需要对主管进行分接，传统的方式需要切除一段主管，然后安装一个三通来完成分接。而鞍形对接连接通过在主管上连接一个鞍形三通，并采用配备的切刀切割主管，实现了快速的主管分接。这种连接方式简化了施工过程，提高了工作效率。总体而言，HDPE 管材连接技术具有多样性，可以根据不同的情况选择合适的连接方式。无论是热熔对接、电熔焊接还是鞍形对接连接，都为 HDPE 管道的应用提供了灵活可靠的连接手段，满足了不同工程需求。2 PE 给水管材的制造优化措施 2.1 原材料优化 优化 PE 给水管材的制造过程始于原材料的选择。通过采用高质量的聚乙烯原料，可以提高管材的物理性能，如断裂伸长率。选择具有良好韧性和抗拉强度的原料，能够在管材使用过程中抵抗外部冲击和拉伸力，从而确保管材的可靠性和持久性。2.2 工艺参数调整 通过对生产工艺参数的精确调整，可以降低 PE 管材的纵向回缩率。控制生产中的加热温度、压力以及冷却速度等参数，使得管材在生产过程中更好地保持尺寸稳定性。通过采用先进的生产工艺，调整相关参数，确保纵向回缩率满足标准要求，提高管材的使用寿命和性能稳定性。2.3 氧化诱导时间的提高 氧化诱导时间是衡量聚乙烯抗氧化性能的关键指标，直接影响管材在长期使用中的稳定性。通过在制造过程中添加适量的抗氧化剂，可以有效提高 PE 管材的氧化诱导时间。抗氧化剂的使用可减缓聚乙烯管材在高温环境中的老化速度，延长管材的使用寿命，使其更适用于各种环境条件。2.4 质量控制与检测 在制造过程中建立严格的质量控制体系，对每个生产环节进行精准监控和检测。通过引入先进的检测设备，确保每一批次的 PE 给水管材都符合技术规范的要求。通过科学、规范的质量管理，不仅可以提高管材的整体质量水平，也有助于发现并解决潜在的质量问题，确保产品的一致性和可靠性。中国科技期刊数据库 工业 A-33-3 结束语 综上所述，通过对 PE 给水管材的物理性能的综合化分析，从理论与实践的角度分析，深入化的分析断裂伸长率、纵向回缩率和氧化诱导时间等关键指标，针对对管材性能的影响。优化此类型性能参数，进而显著性的提高管材的强度、稳定性和使用寿命，为城市供水系统的长期运行提供了可靠保障。参考文献 1和江平.给水用聚乙烯(PE)管材静液压强度的试验方法及过程J.城市建设理论研究(电子版),2019,(27):63.2章丽丽,顾寒菲,朱昊浩,卞汪锋,许亮.新版 PE 给水管材管件标准关于氧化诱导时间的测试研究J.橡塑技术与装备,2019,45(12):39-42.3杨书君,刘行刚,张升东.给水用聚乙烯(PE)管材新老标准对比及影响管材质量的原因分析J.中国标准化,2019,(05):112-115.4赵成方.给水用聚乙烯(PE)管材.浙江省,浙江邦德管业有限公司,2018-12-10.5江腾寿,张亚涛.PE(100)级给水管材静液压试验检测方法的探讨J.安徽建筑,2018,24(05):318-319.