大口徑鋼制管道泡沫噴涂工藝優(yōu)勢(shì)及前景分析

韓 勇 張靈東

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

0 概述

聚氨酯保溫管，就是用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料做絕熱材料的保溫管道。因其具有良好的保溫效果，被廣泛的應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)輸回水、城市供暖、原油輸送等領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)普遍采用的保溫管生產(chǎn)工藝、適應(yīng)的合理管徑范圍以及由相應(yīng)工藝生產(chǎn)的保溫層所潛藏的缺陷，已經(jīng)無(wú)法滿足日益擴(kuò)大的市場(chǎng)、高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量管理的要求。泡沫噴涂是在現(xiàn)有“一步法”、“管中管法”、“纏繞法”的基礎(chǔ)上，結(jié)合鋼管3PE防腐工藝特點(diǎn)，近兩年推出的一種新型的聚氨酯保溫管生產(chǎn)工藝，因其具有其他工藝不可比擬的優(yōu)勢(shì)，逐漸被業(yè)內(nèi)認(rèn)可。

1 泡沫噴涂工藝簡(jiǎn)介

圖1 大口徑鋼制管道泡沫噴涂工藝布置圖

泡沫噴涂工藝（圖1）主要特點(diǎn)是鋼管旋轉(zhuǎn)過(guò)程中在線進(jìn)行泡沫噴涂，同時(shí)揉合了3PE防腐工藝的中聚乙烯防護(hù)層成型工藝，其具體實(shí)施步驟如下：鋼管經(jīng)外壁清理設(shè)備拋丸清理后上傳至緩沖平臺(tái)，通過(guò)運(yùn)管小車(chē)運(yùn)送至泡沫噴涂區(qū)，泡沫噴涂區(qū)設(shè)有噴涂小車(chē)、高壓噴涂機(jī)等設(shè)備，鋼管在噴涂小車(chē)上沿軸向勻速前行，同時(shí)沿徑向勻速旋轉(zhuǎn)，在經(jīng)過(guò)固定的噴涂倉(cāng)時(shí)，高壓噴涂機(jī)將按比例混合均勻的聚醚、異氰酸酯混合物噴涂至鋼管表面，混合物反應(yīng)后形成一定厚度的聚氨酯泡沫，通過(guò)運(yùn)管小車(chē)運(yùn)送至泡沫熟化、固化區(qū)域，固化完成的泡沫管再由運(yùn)管小車(chē)運(yùn)送至側(cè)纏繞傳動(dòng)線，經(jīng)過(guò)加熱、聚乙烯側(cè)纏繞、聚乙烯膜擠壓、冷卻等工序后形成聚乙烯外防護(hù)層。

2 泡沫噴涂聚氨酯保溫層管質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)分析

泡沫噴涂工藝作為一種新型的聚氨酯保溫層成型工藝，避免了“一步法”內(nèi)定徑工藝受其適應(yīng)生產(chǎn)管徑范圍φ32～φ426mm的限制[1]，突破了“管中管”工藝生產(chǎn)效率低的瓶頸，打破了“分段模具發(fā)泡加外纏繞”工藝不能連續(xù)生產(chǎn)的局限，除此之外，在聚氨酯保溫層的質(zhì)量上，更有突出的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 克服了傳統(tǒng)“管中管”工藝的缺陷

由“管中管”成型工藝[2]可知，其聚乙烯防護(hù)層、聚氨酯保溫層是單獨(dú)成行的，聚氨酯是在有內(nèi)撐的聚乙烯防腐管內(nèi)從管端逐步注料、發(fā)泡而成，聚氨酯泡沫層的成型過(guò)程伴隨放熱反應(yīng)，由于聚乙烯是熱的不良導(dǎo)體，發(fā)泡過(guò)程中形成的大量熱能不能及時(shí)擴(kuò)散出去，必然導(dǎo)致泡沫層發(fā)黃，即所謂的 “燒心”現(xiàn)象。同時(shí)，聚氨酯保溫層成型過(guò)程沒(méi)有糾偏措施，發(fā)泡過(guò)程產(chǎn)生的膨脹力得不到有效控制，也會(huì)引起保溫層“偏心”、聚乙烯保護(hù)層易“漲裂”等現(xiàn)象。除此之外，聚乙烯防護(hù)層和聚氨酯保溫層之間“脫殼”、保溫層密度不均勻等現(xiàn)象也是 “管中管”工藝的缺陷。而泡沫噴涂工藝是借鑒了3PE防腐涂層的工藝優(yōu)點(diǎn)，鋼管采用螺旋傳輸，按比例混合好的異氰酸酯和聚醚通過(guò)高壓噴涂機(jī)噴涂在行進(jìn)的鋼管表面，聚乙烯采用側(cè)擠出纏繞的方式同步形成的聚氨酯保溫層及聚乙烯防護(hù)層。杜絕了“管中管”工藝中不可避免的缺陷，改善了保溫層及防護(hù)層的質(zhì)量。

2.2 滿足涂層高質(zhì)量要求的同時(shí)，擴(kuò)大了保溫管的管徑生產(chǎn)范圍

“一步法”保溫管生產(chǎn)工藝于1982年由天華院和勝利油田共同開(kāi)發(fā)完成，經(jīng)過(guò)30多年的工藝優(yōu)化和設(shè)備改進(jìn)，已經(jīng)能夠滿足高質(zhì)量、高產(chǎn)能、低生產(chǎn)成本的企業(yè)要求，同時(shí)也滿足了近20年國(guó)內(nèi)油田快速發(fā)展對(duì)小管徑原油輸送保溫管的安全需求，適應(yīng)了市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保、安全有效的要求。但由于“一步法”工藝自身的缺陷，管徑≥φ426mm時(shí)，聚氨酯保溫層在成型過(guò)程中由于鋼管自重的原因，會(huì)導(dǎo)致底部的保溫層壓扁減薄，影響保溫質(zhì)量，這是“一步法”工藝不能突破的最大瓶頸。同時(shí)，隨著市場(chǎng)的發(fā)展，以預(yù)埋為主的“黃夾克”聚乙烯防護(hù)層已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)的需求，在需要架空或者地面敷設(shè)的保溫管工程中，黑色聚乙烯防護(hù)層的“黑夾克”管需求量越來(lái)越大，由于“一步法”成型過(guò)程中發(fā)泡液面離內(nèi)定徑冷卻套的合理距離在400mm以內(nèi)，且液面是時(shí)時(shí)變化的，“黃夾克”聚乙烯防護(hù)層透光，便于液面的觀察，“黑夾克”聚乙烯防護(hù)層吸光，操作者不易控制液面的位置，生產(chǎn)過(guò)程中容易造成泡沫堵死內(nèi)定徑冷卻套的現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)線停工。而泡沫噴涂工藝更適合管徑≥φ426mm以上鋼管的保溫層成型，擬補(bǔ)了“一步法”工藝生產(chǎn)管徑范圍受限的缺陷，同時(shí)，聚乙烯側(cè)纏繞技術(shù)也解決了保溫管對(duì)防護(hù)層顏色的限制。

3 泡沫噴涂聚氨酯保溫層市場(chǎng)、運(yùn)行安全及環(huán)境保護(hù)優(yōu)勢(shì)分析

相比“管中管”工藝和 “一步法”工藝，泡沫噴涂工藝不但在本身成型的產(chǎn)品質(zhì)量上具有優(yōu)勢(shì)，在相同管徑的生產(chǎn)條件及質(zhì)量要求下，聚氨酯保溫層及防護(hù)層的原材料用量也更少。比如以DN700mm鋼管為例，泡沫噴涂法比“管中管”法施工所用的原材料費(fèi)降低35%左右，而生產(chǎn)速度是“管中管”法的2倍多[1]。除此之外，泡沫噴涂工藝其他的優(yōu)勢(shì)也是傳統(tǒng)施工法不能相比的。

3.1 市場(chǎng)環(huán)境方面

我國(guó)城市集中供暖最早從50年代開(kāi)始，伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，尤其是最近十年北方城市房地產(chǎn)噴井式的發(fā)展，新建、擴(kuò)建小區(qū)從最小的幾萬(wàn)平方米到幾十萬(wàn)平方米，集中供暖的管徑也隨著供熱需求面積的增加而增加。截止目前，北方省份主供熱管道基本在DN700mm～DN1000mm之間，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，長(zhǎng)輸供熱管道及供熱管徑有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)。除此之外，目前城市供、回水管道還采用水泥管道和鑄鐵管，均未保溫。但在北方較冷的城市中（如東北、西藏等地），供、回水管道必須深埋在凍土層以下，否則，在寒冷的冬季很容易出現(xiàn)管道凍裂的現(xiàn)象，這樣的結(jié)果不但會(huì)產(chǎn)生高額的施工費(fèi)用及經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)會(huì)給居民帶來(lái)生活上不便。采用保溫管后，管道可以明設(shè)或埋在地表淺層，這樣既節(jié)省了施工費(fèi)用，同時(shí)運(yùn)行安全可靠，不會(huì)出現(xiàn)管道凍裂現(xiàn)象。而這種主管道往往都超過(guò)1m管徑，最大甚至到2.5m以上。在此情況下，高產(chǎn)能、低生產(chǎn)成本的泡沫噴涂工藝對(duì)保溫管生產(chǎn)企業(yè)占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位提供了有力的支撐。

3.2 管網(wǎng)安全運(yùn)行性能提高

大口徑的聚氨酯保溫一般都采取 “管中管”法。由上面的分析可知，采用“管中管”法泡沫層形成過(guò)程中存在的大量熱能及內(nèi)應(yīng)力不能及時(shí)釋放，長(zhǎng)時(shí)間的累積會(huì)導(dǎo)致防護(hù)層“爆裂”，影響管線的安全運(yùn)行。比如中俄輸油管線—漠大線，設(shè)計(jì)管徑813mm，凍土層采用3PE防腐+“管中管”聚氨酯保溫的工藝，運(yùn)行不到一年時(shí)間就出現(xiàn)過(guò)不同程度的防護(hù)層“爆裂”、保溫層失效的問(wèn)題。而泡沫噴涂工藝是采用在線聚氨酯噴涂、聚乙烯防護(hù)層側(cè)纏繞成行的工藝，不會(huì)存在熱能、內(nèi)應(yīng)力的積累，能夠大大提高管網(wǎng)安全運(yùn)行的性能。

3.3 環(huán)境保護(hù)方面

泡沫噴涂的原材料包括多元醇、異氰酸酯、泡沫穩(wěn)定劑B8433、發(fā)泡劑HFC-245fa、水，其中發(fā)泡劑HFC-245fa質(zhì)量占泡沫噴涂料的0.8%[3]，參考“管中管”和泡沫噴涂工藝經(jīng)濟(jì)成本的比較[3]，以DN700mm的管徑為例，生產(chǎn)1m保溫管，采用泡沫噴涂工藝比“管中管”法可減少40g的HFC-245fa用量，而HFC-245fa為氟利昂的一類(lèi)，雖然HFC類(lèi)對(duì)臭氧層無(wú)害，但對(duì)溫室效應(yīng)有一定影響，而且它的溫室效應(yīng)效果比二氧化碳還高，溫室效應(yīng)使地球表面的溫度上升，引起全球性氣候反常。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34611-2017《硬質(zhì)聚氨酯噴涂聚乙烯纏繞預(yù)制直埋保溫管》等一系列相關(guān)技術(shù)性能的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)頒布，國(guó)內(nèi)城市集中化及房地產(chǎn)事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，尤其是在國(guó)家大力發(fā)展西北部，提高城市化人口的政策推動(dòng)下， 國(guó)內(nèi)聚氨酯保溫管的需求量將逐年擴(kuò)大, 大口徑鋼管聚氨酯泡沫噴涂法將以工藝完善、成型的產(chǎn)品性能穩(wěn)定、質(zhì)量過(guò)關(guān)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)逐步占領(lǐng)大口徑的保溫管市場(chǎng)，其應(yīng)用前景必將十分廣闊，值得行業(yè)內(nèi)大范圍推廣應(yīng)用。但為使泡沫噴涂工藝在我國(guó)能健康穩(wěn)步持久地發(fā)展，提高企業(yè)的利潤(rùn)及相關(guān)管網(wǎng)、工程的安全運(yùn)行性，就必須做到：（1）按照最新頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求，在我國(guó)廣泛推行泡沫噴涂法成型的聚氨酯保溫產(chǎn)品；（2）設(shè)計(jì)單位、生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用部門(mén)要密切合作、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，減少傳統(tǒng)“管中管”工藝的使用量，制定和完善保溫管管網(wǎng)工藝設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范, 保持設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)同步發(fā)展； （3）生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)集中力量推行泡沫噴涂先進(jìn)技術(shù)，不鼓勵(lì)應(yīng)用存在問(wèn)題的保溫管生產(chǎn)工藝。