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    高分子耐磨管

    吉林时时彩网站制作 www.gdcpa.tw 高分子耐磨管

    超高分子量聚乙烯管材应用

     

    超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是指粘均分子量在250万以上的线性结构聚乙烯(PE),由于其分子量极高,具有耐磨损、耐冲击、耐腐蚀、自润滑等优异的综合性能,被称为“令人惊异的塑料”,但成型加工较为困难。近年来由于柱塞推压、单螺杆挤出等技术的突破,使UHMWPE管材得以实现了工业化连续生产。该管材具有如下优点[1]

    (1)耐磨性居塑料之冠,是碳钢、不锈钢的7~10倍;

    (2)冲击强度列塑料之首,为PC的2倍、ABS的5倍,且能在液氮温度(-196)下保持;

    (3)自润滑、抗粘附、不结垢,磨擦系数低,可与聚四氟乙烯(PTEE)媲美;

    (4)冲击能吸收值在所有塑料中最高,且具消音性;

    (5)化学稳定性好,在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质及有机介质;

    (6)优良的耐低温性,在液氦温度(-269)下仍具延展性;

    (7)优良的抗内压强度、耐环境应力开裂性、抗快速开裂性;

    (8)卫生、无毒,可接触食品和药物。

    上述性能使UHMWPE管材不仅可以输送流体、气体,而且可输送固体颗粒、粉末等松散物料和浆体状固液混合物料,从而拓展了塑料管材的应用范围。

    1 松散物料输送

    固体颗粒、粉末等松散物料的输送,主要采用以空气为载体的气力管道输送方式,在高速风送过程中物料对管道造成磨损,且由于磨擦阻力使功率消耗高、噪音较大。UHMWPE管以其耐磨损、耐冲击、磨擦系数低、自润滑、不粘附、卫生无毒、消音、轻便等优点而可替代钢管、不锈钢管等在以下领域应用。

    (1)粮食、饲料加工业

    国内外粮食加工行业的面粉厂、杂粮加工厂和大米厂以及储粮库等均采用气力输送粮食[2]。然而用钢管或铁皮管在较高风速下输送小麦、面粉、大米、谷物、大豆、玉米等粮食时不仅噪音大,而且存在严重的磨损问题,如面粉厂输送小麦,使用铁皮管4个月就磨损穿洞。储粮库内粮垛的转移采用气力管道输送,通常完成一次转移后,使用的铁皮管就会磨损报废。现在,北京、青岛等地的面粉厂采用了以UHMWPE片材为内衬的钢管或UHMWPE管,其耐磨性提高了7~10倍,养活噪音,改善了环境。全国有大型面粉厂2500多家,中小型面粉厂上万家[3],应用UHMWPE管的潜力很大。

    同样,UHMWPE管也可在饲料加工业中应用。国内外现代化饲料厂均采用金属管道输送物料。比如,在预混料生产线的原料接收工序,矿物质和其它大组分粉状原料经正压输送系统直接由风运送入生产线的配料仓;在成品包装工序,成品预混料由风运送入浓缩饲料生产线的配料仓[4]。截止到1994年底,全国共有饲料加工企业11000多家[5],即使部分企业采用UHMWPE管,其用量也相当可观。

    (2)油脂、酿酒工业

    油脂厂输料管弯头处磨损现象严重,输送菜籽及饼粕时更为突出。如某榨油厂送料车间使用6mm钢板卷制管送料,在运送风速20m/s的条件下,使用10d左右弯头处就出现磨穿现象;轧床车间清杂后菜籽的输料弯头采用厚度5mm的玻璃制成,经运送1400t菜籽后出现磨穿现象[6]。

    酿酒厂豆粕、麸皮等原料,以及熟料、成曲、脱脂酒渣等都采用气力输送。酒精厂的主要原料瓜干大部分为片状,通常不得不采用大风速输送,导致较小杂质(砂子等)也随着气流运动,不仅输送噪音大,而且管路磨损严重[7]。如果采用UHMWPE管,可以提高管道的使用寿命,且有良好的消音性,大幅度降低输送噪音。

    (3)食品、医药工业

    食品工业中可以用气力输送的物料很多,如精盐、奶粉、淀粉、薯粉、砂糖、可可、调味品、豆渣、茶叶、葵花籽等。某加碘精制盐厂利用φ125mm管道通过气力输送原盐,盐粒在管道中心运动时,由于速度高,对管壁有较强的磨擦,尤其弯管处更为严重[8];干法调味奶粉生产线为半自动封闭式,采用风力输送物料,由于有卫生性要求,所有与物料接触的部位都有杉昂贵的不锈钢制造。如果采用UHMWPE管就便宜得多。卷烟生产也涉及气力输送管道,国外50年代就已采用管道输送烟叶、烟梗、烟丝等[2]。

    医药工业中对药丸和药片也采用气力输送,除了卫生性要求外,还需考虑破碎问题。UHMWPE管卫生无毒,在国外已符合日本卫生协会的标准,并得到美国食品及药物行政管理局(FDA)和美国农业部(USDA)的同意,可用于接触食品和药物,因此在食品、医药输送中,不仅可替代昂贵的不锈钢管,而且因其能吸收冲击能,可减少物料在输送中的破碎。

    (4)纺织、化纤工业

    气力输送在纺织工业中已广泛地用来输送棉花、羊毛、废棉、麻屑和其它纤维物料。现代化的混、开清棉是用气流通过管道把原棉输送给盖板梳棉机,并连续地把纤维分配给各台机器[2]。涤纶长丝厂等化纤生产中的原料、半成品和产品也采用脉冲气力输送方式代替传统的机械输送,输送的物料包括聚酰胺(PA)切片、聚酯切片、聚乙烯醇、短切纤维等。输送过程中切片与管壁冲击磨擦产生的粉末及丝条状破屑甚多,直接影响到熔融纺丝的质量[9]。如果采用UHMWPE管,由于该管材能吸收冲击能,可以减弱切片与管壁的冲击,降低粉末产生量。

    (5)建材、散装物料运输

    水泥、石灰、沙(砂)石、混凝土、耐火材料、陶瓷原料、焙烧矿、矾土、石膏等建材的输送中,管道磨损较为严重。比如,某水泥公司的φ89mm×4.5mm窑灰输送管,采用无缝钢管只能使用3个月。水泥输送管道弯曲部分虽采用了铸铁拱壁弯头,也只使用2a就磨破了[10]。在玻璃生产中已普遍地采用了气力卸料系统,气力输送玻璃配合料的速度为10~15m/s,输送过程中管道容易磨损[11]。

    UHMWPE管具有耐磨损、自润滑等优点,用于输送流砂,其寿命比钢管可提高18倍,成本降低24倍;与PA管相比,其寿命提高3倍,成本降低近7倍;输送时管内阻力比金属管小25%[1]。

    在散装物料运输中,各种散装的水泥、谷物、食盐、矾土、化肥、煤块等物料需要采用气力输送装置的卸料机来输送。我国沿海接卸进口粮食的港口,在散粮泊位配置了吸粮机、装卸机和圆筒仓,中小港口的多数粮食泊位都配备了固定式吸粮机,均需要相应的耐磨输送管道。到2000年我国水泥散装运量将达到1.7亿t以上,粮食散装运量将有6000万t[12]。由此看来,UHMWPE管在散装物料运输中具有广阔的应用前景。

    (6)化工工业

    化工厂经?;嵊龅较蚋哐狗从ζ魇渌臀锪系奈侍?,如采用回转供料高压压送方式输送矾土、铜烧结矿石、硫胺、氯化钾等,也采用气力输送粉状原料如纯碱、碳粉、粉状涂料、颜料、染料、磷肥粉、洗涤剂、磷矿石、粉状氧化铝、催化剂、硫酸钡、二氧化钛等。在电石生产中,采用正压式输送焦粉、石灰粉等,风送管路为碳钢管,由于磨损大,弯头处需设置耐磨衬里[13]。在塑料制品厂,不仅利用气力输送向单机供料,而且还用于集中供料系统,通过管网将各种原料送至各台塑料加工机械。在合成树脂生产中,气力输送装置用来输送PE,PS,PA粒料及PVC、聚丁二烯、酚醛等粉料。如齐鲁石化公司年产6万tLLDPE装置的气力输送包括粉料输送、掺混均化和颗粒产品的输送[14]。输送塑料颗粒存在的问题是,颗粒磨损产生的粉末会粘附在管壁上形成薄膜[2],如果采用具有自润滑、不粘附特性的UHMWPE管就可减少这种现象。

    (7)矿粉输送

    选矿厂采用干式自磨矿石时,需要用风力将磨好的产品排出。金属矿山和煤矿近年来已开始采用风力填充的新工艺,即利用气力将矸石、炉渣等充填材料抛掷到采空区?;抵斐У闹煊蒙?、煤粉、粘土、铁屑、喷涂铁丸等现在也采用气力输送。输送这些矿粉时,由于磨损严重,普遍钢弯管的使用寿命通常为6个月[15]。煤矿、矿山输送高密度介质也存在钢管易磨损的问题。如某选厂采用钢管输送磁铁粉,钢管平均每4个月就需更换一次;某铁矿使用的长度为300m的铁精粉输送管路为普通钢管时,每年翻转180°,2a即报废[16]。若采用UHMWPE管可显著提高其使用寿命,并能减少维护工作量。

    (8)电厂干除灰

    我国火力发电厂的干除灰系统一般采用负压、低正压和正压输送等气力输送。由于输送速度高达15~25m/s,输灰管道磨损严重,使用寿命短。如某电厂6台机组8条钢灰管输送干灰,其弯头使用寿命仅3个月[17]。在干灰温度较低的情况下,采用UHMWPE管可大大提高使用寿命。

    2 浆体输送

    浆体状固液混合物的输送主要采用以水为载体的水力管道输送方式,输送时易产生磨损、腐蚀、结垢等问题。UHMWPE管以其耐磨损、耐腐蚀、不结垢、磨擦系数低等优点,可替代普通钢管、不锈钢管、特种钢管等在下列领域应用。

    (1)采选矿、冶金

    煤矿、化工矿、铁矿、有色金属矿及非金属矿等的采矿,选矿厂的矿浆输送大量采用管道,如原矿管、尾矿管、精矿管、浮选系统管等。选煤厂输送煤炭洗选所产生的浮选入料、浮选精矿和重介质悬浮液等固液混合物都要用管道输送。据日本统计,输送矿浆的精矿管使用寿命为15000h,原尾矿管最短时为6000h,砂浆填充用管多为6000h,最长时为1000h[18]。目前,我国选矿厂尾矿、精矿输送用管道多为钢管,由于矿浆中含有约30%的铁矿石,对钢管的磨损相当厉害,使用寿命仅为1~2a,且每半年要翻转90°,工作量很大。

    冶金行业的焦炭粉、矿粉、矿浆及冶炼废渣的处理也涉及大量的管道输送。如革钢铁公司的一个选矿厂用于精选各种矿物的输送管路长达60km,对磨损最严重的部位通常几个星期需要更换一次管道,其余管道每隔不长时间就需进行翻转,工作量之大可想而知。我国是煤炭、矿业大国,煤矿多达9万余个[19]。据不完全统计,每年需耐磨塑料矿用管约2万t,若普遍使用,每年需求量在4万t以上,可节约钢材20万t。

    据报道[20],美国联邦环境?;の被峁娑ú煽笠?,特别是矿砂排水操作要采用UHMWPE管。

    (2)水煤浆工程

    水煤浆是一种新型的高粘度液、固混合流体,由约70%的煤粉、30%的水及1%的化学添加剂配制而成,可以像油一样通过管道输送到终点,再经过脱水、干燥处理后送给用户。水煤浆在北京造纸一厂、桂林钢厂、绍兴轧钢厂等厂燃用均取得成功[21]。

    我国自80年代初开始规划了10条不同长度的输煤管道,其中孟-潍管道长达600km[22]。煤炭管道运输是当前解决我国煤炭运力不足的重要运输方式。1998年我国制定的能源工业长期发展计划纲要中明显指出:“要发展管道输煤,输送水煤浆”。目前全国已有北京京西水煤浆厂、山东兖日水煤浆厂等7个水煤浆厂[23]。如采用UHMWPE管,就可抵抗这种高粘度固液混合物产生的磨损和腐蚀现象,并因其具有自润滑性而减小输送阻力。据了解,国内某重点工程为了长距离输送煤头,已花费高价(3万美元/t)从国外购进了大量的UHMWPE管材作为输送管道。

    (3)电厂冲灰

    火力发电厂水力冲灰系统中普遍存在着管内壁结垢的问题。如某火电厂总装机容量为33万kw,冲灰管道长6.5km,灰浆管内结垢速度为53mm/a,每1.5a停运去垢检修一次,人工敲打去垢,工时4个月。运行6a的灰管由于结垢严重几乎堵死,并已将13km的铸铁管报废[24]。又如2台30万kw发电机组,冲灰管2a酸洗一次,除垢后钢管内表面锈蚀非常严重,表层剥落,底部更甚,使用5a管壁减薄4mm以上,入口处100m范围内结垢、锈蚀更为严重。冲灰管除了结垢外,磨损也比较严重,如高井电厂φ273mm×10mm的冲灰管道,直管仅用2a就磨漏,弯头部位更为突出。
    UHMWPE管抗粘附,不易挂灰,可减少结垢现象,即使有一定程度的结垢,清除也比较容易,并且管材耐磨损、耐腐蚀,可大大延长使用寿命,且不需要涂刷防腐涂料,能节省维护费用。国内曾用UHMWPE板材卷制成内衬管做试验,结果表明,基本不结垢,其耐磨性比普通钢管提高了8倍。

    我国现有大型燃煤电厂400余座,小型电厂更多,今后每年将以10家以上的速度增建火力发电厂。每个电厂若需UHMWPE管100t,全国就需几万吨。

    (4)海湖盐化工

    由于UHMWPE管具有极高的耐磨性、耐腐蚀性及耐低温性,可望在海湖盐化工行业盐浆、卤水的输送中发挥重要作用。

    海盐输送目前北方海盐生产的收储工艺流程中,集中式盐田采用大管道输洗;半集中盐田采用小管道输洗?;祷纬〗尉腹锍さ乃艿溃ü芫段?14mm,ф125mm等)输送至筛房。盐化工厂将含有杂质的海盐通过粉碎、洗涤和干燥获得普通精盐产品(又称精洗盐)。从盐坨到洗涤设备之间,各厂大都采用管道水力输送的头道洗涤工序[25]。海盐在钢管输送过程中受到机械和水力的磨擦冲击,盐粒破碎,原盐中的粉盐比例增加(随卤水溢流而去),造成粉盐流失较严重[26],而且,钢管输送盐浆,容易产生结垢现象。塑料管已开始在输盐系统应用,如某盐湖集团公司采盐系统输送管道采用了大口径HDPE管,如果采用UHMWPE管则使用效果更佳,且可吸收冲击能而减少盐粒的破碎。据了解,最近某盐化工厂开始试用UHMWPE管作盐浆输送管道。我国北方海盐年产量占全国盐产量的2/3,气温较低,而UHMWPE管的耐寒性极优。

    卤水输送国外盐厂和制碱厂的输送卤水管道较多,如澳大利亚黑德兰盐场的输卤管道长25km,西德博斯盐矿的输卤管道长达70km。我国海湖盐生产现改传统明沟输卤方式为压力管道输卤;每年开发矿盐也在不断新增和改造管道,如果集中制卤区的管道总长5km,管径为ф100~ф250mm的石棉水泥管输送盐卤达500km以上,一般工作压力为0.2~0.5Mpa,使用效果不一,有的盐场使用1~3a就报废了,最短仅1a就腐烂、破裂[28]。UHMWPE管优良的耐腐蚀性将会大大提高其使用寿命。

    (5)疏浚、排泥

    所谓疏浚就是用挖泥船挖掘港口、江河、湖泊等泥砂,并将泥砂排出的作业。如湖盐船采船运随着生产期的延长,航道和港池内沉积的淤泥、粉盐和粒盐越积越厚,直到影响盐驳的正常航行,所以通常采用绞吸式挖泥船进行疏浚,其附属设备就是水上浮筒、排泥管、水下沉管和陆上排泥管[18]。现在,许多城市护城河、湖泊的清淤也开始采用新工艺,即从水底直接抽吸淤泥浆,经管道实现长距离排送。挖泥船配管中有水上浮动管线、零号及上坡管线、水上架设管线、水底管线、陆上架设管线。这些挖泥配管必须耐波浪、潮流[18]。

    据统计,年均有4亿t的泥沙淤积在黄河河道内。我国将对黄河实施“百船工程”项目,即从国外引进百艘挖泥船对黄河等河流主河道进行清淤治理。每艘船需配备4km泥砂输送管。因钢管易锈蚀、磨损快、笨重,且不易装卸,因而挖泥船输出国要求配用高分子UHMWPE管,仅此项目每年需用耐磨管材8000多t。此外,我国现有挖泥船400多艘,将需耐磨管材15000t以上。

    城市下水污泥是浓度较低的浆状物,欧美、日本等国家和地区早就用管道进行输送,如美国在洛杉矶、芝加哥等地修建了84km管道;日本在东京都、大阪等地修建了50km的污泥输送管道[18]。建筑工程中挖泥工地的输泥管道由于长期暴露在旷野中,经常遭受日晒和雨淋,且泥浆中砂、砾石坚硬易磨损管壁,钢质输泥管的平均使用寿命仅为4a,且每年需要拷铲、涂漆?;?。而用高分子UHMWPE管输送泥浆既耐磨,又可减少维护工作。

    3 流体、气体输送

    UHMWPE管也适于输送各种流体、气体。

    (1)建筑业

    UHMWPE管的冲击强度、耐低温性位于现有塑料管之首,远优于PVC-U管、PP-R管、PB管、ABS管等,有利于抵抗意外冲击和严寒的破坏,而且抗内压强度、耐环境应力开裂性可与交联PE管、铝塑复合管相媲美,因此安全可靠、使用寿命长;因其能吸收冲击能,排水时的消音性优于实壁PVC-U管;用作埋地管时,柔韧性好,地层变动时(如地震)不易被破坏;其使用温度一般为100以下,但由于分子量极高,分子链段移动困难,其热变形温度比普通PE高,如果没有应力的作用,在熔点以上的150~200下,制品的形状也不会发生改变,与交联PE的热性能相似[29]。因此,建筑业的供水管、排水管、污水管、排气管、煤气管、下水管都可采用UHMWPE管。比如,盐化车间内的室内外铸铁排水管,流经管道的多为卤水,或含有酸、碱的污水,再加上地下水的侵蚀,使用寿命通常只有3~4a;沿海地区气候潮湿,带着大量含卤湿空气,使得居民住宅的铸铁排水管锈蚀斑斑[30]。因此,耐腐蚀性强的UHMWPE管大有用武之地。据预测,2000年我国塑料给水管的需求量为10万~15万t。到2010年,全国新建住宅室内排水管的80%将采用塑料管,基本淘汰传统铸铁管;室内上水管采用柔性塑料管的比例将达到30%。这为大力推广UHMWPE管的应用提供了条件。

    (2)水处理

    工业“三废”的腐蚀性较强,如某碱厂通过10km管道排废渣,钢管磨坏后产生泄漏,对周围环境造成危害,碱厂每年购置防腐涂料的费用就达数百万元。某石化公司的污水处理厂,来自各分厂的工业污水经中和、沉淀等工序后,变成泥浆状的污物,排污铸铁管通常3a就磨穿,输送腐蚀性废水处理污泥的不锈钢管使用1a多因磨得太薄而发生缩径现象。据报道,美国菲利浦化学公司的废水处理系统中使用了UHMWPE管材,其设计使用寿命为50a[31]。水处理和废水处理可能是塑料管的另一大市场。据EAP估计,2000年用于水处理和废水处理装置消耗的塑料管大约超过350亿美元[20]。

    (3)化学、制药工业

    UHMWPE管具有优良的耐化学药品性,除强氧化性酸液外,在一定温度和浓度范围内能耐各种腐蚀性介质(酸、碱、盐)及有机介质(萘溶剂除外),其在20和80的80种有机溶剂中浸渍30d,外表无任何反常现象,其它物理性能也几乎没有变化[1]。

    据了解,目前各地的化工厂主要用钛钢管路输送硫酸(发烟)、砂酸、盐酸和各种强碱腐蚀性介质,钛钢价格比高价的氟塑料高1倍以上?;び霉艿墓芫锻ǔN?0~ф76mm,压力一般为0.2Mpa[32]。我国制药设备使用的管路、管接头等主要材质为进口不锈钢,管径通常为ф15~ф108mm,输送压力为0.6~0.8Mpa。UHMWPE管在一定范围内输送腐蚀性化工原料时,可替代价格昂贵的不锈钢管和氟塑料管。

    (4)燃气工业

    天然气、煤气管等要求耐0.4Mpa的压力,其运行的安全性受到重视。80年代后期,英国石油公司开发成功“第三代HDPE”,其较高的重均分子量是保证高的快速开裂阻力的关键因素[33]。UHMWPE的重均分子量在300万以上,脆化温度在-80以下,可推断其具有优良的耐低温快速开裂性。美国菲利浦制品公司曾铺设了1600km的UHMWPE煤气输送管道[31]。

    (5)海水利用、船舶

    据不完全统计,青岛、威海、龙口等地的年海水利用总量已超过8亿m3,广泛用于电力、化工、机械、纺织、食品等工业。由于海水腐蚀较严重,必须采取适当的防腐措施才能保证系统安全运行,目前所采用的管道材料为:循环水干管选用内衬水泥砂浆的铸铁管,支管为加环氧树脂内衬的钢管[34]。耐腐蚀的UHMWPE管可以在该领域应用。
    船舶上的管路较多,如空气通风管、测深管、压载水吸入管、冷水管、盥洗系统、冲洗用管路、炮台冷却水系统、污水管、淡水冷却管、房间和走廊内的常温低压管等。建造一艘15000t油轮,全船的金属管重约207t。船用管过去均为铜管、钢管、铝管和铅管,搬运时不但笨重,劳动强度大,而且耐腐蚀性能差,使用寿命短,一般4~5mm厚的钢管3~4a就会烂穿[35]。UHMWPE管不仅轻便,而且极耐腐蚀,在船上应用的潜力颇大。

    (6)石油工业

    油田是消耗各种管材的大户。据报道[20],石油和天然气市场,特别是二次和三次回采的小块油田,1983年就用了约39000km的塑料管材。我国油田开发已有几十年历史,随着部分油田开发进入中后期,特别是一些油田井液含水增加以及盐碱严重,加快了管道腐蚀速度,仅大庆油田每年就需更换大量的各种管道[36]。目前,在油田应用的主要塑料管为普通PE内衬管,而UHMWPE作为内衬管,具有耐腐蚀、耐磨、输送阻力小等优点。

    4 其它

    日本作新工业公司开发成功的UHMWPE管材,以取代氟塑料管为目标,准备向半导体行业和医疗部门销售[37];厚度10mm以下的UHMWPE薄壁管已用作皮带输送机和抄纸机辊子的包覆管[38]。

    UHMWPE的电绝缘性好,介电强度可达50kv/mm,高于PVC-U管和交联PE管(介电强度分别为23~28,41kv/mm),尤其是损耗角正切值低,故可作为在高频和超高频区间工作的电缆管道[39];并可制作汽车用电缆套管;染整工业中染料液的输送也是它的重要市场[40]。

    将UHMWPE管切制为辊筒,可用作皮带输送线的塑料托辊;切制加工为磨擦领域用的滑动材料,以代替铜套、PA套、PTFE套等。

    UHMWPE的低温性能极为优异,在液氦温度(-269)下仍具延展性,因此可望在制冷技术、低温工程方面开拓应用领域。

    5 结语

    UHMWPE管作为一种综合性能优异的新型工程塑料管材,在输送各种粉体、浆体、流体、气体方面可以广泛地应用,具有广阔的市场潜力。为解决大批量、多品种工业物料输送中管道严重磨损、腐蚀、结垢等问题展现出美好的前景。加快UHMWPE管的开发与应用并开拓新的市场领域应受到人们的重视。

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