柔性塑料保溫管及其生產(chǎn)技術(shù)

江澤佩

(四川森普管材股份有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

柔性管道由于其操作的靈活性，已逐漸出現(xiàn)在人們的視野中。柔性管道安裝非常簡(jiǎn)單，如建筑物之間可以通過(guò)管道彎曲繞過(guò)障礙物實(shí)現(xiàn)管道連接，這就使得完全不必要進(jìn)行預(yù)先的管路規(guī)劃。柔性管可以幾百米不間斷鋪設(shè)，因此需要很少的連接頭，這就避免了在管道連接上花費(fèi)時(shí)間，也避免了后續(xù)的填縫。最終我們可以在降低成本基礎(chǔ)上高效的完成管道鋪設(shè)。同時(shí)柔性管道鋪設(shè)只需很窄的溝槽，這也意味著挖掘成本的降低，特別是小管徑管道，成本可以得到很大程度節(jié)約。

在柔性保溫管系統(tǒng)中，介質(zhì)管材料有薄壁鋼管、退火銅管、交聯(lián)聚乙烯（PEX）、鋁和聚丁烯，目前使用較多的材料是PEX，大多數(shù)柔性管平直管壁，有時(shí)也會(huì)采用波紋介質(zhì)管和夾克管以增強(qiáng)管道的柔韌性以及泡沫層和管道在彎曲過(guò)程和彎曲過(guò)后的粘接性。保溫材料通常選擇的是聚氨酯泡沫，進(jìn)水管和回水管可以共用一個(gè)夾克管，該夾克管可以采用鋼管、高密度或低密度聚乙烯，通常最佳選擇為柔韌性更高的低密度聚乙烯。

1 柔性復(fù)合管的設(shè)計(jì)

1.1 介質(zhì)管

在管道系統(tǒng)中，柔性管介質(zhì)管的選擇材料主要有：

（1）薄壁鋼管、軟銅管作為介質(zhì)管

鋼管作為介質(zhì)管耐熱性較好，但耐腐蝕性較差，例如isoplus生產(chǎn)的柔性管道isoflex和isowell（圖1所示）。isoflex柔性保溫管介質(zhì)管由通過(guò)精密焊制并且內(nèi)表面光滑的薄壁P195GH，1.034 8合金鋼管構(gòu)成，合金鋼管的連接采用氣焊，如鎢極惰性氣體保護(hù)焊。該保溫管耐熱溫度可以達(dá)到130 ℃，最高工作壓強(qiáng)可以達(dá)到2.5 MPa，最大允許環(huán)應(yīng)力可以達(dá)到150 N/mm2。isowell最大管徑能達(dá)到140 mm，介質(zhì)管采用的是直縫焊螺旋波紋狀的1.440 4不銹鋼管，鋼管主要采用法蘭熱縮套連接，最大限制溫度為140 ℃，最大使用壓力為2.5 MPa。

圖1 isoflex（左） 和 isowell（右）

（2）軟銅管作為介質(zhì)管

軟銅和鋼管一樣的突出優(yōu)點(diǎn)是耐熱性能較好，但相比鋼管環(huán)應(yīng)力較低些，如isoplus生產(chǎn)的柔性管道isocu（圖2所示），其介質(zhì)管由冷成型的無(wú)縫軟銅管構(gòu)成的，焊接方式采用的是毛細(xì)管焊接配件或壓力焊接配件。該管道管徑最大為90 mm，耐熱溫度可達(dá)130℃，運(yùn)行壓強(qiáng)2.5 MPa，環(huán)應(yīng)力最高可達(dá)110 N/mm2。

（3）交聯(lián)聚乙烯（PEX）作為介質(zhì)管

圖2 isocu

采用交聯(lián)聚乙烯作為復(fù)合保溫管介質(zhì)管的優(yōu)點(diǎn)是耐化學(xué)腐蝕性能和耐水腐蝕性能優(yōu)異，但耐熱溫度為較低，如isoplus生產(chǎn)的柔性管道isopex（圖3所示），管徑最大可達(dá)250 mm，其運(yùn)行溫度為90 ℃，運(yùn)行壓力為0.06 MPa（熱水管/污水管）。國(guó)外市場(chǎng)通常采用的柔性管介質(zhì)管為耐腐蝕效果最佳的PEX，而國(guó)內(nèi)由于人口多，尤其是小區(qū)建筑群龐大，需要管徑較大的保溫管以滿足需求，因而基本上采用的是直管鋼管類(lèi)復(fù)合保溫管。

圖3 isopex

1.2 保溫層

柔性管保溫材料選擇的是聚氨酯泡沫，通常采用三種環(huán)保型即零臭氧消耗和零全球變暖潛能值的泡沫體系，包括：以水與異氰酸酯反應(yīng)生成二氧化碳發(fā)泡的全水發(fā)泡體系、二氧化碳和物理發(fā)泡劑HFCs同時(shí)發(fā)泡聚氨酯的HFCs/水雙發(fā)泡體系以及采用二氧化碳和物理發(fā)泡劑環(huán)戊烷發(fā)泡聚氨酯的環(huán)戊烷/水雙發(fā)泡體系[1]。

為保證柔性保溫管的保溫層在盤(pán)卷以及安裝過(guò)程中不與介質(zhì)管和夾克管分離，所需的聚氨酯泡沫體系，必須具備高度柔韌性，另外對(duì)于長(zhǎng)期使用溫度低于95℃的PEX管來(lái)說(shuō)，耐熱性達(dá)到95 ℃的保溫材料可以滿足需求，但是對(duì)于通常采用銅或鋼管為介質(zhì)管，工作溫度達(dá)到130 ℃的管道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，泡沫材料就需要更高的耐熱性。因而針對(duì)以往硬質(zhì)聚氨酯泡沫柔韌性和耐熱性不能同時(shí)滿足的缺陷，我們需要在發(fā)泡體系上做出新的調(diào)整，如Huntsman研發(fā)出的新一代半柔質(zhì)多元醇泡沫體系配方，通過(guò)長(zhǎng)鏈和短鏈多元醇獨(dú)特的組合使得到的泡沫同時(shí)具備了高耐熱性和高柔韌性，同時(shí)為克服半柔質(zhì)泡沫λ老化速度過(guò)快的缺陷，在體系配方上進(jìn)一步進(jìn)行研發(fā)，抓住長(zhǎng)鏈和短鏈多元醇之間的平衡可以延緩氣體擴(kuò)散的關(guān)鍵點(diǎn)，研發(fā)出了延緩半柔質(zhì)泡沫體系λ老化的配方。

下示表1為Huntsman的半柔質(zhì)泡沫體系，Daltofoam TE44200和Daltofoam TE44203，兩 個(gè)體系均完全按照配方配制多元醇混合物，即聚醚多元醇，水，硅氧烷表面活性劑，形成水吹塑泡沫。生成的泡沫適用于連續(xù)法軟質(zhì)聚氨酯預(yù)制保溫管生產(chǎn)。Daltofoam TE44203高抗壓強(qiáng)度使其更適合大管徑管道，而Daltofoam TE44200更適用于小管徑管道。

表1 為Huntsman的半柔質(zhì)泡沫體系

1.3 阻隔層

為了避免聚氨酯發(fā)泡過(guò)程發(fā)生氣體交換，在保溫層與夾克管之間通常還會(huì)有一層防擴(kuò)散阻隔層。阻隔層一般在連續(xù)澆筑法生產(chǎn)工藝中應(yīng)用，因?yàn)樗梢员ＷC泡沫在整個(gè)生產(chǎn)操作過(guò)程中的低熱量損失，從而形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的泡沫保溫層。阻隔層材料可以是塑料薄膜或金屬箔，如isoflex和isowell等柔性保溫管生產(chǎn)工藝中均采用的是PE電暈處理后PE-鋁箔層，可以達(dá)到100%密封阻隔的效果。

1.4 夾克管

由于PE材料受天氣影響小，抗紫外線性好，并且能夠抵御土壤中幾乎所有的化合物腐蝕，因此在所有的國(guó)家以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，它是提到的唯一合適的夾克管材料。由聚乙烯作為柔性管的夾克層，表面均勻光滑。在生產(chǎn)過(guò)程中，高彈性熱塑性低密度聚乙烯連續(xù)擠出在聚氨酯泡沫層表面形成夾克層，該夾克管表面均勻光滑，柔韌性?xún)?yōu)異，保溫效果好，如isoplus使用的夾克管導(dǎo)熱系數(shù)λPE為0.35 W/(m.K)。

2 柔性聚氨酯塑料保溫管生產(chǎn)技術(shù)

柔性保溫管作為管中管系統(tǒng)，生產(chǎn)技術(shù)包括間歇法和連續(xù)法，間歇法成本較低，可以生產(chǎn)較廣尺寸范圍的管道，通常應(yīng)用在直管柔性管中，不適合于大規(guī)模生產(chǎn)。目前應(yīng)用較多的間歇法生產(chǎn)方式是澆筑法，生產(chǎn)的管道長(zhǎng)度最大只能到16 m，采用的生產(chǎn)工藝是通過(guò)在介質(zhì)管和夾克管中間略微傾斜的水平空腔內(nèi)澆筑聚氨酯泡沫，略微的傾斜可以使泡沫發(fā)泡密度分布更均勻，澆筑法生產(chǎn)工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，缺點(diǎn)是傾斜度使得發(fā)泡擴(kuò)張的距離過(guò)大，不容易達(dá)到最佳結(jié)構(gòu)。澆筑法生產(chǎn)工藝如圖4所示。

圖4 澆筑法生產(chǎn)工藝示意圖

相比間歇法，連續(xù)法的優(yōu)點(diǎn)不限制管道生產(chǎn)的長(zhǎng)度，因而特別適用于盤(pán)卷柔性管的生產(chǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)相對(duì)低成本下的快速穩(wěn)定的生產(chǎn)，同時(shí)所需較低的填充密度和套管厚度，有效的控制了材料成本[2]。因此目前大型管材制造商均采用連續(xù)法生產(chǎn)大量相同管徑管道。缺點(diǎn)是改變管徑和保溫層厚度時(shí)，相比間歇法需要更冗長(zhǎng)的操作時(shí)間及更高的技術(shù)成本。

圖5 連續(xù)澆筑法生產(chǎn)柔性泡沫保溫管

連續(xù)法生產(chǎn)包括兩個(gè)階段，第一階段通過(guò)使用模具、傾倒或噴涂的方式將泡沫填充到介質(zhì)管上，第二個(gè)階段通過(guò)擠壓或卷繞的方式在泡沫上形成夾克層，然后真空冷卻定型，切割所需長(zhǎng)度的管道[3]。連續(xù)法生產(chǎn)柔性塑料保溫管過(guò)程中，目前需克服的難點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：一是由于工廠場(chǎng)地限制，介質(zhì)管采用的需是盤(pán)管方式，因而對(duì)管徑有所限制；二是對(duì)聚氨酯泡沫發(fā)泡系統(tǒng)要求更加嚴(yán)格，需要在介質(zhì)管不斷運(yùn)行的情況下，保證泡沫層均勻穩(wěn)定的形成。

常見(jiàn)的連續(xù)法泡沫保溫管生產(chǎn)工藝有連續(xù)澆筑法和連續(xù)噴涂法。連續(xù)澆筑法相比連續(xù)噴涂法多了一層阻隔層，即在泡沫填充到介質(zhì)管上的同時(shí)從盤(pán)卷中退出帶狀的金屬或塑料薄膜卷繞在介質(zhì)管上，并給相應(yīng)厚度的保溫層留出空間，形成密封阻隔層，

連續(xù)澆筑法和連續(xù)噴涂法的生產(chǎn)工藝流程如圖6所示：

圖6 連續(xù)噴涂法生產(chǎn)柔性泡沫保溫管

3 小結(jié)

聚氨酯泡沫保溫管主要用于區(qū)域供暖供冷，在國(guó)外，人口少，小區(qū)范圍不大，因此小尺寸管件的保溫管已能滿足要求，但在國(guó)內(nèi)，人口眾多，小區(qū)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，柔性聚氨酯保溫管要想贏得市場(chǎng)，首先要做得就是不斷進(jìn)行大尺寸保溫管的開(kāi)發(fā)，其次還要將聚氨酯泡沫的長(zhǎng)期耐熱性提高到180 ℃，若溫度能達(dá)到這個(gè)范圍，聚氨酯就能取代玻璃泡沫、礦棉或其他目前國(guó)內(nèi)正在使用的無(wú)機(jī)保溫材料。當(dāng)做到這兩點(diǎn)時(shí)，柔性管在時(shí)間和成本上的節(jié)約性，將使得其應(yīng)用更加廣泛，獲得較大的管道市場(chǎng)份額。