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一、发展大直径聚乙烯压力管的意义

聚乙烯材料由碳(C)和氢(H)元素组成，无毒无害且可回收再利用，属于环保型材料，聚乙烯管道具有优良的抗内压能力，良好的抗蠕变性、耐腐蚀性和抗老化性，使用寿命长(超过50年)，刚性、强度、韧性俱佳，水流阻力小，质量轻，运输方便，施工快捷、简单等优点，被广泛应用于给水、排水、石油化工、矿山、农田灌溉、排污、垃圾填埋等领域。

聚乙烯管道分为压力管与无压管，无压管无工作压力要求，一般用于排水。聚乙烯压力管有承压要求，可用于有压力要求的场合，例如引水、供水、压力排水以及化工生产领域，工作压力要求0.32-2.0MPa之间甚至更高。但由于聚乙烯材料本身强度较低，大口径聚乙烯实壁管道壁厚要求较厚，致使管材生产成本较高，而且挤出设备的投资很大，在工艺上挤出成型的难度也大，因此大口径聚乙烯实壁管道的应用范围受到影响，目前**上**直径达到2600mm，也由我公司于2015年研发成功。

由于聚乙烯材料的强度有限，大直径聚乙烯实壁管需要很厚的管壁。部分要求的管壁厚度已经超过制造工艺的可能范围。所以目前较大直径塑料压力管的耐压能力都不高。为了提高聚乙烯压力管道的承压能力和降低成本，需要采用复合管道成型技术。以聚乙烯和其他不同材料复合成型生产管道，通过增加增强层以提升管材承压能力，并通过一定方式提高管材的环刚度。复合增强材料可以选择非金属或者金属两种，通过反复的试验，选择长玻纤材料作为增强层，这样充分发挥了两种材料各自的优势，也克服了金属材料与聚乙烯易脱层的缺点。

二、大口径纤维增强聚乙烯(PE)复合管成型技术

与缠绕成型排水管道不同的是：大口径缠绕排水管道成型是一个口模挤出熔融单层板带作为底板，另一个口模挤出熔融管坯料，然后板带作为内层而管坯作为增刚层依次缠绕在钢芯模具上，冷却脱模；聚乙烯(PE)大口径长纤维增强复合管是两个口模均挤出熔融板带，然后以不同的速度先后缠绕在钢芯模具表面上，并且后板带压在前板带的缝隙上，确保内层的完整性和密封性。然后缠绕增强层达到设计的厚度，**缠绕外保护层和必要的增刚层，**完成增强聚乙烯压力管道的制造。

管材经检测，性能达到标准的要求(见表1)。新工艺生产的聚乙烯(PE)大口径长纤维增强复合管道，成本低，耐压较高，直径更大(制造管道直径达到DN3000mm，工作压力达到1.6MPa)。

表1  聚乙烯(PE)大口径长纤维增强复合管道(1.0MPa)检测数据

缠绕成型技术已经有多年发展历史，可分为熔接成型与焊接成型。焊接成型的如“中空壁缠绕管”，存在焊缝焊接的不可靠性和内应力问题。熔接成型的优点是熔接双方都处于相同的物理条件下，有利于层间充分的一体化，**限度减小成型过程中产生的内应力，保证产品的质量。熔接型缠绕成型工艺制作的聚乙烯缠绕结构壁排水管已应用多年，其优良的品质深受用户满意。通过对缠绕成型工艺长期研究与探索，我们积累了大量的工艺数据，总结出可行、可靠的连续纤维带复合缠绕工艺方案。其重点表现在熔接温度和时间准确把握、以保持纤维材料在热熔成型后物理性能不变。

由于非金属材料与聚乙烯料具有更好的亲合性，并且可以避免使用热熔胶，所以采用非金属的复合材料作为缠绕增强层更有利于管材的加工成型。非金属复合增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维等几种。玻璃纤维具有成本低、强度高、有明显增刚作用等优点，更加适合生产大口径管材。

缠绕材料中所使用的聚乙烯为常规高密度聚乙烯，增强纤维对提高管道的抗内压能力提供的绝大部分的支持。玻璃纤维与聚乙烯的复合带密度值较小，技术经济指标优异，适合不同压力等级管道的制造。

缠绕成型工艺条件的控制和稳定对生产高品质管道是至关重要的，并且规定每根管材在下线后都要进行规定的耐压试验，尽管这样将增加不少专用装备，但是我们认为，这是对于保证管道质量是必不可少的。

三、大口径纤维增强聚乙烯(PE)复合管道连接方式

近年来复合管道技术取得了很大的进步，但复合管道**的技术难点是管道连接。业内的技术人员提供了很多的解决方案，但是经过长期的应用实践，有些方式存在成本高、长期可靠性不确定、施工质量不易控等难点。究其原因，主要是管道的塑料层可以熔焊连接，并且塑料的熔接很可靠，但增强材料在相同的条件下无法熔接，在连接段容易出现增强材料失效，从而致使整个管线失效。电熔套筒的出现，解决了直径较小管材(DN300以下)的连接问题，但直径超过DN300mm领域管材的轴向负荷很大，负荷由套筒传递。而大口径缠绕管道采用是大角度缠绕，增强主要体现在径向，轴向的增强很有限。所以大口径缠绕管道并不适合电熔套筒连接。通过实验，大口径纤维增强聚乙烯(PE)复合管道也可以像聚乙烯缠绕排水管一样采用承插式电热熔连接，但是在连接过程中务必要控制温度，避免温度过高时造成增强层失效。

综合各种大口径管道(PCCP、玻璃钢夹砂管)的连接技术，采用承插橡胶圈密封连接是长纤维增强复合管道的连接的另一种解决方案。由于复合材料的加入，不仅提高管道的抗内压能力，同时也提高了管道的环刚度，能够确保承插橡胶圈密封连接要求，另外管端具有较好的刚度或圆度，能保证承插橡胶圈密封连接的密封。大口径纤维增强聚乙烯(PE)复合管的承口段加厚复合材料是管体复合层厚度的5-7倍，具有足够的环刚度等级，使承插橡胶圈密封(双或单胶圈)得以实现（如图1-图3）。

图1 聚乙烯（PE）大口径长纤维增强复合管连接图

图2 大口径纤维增强聚乙烯（PE）复合管样品

图3 聚乙烯（PE）大口径长纤维增强复合管结构图

四、大口径纤维增强聚乙烯(PE)复合管道技术参数

大口径纤维增强聚乙烯(PE)复合管道与同等承压条件下PE实壁管管材壁厚比较(见下表2)。

表2  与同等承压条件的PE管材壁厚比较(SDR17)  (单位：mm)

五、结论

DN1000的大口径纤维增强聚乙烯(PE)复合管道成功通过埋地测试，水循环压力1.0MPa，管材无破裂，连接处无渗漏。说明了口径长纤维增强复合管道从原料的选定、管道设计、生产加工都是成功的。

在检验、设计、运输、安装和运行无误的情况下，经实践检测表明大口径长纤维增强复合管道在整个使用过程中无需维护，真正实现了低成本。具有耐压高等优势。

在输水领域，虽然大口径纤维增强聚乙烯（PE）复合管道不会完全取代PCCP、玻璃钢夹砂管，但仍然有很大的推广应用空间。

大口径纤维增强聚乙烯（PE）复合管道是一种新型塑料管道，具有出色的技术性能和性价比。经过多年的努力目前已经基本成熟，正在通过生产制造和工程实践，逐步日趋完善，并引起业内同行的关注，希望这个产品从开始就坚决杜绝“粗制滥造”，走上健康发展的道路，为我国塑料管道的发展做出贡献。