鋼骨架聚乙烯工程塑料管在純堿生產(chǎn)中的應(yīng)用前景分析

李正明 劉存陽

（1.四川和邦股份有限公司，四川樂山，614801；2.北京華創(chuàng)天元有限責(zé)任公司，北京，100070）

隨著國家對(duì)化工行業(yè)環(huán)保政策的越來越嚴(yán)格，對(duì)于純堿生產(chǎn)企業(yè)來說，穩(wěn)定生產(chǎn)和采用新技術(shù)、新工藝，減少或杜絕生產(chǎn)中的跑冒滴漏，是企業(yè)面臨發(fā)展與生存的關(guān)鍵。純堿生產(chǎn)中的工藝介質(zhì)化學(xué)腐蝕性較強(qiáng)，特別是電化學(xué)腐蝕十分明顯，表現(xiàn)最為顯著地是管道腐蝕。近幾年來傳統(tǒng)常規(guī)的鑄鐵管已被淘汰，新建純堿企業(yè)或者老的純堿企業(yè)在技改擴(kuò)建時(shí)大多采用316L的不銹鋼管道、鋼襯塑管道、尼龍管道以及一些其他的非金屬管等。

對(duì)于不銹鋼管道而言，由于純堿生產(chǎn)母液中氯離子的濃度較高，易于在不銹鋼管道焊縫處產(chǎn)生縫隙腐蝕和晶間腐蝕，使用壽命也只有4－5年，且費(fèi)用較高；鋼襯塑管道雖然解決了內(nèi)防腐的問題，但管道外表面腐蝕依然嚴(yán)重，同時(shí)當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)溫度波動(dòng)較大時(shí)，內(nèi)襯塑料易于脫落，影響管道使用壽命。因此，采用一種新型非金屬管道對(duì)于純堿行業(yè)勢(shì)在必行。

對(duì)此，我公司于2008年在新建60萬噸聯(lián)堿/年項(xiàng)目中，大膽選用了由中國航天科工集團(tuán)華創(chuàng)天元實(shí)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)的鋼骨架聚乙烯工程塑料復(fù)合管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬、非金屬管用于輸送制堿母液，效果良好，為裝置連續(xù)運(yùn)行六年不停車創(chuàng)造了良好的條件。

1 鋼骨架聚乙烯復(fù)合塑料管性能介紹

如何在保持塑料管材良好的基礎(chǔ)上，提高其機(jī)械強(qiáng)度和抗老化性能，是化工界長期重點(diǎn)研究課題之一。由中國航天科工集團(tuán)第三研究院與哈爾濱理工大學(xué)合作開發(fā)的鋼骨架聚乙烯工程塑料復(fù)合管（以下簡稱鋼骨架聚乙烯管），以優(yōu)質(zhì)低碳鋼絲網(wǎng)為增強(qiáng)相，進(jìn)口高密度聚乙烯為基體，在擠出生產(chǎn)線上連續(xù)成型的新型雙面防腐壓力管道，在氯堿、石化、冶金、焦化等行業(yè)應(yīng)用廣泛。目前在純堿行業(yè)中的應(yīng)用也逐步展開，我公司屬首家大批量使用廠家。

1.1 聚乙烯的主要物理化學(xué)性能

聚乙烯是乙烯的高分子聚合物，屬熱塑性塑料。它質(zhì)輕、無毒、具有良好的絕緣性能和耐低溫性能；對(duì)鹽酸、稀硫酸、氫氟酸等非氧化性酸、稀硝酸、堿和鹽溶液都有良好的耐腐蝕性，但不耐強(qiáng)氧化性酸和其他強(qiáng)氧化劑的腐蝕；對(duì)有機(jī)溶劑在常溫下具有抗溶脹能力。

在熱穩(wěn)定性方面，聚乙烯的玻璃化溫度隨結(jié)晶度的大小而變化，可以低到－130℃，也可以高到－20℃。但重要的是熔點(diǎn)，不同密度的聚乙烯具有不同的熔點(diǎn)，低密度聚乙烯熔點(diǎn)為110～115℃，高密度聚乙烯的熔點(diǎn)在125～131℃。由于聚乙烯大分子鏈較柔順，分子間作用力不大，所以聚乙烯的機(jī)械強(qiáng)度主要由結(jié)晶時(shí)分子緊密堆砌的程度所確定。分子質(zhì)量的大小對(duì)其性能有很大的影響。機(jī)械性能在很大程度上取決于聚乙烯的分子質(zhì)量和支化度。

1.2 鋼骨架聚乙烯管的加工工藝

塑料的成型加工是在力求保持或改進(jìn)原材料原有性能的條件下，將組成和物理形態(tài)各不相同的的物料轉(zhuǎn)變成制品。鋼骨架聚乙烯管的成型加工就是在聚乙烯的黏流態(tài)下進(jìn)行的。其生產(chǎn)工藝見圖1。

圖1 鋼骨架聚乙烯管加工工藝

表面經(jīng)過特殊處理的鋼絲按經(jīng)、緯方向在成型機(jī)上點(diǎn)接觸焊接成網(wǎng)，鋼絲的焊接成網(wǎng)與擠出機(jī)擠出塑料熔體的過程同步進(jìn)行，并且均勻復(fù)合成型，形成類似與鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，從而保證了管道的承壓能力。鋼骨架聚乙烯管生產(chǎn)線配以γ射線實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)，能夠有效控制產(chǎn)品質(zhì)量，連續(xù)產(chǎn)出任意長度的管道，再根據(jù)連接方式的不同而選擇相應(yīng)的接頭加工工藝。

1.3 鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管的施工安裝

鋼骨架聚乙烯管的安裝連接方式，目前主要有法蘭連接以及電容連接兩種型式。

1.3.1 法蘭連接

法蘭連接用于鋼骨架聚乙烯管與金屬管、其他非金屬管、閥門、計(jì)量儀表和設(shè)備的連接。連接方式如圖2所示。其接口強(qiáng)度和爆破強(qiáng)度均高于管材本體。

1.3.2 電熔連接

電熔連接用于連接兩段直管之間的連接，連接形式如圖3所示。連接件電熔套筒除含有鋼骨架外，焊接電阻絲采用滿布線排列，保證了焊接面積最大化。因此接口強(qiáng)度和爆破強(qiáng)度均高于管材本體。

圖2 法蘭連接示意圖

圖3 電熔連接示意圖

1.4 鋼骨架聚乙烯管的性能特點(diǎn)

產(chǎn)品的性能取決于它所選用的材料及結(jié)構(gòu)，鋼骨架聚乙烯管綜合起來有以下一些特點(diǎn)。

1.4.1 使用壽命長

鋼骨架聚乙烯管已在美國塑料管道協(xié)會(huì)（PPI）下屬的國家級(jí)BROTMAN實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了長達(dá)2年多的長期靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其長期性試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于純塑料管道，如表1所示。

1.4.2 線性膨脹系數(shù)低

通過與聚乙烯塑料管、鑄鐵管進(jìn)行線性膨脹實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2）比較發(fā)現(xiàn)鋼骨架聚乙烯管的線性膨脹系數(shù)僅為塑料管道的25%，與鑄鐵管相當(dāng)。

1.4.3 優(yōu)異的抗快速開裂性能

在管道使用過程中，由于突發(fā)事件，造成管線突然停運(yùn)，管內(nèi)輸送的液體介質(zhì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，即管道內(nèi)的壓力將在瞬間增至正常輸送壓力的1.5倍，甚至更高，如果管道外壁存在劃痕、碰傷等缺陷，容易造成管道的快速開裂，因此要求管道必須具有優(yōu)良的抗快速開裂性能。鋼骨架聚乙烯管，由于環(huán)形鋼絲網(wǎng)的存在，徑向承受負(fù)載能力大大提高，從而改善了管壁部分的抗快速開裂、環(huán)境應(yīng)力開裂性能。從表3可以看出，同PE塑料管道相比，鋼骨架聚乙烯管具有優(yōu)異的抗快速開裂性能。

表1 鋼骨架聚乙烯管道與塑料管道長期性能的對(duì)比（23℃）

表2 鋼骨架聚乙烯管同其他管道線性膨脹系數(shù)比較

表3 鋼骨架聚乙烯管與純聚乙烯管道抗快速開裂性能比較

1.4.4 耐沖擊性和尺寸穩(wěn)定性好

鋼的彈性模量通常是高密度聚乙烯彈性模量的200倍（見表4）。由于鋼骨架的加強(qiáng)作用，鋼骨架聚乙烯管的剛性、耐沖擊性及尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于任何一種塑料管；同時(shí)網(wǎng)狀鋼骨架本身的結(jié)構(gòu)特征，又使復(fù)合管在軸向保留了適度的的柔性，因此該管道具有剛?cè)岵?jì)的特點(diǎn)，不僅運(yùn)輸和安裝方便，而且能夠有效承受土層沉降或滑移、地表車輛等造成的動(dòng)載荷，運(yùn)行可靠性良好。

表4 幾種材料彈性模量的對(duì)比

1.4.5 耐腐蝕性能和耐磨損性能良好

鋼骨架聚乙烯管的基體材料高密度聚乙烯是一種結(jié)晶性非極性材料，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，對(duì)酸、堿和鹽溶液、有機(jī)溶劑等約275種腐蝕性介質(zhì)均有良好的耐腐蝕性。同時(shí)它的耐磨損性能是鋼管的3倍（見表5），具有良好的耐磨損性能。

表5 鋼骨架聚乙烯管與鋼管的抗磨損性能比較

1.4.6 內(nèi)壁光滑，輸送阻力小

鋼骨架聚乙烯管采用內(nèi)定型工藝，其內(nèi)表面比鋼管內(nèi)壁更光滑，絕對(duì)粗糙度為0.01mm，而鋼管內(nèi)表面的絕對(duì)粗糙度為0.2mm。同等條件下的輸送量比鋼管高約30%。同時(shí)管材管材內(nèi)壁光滑耐磨，輸送阻力小，不結(jié)垢，長期運(yùn)行節(jié)能效果顯著。

1.4.7 耐老化

工程塑料管道最大的弊病，也是影響其使用壽命最大的問題就是老化，即對(duì)紫外線的耐受程度。在工業(yè)企業(yè)中通常使用的一些工程塑料管道，使用壽命平均在8－10年。而鋼骨架聚乙烯管道在生產(chǎn)工藝中由于添加了抗老化劑，增加了管道耐老化的程度，通常地埋管使用壽命可達(dá)五十年，而工藝管道使用壽命也不低于二十年。

2 與金屬管道及非金屬管道的對(duì)比分析

2.1 與金屬管道的比較

2.1.1 耐蝕性能

鑄鐵中含有硫、磷、碳等元素，在制堿母液的酸堿環(huán)境下，因幾種元素的電極電位不同，易與鐵元素形成鐵－碳原電池，發(fā)生去氫腐蝕。

不銹鋼材質(zhì)中雖然含有鎳、鉻、鈦元素，抗母液腐蝕性能較強(qiáng)，對(duì)焊接要求較高，但如果焊接質(zhì)量差，焊縫受到母液沖刷時(shí)易產(chǎn)生縫隙腐蝕，同時(shí)，母液中含有較高濃度的氯離子，它能對(duì)不銹鋼產(chǎn)生點(diǎn)蝕及晶間腐蝕脆裂的現(xiàn)象。

鋼襯管系碳鋼管內(nèi)壁襯橡膠或塑料的一種復(fù)合管道。由于其加工工藝的特點(diǎn)，導(dǎo)致金屬材質(zhì)與橡膠或塑料不能有機(jī)的結(jié)合在一塊，同時(shí)兩種材質(zhì)的膨脹系數(shù)差別較大，在介質(zhì)溫度變化較大時(shí)，會(huì)發(fā)生脫層，破壞管道的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)制堿行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，必須著重考慮管道的外防腐，來確保管道的正常使用壽命。筆者十年前在湖北雙環(huán)碳化回鹵管上就使用過鋼襯管，眾所周知，索爾維碳化生產(chǎn)工藝中，制堿塔和清洗塔來回倒換，回鹵溫度變化大，結(jié)果鋼襯管使用不到三年，內(nèi)襯塑料與碳鋼本體脫落并破損。

相應(yīng)地，鋼骨架聚乙烯管因系以優(yōu)質(zhì)低碳鋼絲網(wǎng)為增強(qiáng)相，有機(jī)材料進(jìn)口高密度聚乙烯為基體，在擠出生產(chǎn)線上連續(xù)成型的有機(jī)整體管道，管口采用一次整體封塑，金屬元素不外露，故不存在各種化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的現(xiàn)象。同時(shí)高密度聚乙烯的耐磨性，充分滿足了聯(lián)堿工藝中如碳化取出液、氯化銨取出液等晶漿混合物的沖刷、磨蝕，保證管道的長周期運(yùn)行。

2.1.2 安裝、檢修方面

鑄鐵管、鋼襯管因采用法蘭連接，故小孔徑管子安裝、檢修都十分方便，但對(duì)于口徑較大的管子，安裝、更換卻十分困難，檢修工的勞動(dòng)強(qiáng)度比較大；由于管道定尺長度較短，連接點(diǎn)較多，增加了管道的泄漏點(diǎn)，維護(hù)成本較高。

不銹鋼管因壁薄，重量較輕，吊裝較方便；但安裝時(shí)，對(duì)焊接要求較高，現(xiàn)場(chǎng)施工要求條件苛刻，且加工價(jià)格昂貴，使用成本較高。

鋼骨架聚乙烯管重量輕，DN50～DN250口徑管道現(xiàn)場(chǎng)安裝不需起重設(shè)備，連接的形式可采用法蘭連接、電熔套筒。安裝時(shí)，只需處理管口段表面和連接套筒內(nèi)表面氧化層，用扶正器連接吻合后，使用專用焊接設(shè)備自動(dòng)焊接成型。法蘭連接采用對(duì)開環(huán)換套法蘭，適用各種現(xiàn)場(chǎng)工藝條件，安裝、檢修十分方便。

2.2 與非金屬管道比較

2.2.1 管道支架間距

非金屬管道除了上述一個(gè)共同特點(diǎn)易老化外，還有一個(gè)通病就是強(qiáng)度低，因此當(dāng)管道架空敷設(shè)時(shí)，管道需要的支架比較多，尤其是對(duì)于小口徑的非金屬管，支架間距密，表6列出了幾種在工業(yè)企業(yè)中常用的非金屬管道支架敷設(shè)表。

表6 非金屬管道架空敷設(shè)間距表

由表6看出，除鋼骨架聚乙烯管（SPE）外，管徑小于200mm的非金屬管道，管支架間距均不超過2m，而鋼骨架聚乙烯管由于在純聚乙烯管內(nèi)增加了鋼絲作為整根管道的骨架支撐，而強(qiáng)度成倍增加，降低了安裝成本。

2.2.2 耐壓

一般塑料管道的承受壓力不會(huì)超過1.0MPa（塑料管道外纏FRP的除外），而鋼骨架聚乙烯管承受壓力可以達(dá)到1.6MPa，100mm小口徑管甚至承受壓力能達(dá)到4.0MPa。

2.2.3 安裝施工

如上述表6中的塑料管道除尼龍管是法蘭連接外，其他的塑料管都采用粘接或者加熱焊接型式，特別是粘接的管道，膠水用量大，既費(fèi)工又費(fèi)時(shí)，而鋼骨架聚乙烯管前面已經(jīng)敘述可以采用法蘭連接及電熔連接兩種型式。電熔連接實(shí)際上也是采用焊接型式，電熔套筒內(nèi)已埋置了電阻絲，施工時(shí)只需將焊機(jī)的焊線插在電熔電阻絲的接口上通電即可；而法蘭連接的，施工時(shí)像傳統(tǒng)的鑄鐵管一樣只需上螺栓施工（比鑄鐵管輕得多），施工非常方便。

3 鋼骨架聚乙烯管在純堿生產(chǎn)中的適用范圍

3.1 純堿生產(chǎn)工藝條件分析及適用位置

根據(jù)鋼骨架聚乙烯管的特性結(jié)合純堿生產(chǎn)工藝條件，我們做如下分析。

純堿母液組分復(fù)雜，母液中含有NaCl、NaHCO3、Na2CO3、NH4OH、NH4HCO3、NH4Cl、Na2SO4、（NH4）2SO4等組分，腐蝕性較強(qiáng)，極易生成結(jié)晶，流速較低時(shí)容易產(chǎn)生疤塊。對(duì)上述情況鋼骨架聚乙烯管均具有較好的耐腐蝕性和耐磨損性、不易結(jié)疤。鋼骨架聚乙烯管適用于下列管道：重堿AII管，清洗AII管，MI管，過濾洗水管，綜合回收塔的淡液管，廢淡液管，碳化塔冷卻水管；煅燒冷凝液管，洗滌液管；氯化銨的清洗AI管，AI管，MII溢流管，MII管，濾液管等。但不適用經(jīng)常用蒸汽吹堵的固液比較高的結(jié)晶管線，如碳化取出管、結(jié)晶取出管等。

3.2 鋼骨架聚乙烯管在純堿生產(chǎn)中的使用效果

我公司60萬噸/年聯(lián)堿裝置上述管道都采用了鋼骨架聚乙烯管，從2009年9月份投產(chǎn)至今，已連續(xù)運(yùn)行6年的時(shí)間，無滲漏、破損現(xiàn)象，尚未出現(xiàn)需要檢修的部位，使用效果甚為理想。

從管道內(nèi)表面磨損程度來看，幾乎為零；從管內(nèi)堵塞情況來看，管內(nèi)長期無結(jié)疤，無堵塞現(xiàn)象；從現(xiàn)場(chǎng)管道外觀來看，顏色基本上和新管顏色一致，且管道無滲漏現(xiàn)象，解決了過去聯(lián)堿廠房內(nèi)管道到處掛“白胡子”的景觀。

4 前景分析

鋼骨架聚乙烯管在我公司使用6年來，取得了顯著的效果。綜合分析，該管道具備以下特點(diǎn)：

（1）安裝、維修方便，節(jié)省工時(shí)，降低了施工勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）無泄漏，大大改善了工人的操作環(huán)境和車間的環(huán)境衛(wèi)生，基本上杜絕了跑冒滴漏，使我廠達(dá)到了清潔生產(chǎn)的要求，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

（3）不需涂漆防腐，適應(yīng)于操作環(huán)境惡劣，外表面易受腐蝕的場(chǎng)合，降低了工程綜合成本。

（4）材質(zhì)輕，外表美觀，內(nèi)壁光滑，介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)阻力小，可節(jié)省動(dòng)力消耗，有利于節(jié)能降耗。

（5）可節(jié)省大量鋼材，符合“以塑代鋼”產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向。

（6）使用壽命長，雖然只是用6年，從使用情況來看，估計(jì)壽命能達(dá)到20年。

（7）價(jià)格適中，介于碳鋼管與304不銹鋼之間（現(xiàn)在304不銹鋼管道不宜用于聯(lián)堿母液管），比316L不銹鋼以及其他一些非金屬管都便宜。

通過在我公司今年6年來的使用效果來看，改變了過去純堿企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量跑、冒、滴、漏，到處掛白的現(xiàn)象，改善了現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境。鋼骨架聚乙烯管在純堿生產(chǎn)中逐步取代傳統(tǒng)的工藝管道大有前途，該管道在制堿行業(yè)值得大力推廣。