方世杰 李振武 王俊峰 王海濤 宋澤宇 張志陽(yáng)

（1.洛陽(yáng)理工學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000；3.河南新開(kāi)源石化管道有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

防腐彎管由于形狀特殊，主要采用熱收縮套蝦米搭接，結(jié)合單層FBE外纏繞帶保護(hù)的防腐結(jié)構(gòu)[1]。目前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)最符合、最接近3PE標(biāo)準(zhǔn)的防腐彎管結(jié)構(gòu)是：?jiǎn)螌覨BE外纏聚乙烯復(fù)合帶（簡(jiǎn)稱復(fù)合帶）[2]。其背材高硬度和高強(qiáng)度能更好抵御運(yùn)輸、吊裝鋪設(shè)中的機(jī)械沖擊，防腐效果更好，但只適合機(jī)械化纏繞包覆。國(guó)內(nèi)天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究所研究出復(fù)合帶熱熔3PE成型技術(shù)并應(yīng)用于生產(chǎn)中[3]。借鑒此技術(shù)，在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)復(fù)合帶溫度受環(huán)境溫度和纏帶速度影響較大。尤其是北方冬季氣溫低至零下，帶材的初始溫度低，環(huán)氧鋼管余溫?fù)p失大，復(fù)合帶背材未達(dá)到粘流態(tài)，尤其是一層與二層搭接的部位，粘接質(zhì)量不穩(wěn)定?；谏鲜鲈?，本文提出了電輔助加熱復(fù)合帶的方法，選用兩種高效加熱管，對(duì)其熱效率進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。然后研究加熱管加熱時(shí)帶材正反面溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，為復(fù)合帶輔助加熱裝置的研發(fā)提供可靠的理論和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)材料

鹵素加熱管（品牌：駿前；規(guī)格：350mm/220V/Φ10mm/1Kw）及配套燈罩2套，碳纖維加熱管（品牌：SHEFFIELD；規(guī)格：600mm/220V/Φ10mm/ 1kw，雙管）及配套燈罩2套。香港?，敼I(yè)用紅外測(cè)溫儀AS852B型2臺(tái)，熱電偶測(cè)溫儀2組，秒表1只。試驗(yàn)帶材為聚乙烯復(fù)合帶若干條，生產(chǎn)廠家：四川久遠(yuǎn)科技股份有限公司，規(guī)格：CRJD120×2.15mm，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：Q/SY GJX 113-2010。

1.2 試驗(yàn)方法

加熱試驗(yàn)原理如圖1所示，按包覆工藝要求，用鹵素加熱管（簡(jiǎn)稱鹵素管）和碳纖維加熱管（簡(jiǎn)稱碳纖維管）分別對(duì)復(fù)合帶膠面加熱，用紅外測(cè)溫儀和熱電偶測(cè)溫儀測(cè)量膠面溫度，紅外測(cè)溫儀測(cè)量背材面溫度，秒表測(cè)量時(shí)間，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)步驟：

（1）鹵素管與碳纖維管的加熱效率對(duì)比

環(huán)境溫度：27℃。使用鹵素管2支，功率2Km；碳纖維管2支，功率2Km，對(duì)帶材膠面進(jìn)行照射加熱，測(cè)量帶材膠面溫度和時(shí)間，記錄數(shù)據(jù)并對(duì)比加熱效率，選出熱效率高的管種開(kāi)展下一步試驗(yàn)；

（2）鹵素管加熱復(fù)合帶測(cè)量溫度和時(shí)間數(shù)據(jù)

鹵素管1支，功率1Kw，管面距復(fù)合帶膠面距離20mm。試驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)理采用平均去噪算法，以消除儀器、人為、環(huán)境原因造成的噪聲干擾。數(shù)據(jù)處理采用最小二乘法，多項(xiàng)式擬合：Y=A+B1X+B2X2。

2 結(jié)果與討論

復(fù)合帶在鹵素管加熱下，20s后達(dá)到230℃；在碳纖維管的加熱下，30s后達(dá)到110～120℃，表明鹵素管加熱速度比高于碳纖維管，有利于提高生產(chǎn)效率，因此下述試驗(yàn)均采用鹵素管進(jìn)行。

熱電偶和上槍分別是指用熱電偶的雙金屬觸頭和紅外線測(cè)溫槍測(cè)量復(fù)合帶的膠面的加熱溫度，下槍是指用紅外線測(cè)溫槍測(cè)量復(fù)合帶背材面的加熱溫度。采用紅外測(cè)溫方式使用方便，屬于非接觸式測(cè)量，反應(yīng)速度快，但測(cè)量數(shù)據(jù)易受物體的發(fā)射率、距離、煙塵和水氣等因素干擾。熱電偶為接觸式測(cè)量，存在測(cè)溫延遲現(xiàn)象，在對(duì)時(shí)間要求不高的場(chǎng)合下，熱電偶測(cè)量的數(shù)據(jù)精度高，但對(duì)時(shí)間敏感的測(cè)量場(chǎng)合，其測(cè)量精度反而較低。因此試驗(yàn)中同時(shí)采用兩種測(cè)溫方式，同時(shí)對(duì)比兩種測(cè)量方式的準(zhǔn)確性。

表1給出了3次測(cè)量結(jié)果的平均值。數(shù)據(jù)結(jié)果反映了：（1）保持加熱管與帶材的距離不變，隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)，膠面和背材的溫度會(huì)持續(xù)升高；（2）膠面的平均溫度高于背材面36.971℃。

表1 鹵素管加熱復(fù)合帶溫度隨時(shí)間的關(guān)系

由于加熱管不斷將熱量傳導(dǎo)到膠面上，在一個(gè)相對(duì)封閉的空間，熱能不斷增加，導(dǎo)致復(fù)合帶溫度會(huì)隨時(shí)間增加而持續(xù)升溫。由于復(fù)合帶主體為高密度聚乙烯（厚度=1.65～1.85，膠粘劑層厚=0.3～0.5，背材厚度為帶材總厚度的81.4%），導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.5W/（m·K），是鋼導(dǎo)熱系1/1000，因此復(fù)合帶阻礙熱量傳導(dǎo)的能力強(qiáng)，導(dǎo)致背材面的平均溫度比膠面低36.971℃。文獻(xiàn)[2]給出了膠面粘流態(tài)溫度為160～220℃，背材粘流態(tài)溫度為170～230℃。在目前的加熱功率下單面加熱，膠面要達(dá)到粘流態(tài)所需的時(shí)間至少要30s，背材到40s仍未達(dá)到粘流態(tài)。因此縮短加熱時(shí)間，提高熱效率，同時(shí)背材達(dá)到粘流態(tài)，則需要增加加熱功率，同時(shí)背材面也安裝加熱管。

2.1 熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分析

將熱點(diǎn)偶測(cè)得的膠面溫度與時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，擬合后的曲線公式如下：

相關(guān)參數(shù)如表2所示，相關(guān)系數(shù)R=0.97661，趨向于1，表明擬合結(jié)果滿足要求。故式（1）為熱電偶擬合的溫升曲線函數(shù)關(guān)系。

表2 相關(guān)參數(shù)值

對(duì)曲線公式求導(dǎo)，計(jì)算7個(gè)時(shí)間點(diǎn)的速度并取平均值，獲得平均升溫速度=5.72343℃/s。當(dāng)Y'=0時(shí)，是拐點(diǎn)，物理意義上是溫度曲線的最大值，此時(shí)X=45.8s，即當(dāng)時(shí)間超過(guò)45.8s之后，溫度便開(kāi)始下降。根據(jù)熱電偶的測(cè)溫，40s時(shí)膠面溫度為237.5℃，已經(jīng)超過(guò)了粘結(jié)劑粘流態(tài)上限溫度（220℃），但此時(shí)觀察到膠面實(shí)際上剛剛開(kāi)始出現(xiàn)粘流態(tài)，而應(yīng)該出現(xiàn)粘流態(tài)的溫度應(yīng)該從160℃就開(kāi)始，即從第25s開(kāi)始膠面就應(yīng)該出現(xiàn)粘流態(tài)了，但實(shí)際并未觀察到，因此熱電偶的測(cè)量溫度偏高。結(jié)合表1進(jìn)一步分析可知，由于熱電偶測(cè)溫有遲滯現(xiàn)象，在第10s時(shí)，溫度應(yīng)該達(dá)到較高值，但其還遲遲未啟動(dòng)。一旦啟動(dòng)后，其熱慣性又很大，造成溫度一直向上沖，這是造成熱電偶測(cè)溫不準(zhǔn)的原因所在。因此其擬合曲線曲線、平均升溫速度及溫度時(shí)間拐點(diǎn)均與實(shí)際情況不符，不能使用。同時(shí)也表面，采用熱電偶方式采集加熱數(shù)據(jù)的方法是不適用的。

2.2 紅外測(cè)溫槍上槍數(shù)據(jù)分析

將紅外上槍測(cè)得的膠面溫度與時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，擬合后的曲線公式如下：

相關(guān)參數(shù)如表3所示，相關(guān)系數(shù)R=0.7085，趨向于1。滿足要求。故式（2）為紅外測(cè)溫槍上槍擬合的溫升曲線函數(shù)。

表3 相關(guān)參數(shù)值

2.3 紅外測(cè)溫槍下槍數(shù)據(jù)分析

下槍測(cè)量膠面的溫度與時(shí)間變化規(guī)律曲線如圖4所示，將紅外下槍測(cè)得的膠面溫度與時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，擬合后的曲線公式如下：

表4中，相關(guān)系數(shù)R=0.9359，趨向于1。滿足要求。故式（16）為紅外測(cè)溫槍下槍擬合的溫升曲線。

表4 相關(guān)參數(shù)值

聚乙烯復(fù)合帶溫度是實(shí)現(xiàn)3PE包覆的關(guān)鍵問(wèn)題，復(fù)合帶的膠面要達(dá)到粘流態(tài)溫度才能夠和處于膠化態(tài)的環(huán)氧底漆產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，原理是粘結(jié)劑分子中的酸酐基團(tuán)與環(huán)氧樹(shù)脂分子中的環(huán)氧基、羧基反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)結(jié)合，化學(xué)粘結(jié)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純粹的物理粘結(jié)。膠面和背材面要到達(dá)粘流態(tài)主要基于兩點(diǎn)原因：一是膠粘劑分子主鏈以乙撐鏈為主，和粘流態(tài)的聚乙烯分子鏈結(jié)構(gòu)相同，二者具有良好的相似相容性，可以在壓力作用下融合為一體，因此其粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于膠粘劑與背材的物理粘劑強(qiáng)度；二是復(fù)合帶在纏繞第二圈搭邊時(shí)，熱熔膠層與復(fù)合帶第一層的背材外表面由于溫度不夠，未在粘流態(tài)下融合，未達(dá)到3PE性能要求。為此充分利用環(huán)氧彎管余溫，結(jié)合電輔助外加熱方式，使復(fù)合帶在包覆前充分預(yù)熱，同時(shí)建立數(shù)學(xué)模型，為實(shí)施自動(dòng)化控溫提供參數(shù)支持，才能有效解決彎管包覆質(zhì)量不穩(wěn)定、包覆效率低的根本問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）鹵素加熱管的加熱效率高于碳纖維加熱管；

（2）使用1W鹵素加熱管，距復(fù)合帶膠面20mm處實(shí)施單側(cè)加熱，膠面和背材面溫度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系如下：

（3）采用紅外測(cè)溫槍的測(cè)量方式的準(zhǔn)確度高于熱電偶測(cè)溫；

（4）實(shí)施單側(cè)加熱時(shí)，膠面的平均溫度高于背材面36.971℃。