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)天元有限責任公司，北京，100070）

隨著國家對化工行業(yè)環(huán)保政策的越來越嚴格，對于純堿生產(chǎn)企業(yè)來說，穩(wěn)定生產(chǎn)和采用新技術、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)展與生存的關鍵。純堿生產(chǎn)中的工藝介質化學腐蝕性較強，特別是電化學腐蝕十分明顯，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)在技改擴建時大多采用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，且費用較高；鋼襯塑管道雖然解決了內防腐的問題，但管道外表面腐蝕依然嚴重，同時當管內介質溫度波動較大時，內襯塑料易于脫落，影響管道使用壽命。因此，采用一種新型非金屬管道對于純堿行業(yè)勢在必行。

對此，我公司于2008年在新建60萬噸聯(lián)堿/年項目中，大膽選用了由中國航天科工集團華創(chuàng)天元實業(yè)發(fā)展有限責任公司生產(chǎn)的鋼骨架聚乙烯工程塑料復合管代替?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)運行六年不停車創(chuàng)造了良好的條件。

1 鋼骨架聚乙烯復合塑料管性能介紹

如何在保持塑料管材良好的基礎上，提高其機械強度和抗老化性能，是化工界長期重點研究課題之一。由中國航天科工集團第三研究院與哈爾濱理工大學合作開發(fā)的鋼骨架聚乙烯工程塑料復合管（以下簡稱鋼骨架聚乙烯管），以優(yōu)質低碳鋼絲網(wǎng)為增強相，進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)應用廣泛。目前在純堿行業(yè)中的應用也逐步展開，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性能

聚乙烯是乙烯的高分子聚合物，屬熱塑性塑料。它質輕、無毒、具有良好的絕緣性能和耐低溫性能；對鹽酸、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，但不耐強氧化性酸和其他強氧化劑的腐蝕；對有機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，不同密度的聚乙烯具有不同的熔點，低密度聚乙烯熔點為110～115℃，高密度聚乙烯的熔點在125～131℃。由于聚乙烯大分子鏈較柔順，分子間作用力不大，所以聚乙烯的機械強度主要由結晶時分子緊密堆砌的程度所確定。分子質量的大小對其性能有很大的影響。機械性能在很大程度上取決于聚乙烯的分子質量和支化度。

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)、緯方向在成型機上點接觸焊接成網(wǎng)，鋼絲的焊接成網(wǎng)與擠出機擠出塑料熔體的過程同步進行，并且均勻復合成型，形成類似與鋼筋混凝土的結構，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射線實時在線檢測系統(tǒng)，能夠有效控制產(chǎn)品質量，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的接頭加工工藝。

1.3 鋼骨架聚乙烯塑料復合管的施工安裝

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、計量儀表和設備的連接。連接方式如圖2所示。其接口強度和爆破強度均高于管材本體。

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。因此接口強度和爆破強度均高于管材本體。

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

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

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（PPI）下屬的國家級BROTMAN實驗室進行了長達2年多的長期靜液壓強度試驗，其長期性試驗結果遠優(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、鑄鐵管進行線性膨脹實驗（實驗數(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。

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，管內輸送的液體介質出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，即管道內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；同時網(wǎng)狀鋼骨架本身的結構特征，又使復合管在軸向保留了適度的的柔性，因此該管道具有剛柔并濟的特點，不僅運輸和安裝方便，而且能夠有效承受土層沉降或滑移、地表車輛等造成的動載荷，運行可靠性良好。

表4 幾種材料彈性模量的對比

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晶性非極性材料，化學性質非常穩(wěn)定，對酸、堿和鹽溶液、有機溶劑等約275種腐蝕性介質均有良好的耐腐蝕性。同時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 內壁光滑，輸送阻力小

鋼骨架聚乙烯管采用內定型工藝，其內表面比鋼管內壁更光滑，絕對粗糙度為0.01mm，而鋼管內表面的絕對粗糙度為0.2mm。同等條件下的輸送量比鋼管高約30%。同時管材管材內壁光滑耐磨，輸送阻力小，不結垢，長期運行節(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。

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

鋼襯管系碳鋼管內壁襯橡膠或塑料的一種復合管道。由于其加工工藝的特點，導致金屬材質與橡膠或塑料不能有機的結合在一塊，同時兩種材質的膨脹系數(shù)差別較大，在介質溫度變化較大時，會發(fā)生脫層，破壞管道的整體結構。根據(jù)制堿行業(yè)現(xiàn)場環(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，結果鋼襯管使用不到三年，內襯塑料與碳鋼本體脫落并破損。

相應地，鋼骨架聚乙烯管因系以優(yōu)質低碳鋼絲網(wǎng)為增強相，有機材料進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，故不存在各種化學腐蝕和電化學腐蝕的現(xiàn)象。同時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，但對于口徑較大的管子，安裝、更換卻十分困難，檢修工的勞動強度比較大；由于管道定尺長度較短，連接點較多，增加了管道的泄漏點，維護成本較高。

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

鋼骨架聚乙烯管重量輕，DN50～DN250口徑管道現(xiàn)場安裝不需起重設備，連接的形式可采用法蘭連接、電熔套筒。安裝時，只需處理管口段表面和連接套筒內表面氧化層，用扶正器連接吻合后，使用專用焊接設備自動焊接成型。法蘭連接采用對開環(huán)換套法蘭，適用各種現(xiàn)場工藝條件，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共同特點易老化外，還有一個通病就是強度低，因此當管道架空敷設時，管道需要的支架比較多，尤其是對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表。

表6 非金屬管道架空敷設間距表

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增加了鋼絲作為整根管道的骨架支撐，而強度成倍增加，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到1.6MPa，100mm小口徑管甚至承受壓力能達到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，既費工又費時，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。電熔連接實際上也是采用焊接型式，電熔套筒內已埋置了電阻絲，施工時只需將焊機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合純堿生產(chǎn)工藝條件，我們做如下分析。

純堿母液組分復雜，母液中含有NaCl、NaHCO3、Na2CO3、NH4OH、NH4HCO3、NH4Cl、Na2SO4、（NH4）2SO4等組分，腐蝕性較強，極易生成結晶，流速較低時容易產(chǎn)生疤塊。對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晶管線，如碳化取出管、結晶取出管等。

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)運行6年的時間，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。

從管道內表面磨損程度來看，幾乎為零；從管內堵塞情況來看，管內長期無結疤，無堵塞現(xiàn)象；從現(xiàn)場管道外觀來看，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：

（1）安裝、維修方便，節(jié)省工時，降低了施工勞動強度。

（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，使我廠達到了清潔生產(chǎn)的要求，同時降低了生產(chǎn)成本。

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

（4）材質輕，外表美觀，內壁光滑，介質在管內流動阻力小，可節(jié)省動力消耗，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)政策導向。

（6）使用壽命長，雖然只是用6年，從使用情況來看，估計壽命能達到20年。

（7）價格適中，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)場大量跑、冒、滴、漏，到處掛白的現(xiàn)象，改善了現(xiàn)場的作業(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。