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哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 钢骨架塑料复合管道成型技术研究 摘要 钢骨架塑料复合管的特殊结构使其具有了金属管道和塑料管道的优点， 解决了金属管道耐压不耐腐、塑料管道耐腐不耐压的问题，引领了管道向防 腐兼有耐压的发展方向。钢骨架塑料复合管产品主要是管材及其配套管件， 其加工制造的方法是高密度聚乙烯和己成型钢骨架复合形成，生产过程繁 琐，熔体流动复杂，容易出现成型缺陷，有必要对钢骨架塑料复合管成型过 程进行系统的研究。 首先，本文深入研究了管材的挤出加工成型工艺及模具设计原则，以 d n l 0 0 管材挤出模具为例，运用p o l y f l o w 软件，对d n l 0 0 管材挤出模具 熔体流动过程进行了有限元分析，探讨了入口流量和牵引速率对熔体流动的 影响，结合实际生产情况对最优参数进行了数值分析，探讨了熔体流动规 律，得出了模具型腔内熔体压力、速度、剪切率和粘度等参数的分布情况。 其次，深入研究了管件注塑加工成型工艺，探讨了管件注塑模具结构及 其相应的设计原则。以d n 6 5 管材配套管件一三通和直管件为例，运用 m o l d f l o w 软件，对熔体流动过程进行了有限元分析，验证并探讨了实际 生产工艺条件下熔体流动和制品冷却、翘曲的情况，得出了填充效果、温度 分布、制品推出最高温度、制品翘曲因素等参数的分布情况，分析了影响管 件成型质量的因素。 最后，对模拟参数进行了实验验证，证明了成型理论的科学性和模具设 计原则的合理性。 关键词钢骨架塑料复合管；m o l d f l o w ；p o l y f l o w ；数值模拟 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nm o l d i n g t e c h n o l o g yo f s t e e lr e i n f o r c e dp l a s t i c sp i p e a bs t r a c t s t e e lr e i n f o r c e dp l a s t i c sp i p eh a sb o t ht h ea d v a n t a g e so ft h es t e e lp i p ea n d t h ep l a s t i c sp i p ef o ri t ss p e c i a ls t r u c t u r e ，w h i c hs o l v et h ep r o b l e m si n c l u d i n g w i t h s t a n d i n gp r e s s u r ea n de a s yc o r r o s i o no ft h es t e e lp i p ea n da l s o c o r r o d e r e s i s t i n ga n dn o tw i t h s t a n d i n gp r e s s u r eo ft h ep l a s t i c sp i p e ，a n dt h i sl e a d st h e d i r e c t i o no fp i p e sd e v e l o p m e n tt oa n t i c o r r o s i o na n dw i t h s t a n d i n gp r e s s u r e t h e p r o d u c t so fs t e e lr e i n f o r c e dp l a s t i c sp i p ea b em o s t l yp i p e sa n dm a t c h i n gp i p e f i r i n g s i t sp r o c e s s i n gm e t h o di st h ef o r m a t i o no fr e c o m b i n a t i o no fh d p e w i t h t h ef o r m e ds t e e ls k e l e t o n ，m e a n w h i l e ，t h ep r o d u c i n gp r o c e s si sf u s s y t h ef l o wo f t h em e l ti sc o m p l e x ，a n dt h ed e f e c t so ff o r m i n ga p p e a re a s i l y , s oi ti sn e c e s s a r yt o m a k es y s t e m a t i cr e s e a r c hi n t ot h ef o r m i n gp r o c e s so ft h ep r o d u c t s f i r s t l y , t h i sp a p e r , e x p l o r e st h ee x t r u s i o nm o l d i n gt e c h n o l o g ya n dd e s i g n g u i d e l i n e so fp i p ei nd e t a i l t a k i n gt h ed n l0 0e x t r u s i o nd i ea sa ne x a m p l e ，t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef l o wo fm e l ti nt h ed n l0 0e x t r u s i o nd i ei sd e v e l o p e d u s i n gt h ep o l y f l o ws o f t w a r e ，a n dt h ee f f e c t so f t h ei n f l o w sf l o w i n gr a t ea n d 也ep u l l i n gs p e e do nt h ef l o w o fm e l ta r er e s e a r c h e d c o m b i n i n gt h er e a l p r o d u c i n gs i t u a t i o n ，t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sa b es i m u l a t e da n da n a l y z e d t l l e f l o wo fm e l ti sd i s c u s s e d ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n so fp r e s s u r e ，t h es p e e d ，t h es h e a r r a t ea n dt h ev i s c o s i t yi nt h ee x t r u s i o nd i ea r eo b t a i n e d s e c o n d l y , t h ei n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i n g i sd e e p l yr e s e a r c h e d ，t h e s t r u c t u r eo ft h ei n j e c t i o nm o l d sd e s i g na n di t sd e s i g ng u i d e l i n e sa r es t u d i e d t a k i n gt h ep i p ef i r i n g s t i j o i n tt u b ea n ds t r a i g h tf i r i n go f t h ed n 6 5p i p e ，t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef l o wo fm e l ti sd e v e l o p e du s i n gt h em o l d f l o w s o f t w a r e t h ef l o wo ft h em e l t ，t h ec o o la n dw a r po ft h ep r o d u c ta b ec h e c k e da n d i n v e s t i g a t e di n t h e p r a c t i c a li n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i n g r n l e f i l lt i m e ， t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，m a x i m u mt e m p e r a t u r e ( p a r t ) ，w a r pe t c a b eo b t a i n e d - i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a n dt h ef a c t o r so ft h ee f f e c to nt h ep a r t sq u a l i t ya r ea n a l y z e d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o np a r a m e t e r sa r ev e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t s ，t h e s c i e n t i f i c i t yo ff o r m i n gt h e o r ya n dt h er a t i o n a l i t yo ft h ep r i n c i p l e so fm o l dd e s i g n a r ep r o v e d k e y w o r d s s t e e lr e i n f o r c e dp l a s t i c sp i p e ，m o l d f l o w , p o l y f l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文钢骨架塑料复合管道成型技术 研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：砀，彳 日期渺j 年4 月7 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 钢骨架塑料复合管道成型技术研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用授权书。 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：条，彳 日期耐年年月7 日 导师签名：孑矿j 套 日期p 踏年年月7 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 管道就像人体的血管，遍布国家城乡，在人们正常的生产、生活中扮演着 重要角色，是促进经济建设的基础设施，是一种不可或缺的重要运输方式，可 以说管道输送技术在一定程度上标志着一个国家的能源与化工工业的发展水 平。 管道一般分为：金属管道、非金属管道和复合管道三种。 金属材料制造的管道称为金属管道，如钢管、铸铁管和铝合金管等。金属 管道是较早产生并被广泛应用的管道，因其具有刚性好、强度高等优点而得到 广泛的应用。但是随着现代工业的发展，金属管道的一些缺陷也慢慢的凸现出 来，比如：抗腐蚀性能差；水利学性能差；预防腐蚀费用的高；体积笨重不方 便运输和安装；运行费用高，使用寿命短；制造过程中消耗的能源多并且存在 有环境污染等，致使金属管道的应用受到了很大的限制。相对于金属管道而 言，非金属管道能够更好的适应现代工业发展的需求，所以世界各国都在积极 努力推进非金属管道的发展与应用。 非金属管道是由非金属材料制成的管道，其中最常用的是塑料管材，如聚 乙烯( p e ) 塑料管道、聚氯乙烯( p v c ) 塑料管道、玻璃钢管道等。非金属管道一 般具有耐腐蚀、不结垢、内壁光滑低阻力、质轻耐磨、安装简便等优点，但其 存有强度低，刚性差，抗冲击性差，线膨胀系数大，抗蠕变性能差等缺附。 由于非金属管道的突出优点，同时随着非金属材料科学的进步，非金属管道材 料的性能提高，非金属管道的应用领域和数量也迅速得到提高。 复合管道是由两种以上同化学成分的物质或不同组织的物质以宏观形式制 造而成的新型管道，它所组合的原材料应该是相容和互补的。复合管道一般是 以增强骨架、合成树脂粘结剂和塑料制品经过一定的成型方法制作而成，如金 属骨架塑料复合管道、非金属玻璃纤维增强骨架复合管道和钢丝缠绕增强塑料 复合管等。 这种复合管道材料通常具有良好的机械性能、阻热性能、耐酸、碱、盐等 腐蚀性能，以及耐多种油类和有机溶剂的性能。由于复合管道生产工艺先进、 成本较低、性能优良、施工费用低且技术易配套，所以深受世界各国普遍重 哈尔滨理工大学工学硕 ：学位论文 视，复合管的应用领域也越来越广泛。欧、美、日、俄等管道工艺发达的国家 早在上世纪7 0 年代就开始研究复合管生产技术，目前已经进入工业化生产阶 段，同时复合管道生产工艺与技术在许多发展中国家也都相继获得了快速发 展。由于复合管道具有良好的内外防腐性能，所以在石油、化工等领域的应用 较为广泛。复合管适用于在这些领域输送原油、含水及硫的天然气、油田污水 等介质，能够满足防腐需要，几乎不被强腐蚀介质腐蚀，同时复合管道在输送 这些介质时也不结垢，可以确保管道3 0 年以上的设计寿命，并展示了复合管 良好的应用前景。 因此，近年来人们一直在寻找一种新型管道来代替现有的防腐保温金属管 道，复合管道的开发与应用是解决这一难题的首要途径。目前，我国使用的复 合管道主要是钢骨架塑料复合管，它的问世代表了全世界的管道同时向防腐和 耐压发展的趋势，为管道业的发展提供了一个新的方向，其普及推广将带动中 国乃至世界管道业的技术发展。钢骨架塑料复合管的规模化生产，不仅填补该 领域内的空白，而且将带动一大批相关行业的发展【2 】。 1 2 钢骨架塑料复合管 钢骨架塑料复合管道是哈尔滨工业大学星河实业有限公司研制开发的，其 制造工艺与成套装置已获两项美国发明专利，三项中国发明专利和一项中国实 用新型专利【3 】。钢骨架塑料复合管管材产品主要包括钢骨架塑料复合管材和钢 骨架塑料复合管件，如图1 1 所示： b ) a ) 管材b ) 管件 图1 一l 钢骨架塑料复合管产品 f i g 1 1 p r o d u c t so fs t e e lr e i n f o r c e dp l a s t i c sp i p e 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 1 2 1 钢骨架塑料复合管的产品结构 1 2 1 1 钢骨架塑料复合管管材结构钢骨架塑料复合管管材是由低碳钢丝缠绕 焊接成管状钢丝网作为增强骨架，增强骨架被热塑性聚乙烯紧密包裹，形成钢 骨架塑料复合管材的管壁，如图1 2 所示。 架 图1 2 钢骨架塑料复合管管材横截面结构图 f i g 1 2c r o s ss e c t i o ng r a p ho fs t e e lr e i n f o r c e dp l a s t i c sp i p e 增强骨架是由筒状钢丝网组成，它是应用电阻焊技术将数根经、纬线钢丝 焊接而成的，如图1 3 所示。所采用的钢丝通常是低碳钢丝( 如q 2 3 5 等) ，并要 求纬线钢丝抗拉强度达到4 0 0 - 5 0 0 m p a 。 图l - 3 管材增强钢丝网 f i g 1 - 3s t e e lw i r em e s ho fs k e l e t o nr e i n f o r c e do fp i p e 钢丝表面要求光滑平整，无划伤、油污等缺陷，同时为了避免经、纬线钢 丝在存放期间出现问题( 如氧化等) 影响焊接质量，需要对钢丝进行表面处理， 使其具有一定的耐蚀性和导电性能，目前常用的表面处理方法主要是镀铜和磷 化处理【4 1 0 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 针对不同管径、不同用途的钢骨架塑料复合管，所选用的经、纬钢丝直径 及形成的网格密度也不相同。以普通工业用复合管为例，网格密度及钢丝直径 见表1 1 。 表1 1 钢丝增强骨架网格密度及钢丝直径 t a b l e l - 1d e n s i t yo f m e s ha n dd i a m e t e ro f s t e e lw i r eo f s k e l e t o nr e i n f o r c e d 公称内径 d m m 5 06 58 01 0 01 2 51 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 网格密度 9 o x 9 o x 9 o x9 o x9 o x9 o x9 o x9 o x9 0 1 2 o 1 2 o x1 2 o x1 2 o x m m m m 9 0 9 09 o9 09 09 o9 09 09 o1 2 o1 2 01 2 01 2 0 经 钢丝 线 2 o2 02 02 02 o2 o2 o2 52 53 03 o3 53 5 直径 m m纬 线 2 o2 02 02 02 o2 52 53 03 o3 53 54 04 0 纩：南架 - 鳘一卜专斗 嶝、：励 、 锣 、，釜巨矽7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图1 5 三通管件增强骨架 f i g i 一5s k e l e t o nr e i n f o r c e do f t - j o i n tt u b e 1 2 2 钢骨架塑料复合管的基体材料 钢骨架塑料复合管是一种结构性壁管材，适用于中、低压介质的输送，例 如燃气管、排污管、给水管、输油管等，成型管材所用的基体材料选用高密度 聚乙烯，为了增强钢骨架塑料复合管的抗老化性能，聚乙烯原料中必须加入抗 氧化剂、紫外线稳定剂，同时为了使管材具有特定的颜色，必须加着色剂等。 聚乙烯是一种热塑性高分子物质，按照密度的大小可以分为三类：密度为 o 9 1 0 9 2 5 9 c m 3 的，称为低密度聚乙烯( l d p e ) ；密度为0 9 2 6 - 0 9 4 9 c m 3 的， 称为中密度聚乙烯( m d p e ) ；密度为0 9 4 - - - 0 9 6 5 9 c m 3 的，称为高密度聚乙烯 ( h d p e ) 。一般情况下，高密度聚乙烯强度高、刚性好；而低密度聚乙烯强度 低、塑性好。钢骨架塑料复合管要求既有较好的刚性，又要有较好的柔韧性， 因此多采用中密度聚乙烯( m d p e ) 和高密度聚乙烯( h d p e ) 。 聚乙烯作为钢骨架塑料复合管的基体材料，它的结构与性能也就决定了乙 烯管材的性能。聚乙烯的结构是由大分子链相互穿插缠结而成的，如图1 - 6 所 示。 聚乙烯的破坏通常是由于分子链的断裂或解缠而造成的。对于聚乙烯管 材，在正常使用压力和环境条件下，破坏的原因主要是由于在应力作用下聚乙 烯发生蠕变而产生的分子链缠绕相互脱开。因此，只要控制在应力作用下聚乙 烯发生蠕变的速度，就可以提高聚乙烯管材的使用性能。 根据研究表明，影响影响聚乙烯蠕变速度的主要因素f 5 】： 内因：分子缠绕程度。分子缠绕程度越高、越合理，聚乙烯蠕变速度越 慢。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 外因：温度和应力。温度越高、应力越大，聚乙烯蠕变速度越快。 分子z 间穿插分子 图1 6 聚乙烯结构示意图 f i g 1 6s t r u c t u r a ld i a g r a mo fp e 钢骨架塑料复合管是一种新型复合管材，为了保证加工过程的成型质量和 制品质量，作为基体原料的聚乙烯应满足表1 2 所规定的基本性能。 表1 2 聚乙烯原料基本性能 t a b l el - 2b a s i cp e r f o r m a n c eo fp e 项目性能要求 密度( k g m d ) 7 j 蝴( m g k 9 1 ) 熔体流动速率( 1 9 0 ，5 k g ) ( g m i n 。) 拉伸屈服应力m p a 拉伸模量m p a 挥发分含量( m g k 9 1 ) 碳黑含量 热稳定性( 2 0 0 。c ) m i n 耐环境应力开裂( 1 0 0 * c ，1 0 0 ，f o ) h 耐快速开裂扩展m p a 耐气体组分( 8 0 c ，2 m p a ) h 弯曲蠕弯模量m p a 极限拉伸强度m p a 断裂延伸率慌 _ 9 3 0 8 5 2 0 _ 1 0 0 0 0 5 三3 0 8 0 0 3 2 8 0 0 6 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 续表( 1 2 ) 堕旦性能要求 钢球压痕硬度m p a 肖氏硬度 切口冲击强度( m j m m - 2 ) 线膨胀系数( 1 c - i ) 2 0 0 c 时热导率( w m - 1 - c - ! ) 体电阻率( q e m ) 表面电阻( n c m ) 介电强度( k v c m 1 ) 介电常数( 2 x1 0 6 h z ) 长期静液压强度( 2 0 ，5 0 年，9 5 ) m p a 通过实践和研究发现，生产钢骨架塑料复合管对p e 材料的强度要求比纯 p e 管对p e 材料的要求低，这是因为钢骨架塑料复合管的结构改变了塑料内部 的应力分布，也就是说，用较低等级p e 材料生产的s p e 管在性能上可优于纯 塑管用高等级p e 材料生产的同规格产品。 目前，我国钢骨架塑料复合管原料还主要依赖进口，如德国赫斯特的 t 3 、北欧化工的h e 3 4 7 0 和髓3 4 9 0 、菲纳的h p 4 0 1 、新加坡的s p 4 8 0 、韩国 大林的t r 4 8 0 等管材专用料。 1 2 3 钢骨架塑料复合管的性能特点 钢骨架塑料复合管的特殊结构使其具有了金属管道和塑料管道的优点，同 时又相互弥补了两种材质管道的缺陷。钢骨架塑料复合管的成型是把塑料和钢 骨架牢固的复合在一起，充分发挥了两者的优势，使其具有不可比拟的多方面 优良性能【6 】： 1 2 3 1 耐腐蚀性能以金属为基体的管道腐蚀可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和 物理腐蚀。钢骨架塑料复合管中的金属钢骨架完全被塑料包裹，而塑料采用的 是进口高密度聚乙烯，具有较好的化学稳定性，在2 0 环境下不溶于绝大多数 无机和有机溶液，可耐许多由酸、碱、盐引起的腐蚀，因此，管材内外表面具 有相同的防腐性能，用于地埋或存在腐蚀的环境下，十分经济方便【7 8 】。 坫一嘴一一踟播狲 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 3 2 耐磨性能钢骨架塑料复合管的内壁绝对粗糙度( i 啪为0 4 7 1 t i n ，比钢管 的r a ( 约2 0 5 0 1 u n ) d , 1 0 0 倍。对于输送粉状物料、液体及气固混合物料有着良 好的耐磨性。并且不结垢，同样口径的钢骨架塑料复合管的输送能力比钢管提 高2 0 3 0 t 9 1 0 j 。 1 2 3 3 绝热性能钢骨架塑料复合管道适用温度为4 肛8 0 ，绝热性能好，热 导率近似认为h d p e 的热导率( 0 4 3 w 触k ) ，比钢管的热导率( 7 5 w m k ) 小的 多。其面积散热量仅为钢管的l 3 ，所以在热损失要求不高的情况下可不作保 温处理【1 1 1 。 1 2 3 4 耐压、耐温性能钢骨架塑料复合管其钢骨架网是主要承载体，它在管 道输送介质时承担大部分压力，并且约束塑料的蠕变、收缩和膨胀变形，它能 把管内的径向压力转换成轴向拉力i l 羽。实验证明，它的承载能力是相同壁厚纯 塑料管的几倍。塑料管材的强度在其使用温度范围内一般随温度的提高而降 低，温度每提高1 0 ，其强度约降低1 0 以上，由于钢骨架塑料复合管中钢 骨架网的主要承载作用，所以其强度随使用温度的提高而降低的程度低于纯塑 料管。实验结果表明温度每提高1 0 ，钢骨架塑料复合管的强度降低在5 以 下。 j 1 2 3 5 抗快速开裂和环境应力开裂性能快速开裂是指管材在冲击应力作用 下，管壁沿轴向以很快速度开裂的偶然性、突发性破坏方式，在管材直径大和 使用温度低的情况下更易发生。环境应力开裂是指管材在与环境介质接触时或 在组合应力作用下，从管材表面开始，逐步产生的脆性开裂现象。钢骨架塑料 复合管的抗环境应力开裂性能非常优异，根据美国布鲁特迈独立实验室实验结 果可以推断出，在2 0 条件下，预期服务寿命达1 0 0 年，允许温度高于4 0 连续服务5 0 年以上。 1 2 3 6 耐冲击性和尺寸稳定性钢的弹性模量通常是高密度聚乙烯弹性模量的 2 0 0 倍左右，由于钢骨架的加强作用使复合管的钢性、耐冲击性及尺寸稳定性 优于任何一种纯塑料管。同时它还是一种柔性结构，从而使该管具有刚、柔并 济的特点，具有很好的装卸、运输、安装性和可靠的运行性。地下安装可有效 承受由于沉降、滑移、车辆等造成的突发性冲击载荷。 此外，钢骨架塑料复合管还具有自示踪性、环保绿色、热膨胀系数小、性 能价格比高、市场用量大等优点。 综上所述，钢骨架塑料复合管集钢、塑材料优点于一体，不但具有优越的 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 综合性能，而且具有理想的性能价格比。 1 2 4 钢骨架塑料复合管的应用前景 钢骨架塑料复合管的出现符合世界管道向复合管道发展的趋势，并因其卓 越的综合性能，所以可以应用到广大管道运输领域，具有广阔的发展空间。主 要有： 1 2 4 1 油田油田集输管、污水管、原油、成品油输送管、油井注入管、卤水 处理管等，介质中含有大量的水和某些腐蚀性的物质，使钢质管的使用寿命只 有几年，而使用钢骨架塑料复合管道，可以大大延长使用寿命。现有输送天然 气、液化气等燃气的管道大多采用外表面加上起防腐和保温作用的保护层的钢 管，普遍存在易老化、成本高等缺点，而纯塑料管道不可避免存在外泄问题。 钢骨架塑料复合管能够弥补这些方面的不足，更可靠、安全1 1 3 l 。 1 2 4 2 煤炭、冶金、矿山、化工等领域钢骨架塑料复合管可以广泛应用于粉 煤灰、灰渣、煤粉和矿浆的输送；酸碱盐、化肥、农药、制药等行业中腐蚀性 介质输送的工艺管道和排放管道；也可以用作工程用管、泵送用管等。 1 2 4 3 市政工程和建筑钢骨架塑料复合管与传统的铸铁管、镀锌管道、水泥 管道等相比具有多方面优点，特别是作为给水管，对引用水没有污染，作为排 水管，不泄露污水。 管道运输作为五大运输方式之一，具有运输平稳、安全、保质、经济、污 染小等优点，广泛应用于人类生活、工业、国防等各个领域。 我国原油年产量约为1 6 亿吨，是世界第五大产油国。而有关专家预计， 我国原油产量在2 0 1 0 年前后将达到1 8 2 亿吨。同时天然气产量也将大幅增 长，目前是2 0 0 亿立方米，2 0 1 0 年可能达到6 0 0 - 8 0 0 亿立方米。油气管道产 业目前在我国还是新兴产业，真正能形成管网的只有东北地区、华北地区、华 东地区，天然气只有四川形成了管网，西部地区只是油区内部的管网，没有形 成干线与管网连接，而中西部油气管网还不完善，尤其是成品油管道，严格意 义上说应该还是空白【1 4 5 1 。 西部大开发是中央面向新世纪的重大决策，“西气东输”是实现西部大开发 战略的重要内容之一。根据我国四大油区五大气区探明的油气储量，原油生产 潜力最大的是在中西部地区，天然气资源也都集中在西部地区，但是市场主要 在东部，尤其是东南沿海地区。于是“西油西气东输”是必然趋势，建立长距离 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 的输油输气管线是我国油气工业的必然选择。最终我国将形成三大管网，第一 类是原油管网，保证油田产多少油，运多少油，炼厂需要多少油，就供多少 油，以保证国民经济发展的需要。第二类是成品油管网，优化资源和燃料结 构，选择最方便快捷的通道作为成品油管道。第三类是天然气管网，天然气管 网的建成将对国民经济建设和人民生活质量的提高产生不可估量的影响1 1 6 1 7 1 。 钢骨架塑料复合管凭借其优越的性能，可以广泛应用于石油、化工、煤 炭、冶金、火力发电、制药及市政建设等相关领域，适用于石油及石油产品介 质的输送、城镇工业民用供水、软化水输送、聚合物介质输送以及食品( 液体 介质) 的输送，同时在介质输送过程中不产生二次污染，市场前景十分广阔。 1 3 课题的主要研究内容 钢骨架塑料复合管道兼有金属管道和塑料管道的优点，应用领域也越来越 广泛，因此对其成型工艺的研究逐渐引起了人们的重视，但主要还是通过实践 积累的一些经验，并未形成完善的理论。本论文将借助数值模拟技术，对钢骨 架塑料复合管成型过程进行系统研究，并有针对性的进行了实验验证，主要内 容如下： 1 深入探讨钢骨架塑料复合管产品成型工艺，总结和完善其成型理论和模 具设计原则。 2 利用数值模拟技术，对钢骨架塑料复合管材挤出成型过程进行模拟，获 得塑料熔体在模具型腔中的流动规律，并探讨工艺参数对管材成型质量的影 响，从而进一步验证管材挤出成型理论及其挤出模具设计原则，然后结合实际 生产工艺，验证模具设计的实用性、合理性。 3 针对钢骨架塑料复合管配套管件的注塑成型，利用数值模拟技术对其成 型过程进行模拟，研究塑料熔体在模具型腔中的流动规律，结合实际生产实 验，从而进一步验证管件成型理论、其注塑模具设计原则以及模具设计的实用 性、合理性。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章钢骨架塑料复合管管材成型研究 本章对钢骨架塑料复合管的挤出成型工艺进行系统的研究，完善其成型工 艺理论，并结合成型理论对挤出模具的设计原则进行探讨。 2 1 管材成型工艺研究 钢骨架塑料复合管的制造过程分为两大部分：增强骨架的焊接成网和塑料 挤出复合成型。 具体流程是：纬线钢丝是按一定螺距缠绕于经线钢丝上的，焊接时与筒型 支持电极对应的滚式电极随纬线钢丝的缠绕而旋转，当其与支持电极发生电接 触时产生焊接脉冲电流，从而将纬线钢丝焊接到经线钢丝上。与此道工序同步 进行的是将塑料加入挤出机内加热成熔融状态，再将管状钢丝骨架网与从挤出 机得到的熔融状态塑料一起连续地送入复合管成型模腔，钢丝网与塑料复合后 进行冷却定型。冷却定型后得到的复合管由牵引机引出，根据长度需要由定长 切割机进行切割。最后是将切割后的复合管送至旋风车床，在旋风车床上对复 合管的端部及外圆进行车削，在注塑机上对切割后暴露钢丝的端面进行二次注 塑封口，具体流程如图2 - 1 所示。 图2 - 1 管材制造工艺流程图 f i g 2 - 1f l o wd i a g r a mo f t h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f p i p e 钢骨架塑料复合管的管材生产线是一套专用的生产设备，由增强骨架钢丝 网焊接设备、专用挤出机、专用注塑机、成型机、冷却装置、牵引装置、切割 机及配套的辅助装置等组成。该生产线机械自动化程度高。每道工序都是由计 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 算机控制。 钢骨架塑料复合管管材生产制造过程具有以下特点： 1 绕焊成网钢骨架塑料复合管在成型管材之前，要将经线、纬线钢丝焊接 成网，因此采用了连续缠绕和同步焊接结构，此方法使增强骨架网焊点牢固， 承载力大。同时，在焊接过程中为了满足不同口径管材的焊接需要，可随时方 便的通过调整导通角达到调整焊接电压和电流的目的。 2 复合成型由于复合管管材中含有增强骨架，在成型机头的设计中必须留 出钢网的通道以便成型，因此采用了独特的内、外成型相结合的复合机头结构 形式。 在工艺参数的选用上，既要考虑聚乙烯原料的熔体流动稳定性，又要考虑 与钢丝骨架的复合。由于生产管材选用的是高密度聚乙烯，其结晶度高，结晶 熔化潜热大，故在挤出成型过程中需要严格控制温度，主要控制料筒、塑料通 道和内外成型机头的温度。一般情况下，温度控制采取口模温度低于机身最高 温度，这主要是因为聚乙烯材料熔体粘度比较低，成型温度范围宽，降低温度 有利于提高成型性，使制品更密实，此外可节约能源、提高生产效率。实践证 明，在挤出过程中熔体温度控制在1 8 0 2 2 0 、挤出压力9 1 8 m p a 范围内成型 质量较高，大口径复合管材塑料熔体温度和压力相应要高些。 3 冷却方式经、纬线焊接过程中将产生大量的热能，使整个焊接区发热， 为使焊点处温度高，而其它区域温度低，在电极内部设有散热装置，采用惯性 水冷技术，依靠转动惯性作为循环动力冷却电极。另一方面，复合管管材以内 径尺寸为标准，在复合成型过程中采用双面高效的强制冷却方式，即内定径套 的内冷与外表面冷却水喷淋相结合的方式。这种方法降低了内径的表面粗糙 度，又提高了管材的耐磨性，使管道输送能力大大提高。 4 履带牵引由于钢骨架塑料复合管材所需的牵引力是普通纯塑料管材的几 倍，因此在牵引机的设计上增大了包角和接触面积，使每条履带的牵引力达 1 0 0 0 0 n 以上，很好的满足了工艺需要。同时由于钢骨架塑料复合管在成型过 程中，经线盘通过数根经线对牵引速度产生阻力，因此螺杆转速、牵引速度必 须匹配，以控制管材挤出壁厚。在生产中根据不同管材口径的需要，配置了四 种单螺杆挤出机。通过调整可使牵引速度控制在0 2 o 4 m m i n 、螺杆转速控制 在2 0 - 6 0 r p m 范围内。通常管径大取较低的牵引速度和较高的螺杆转速。 5 旋转锯带切割由于复合管材的特殊结构，使用普通的塑料管材切割锯将 降低其使用寿命。因此设计了专门的旋转锯带切割锯，并采用自动化控制，切 口偏差小，运行平稳。 2 2 管材挤出模具设计原则 在管材挤出成型的过程中，熔料与增强钢丝网牵引方向成一定角度【i s l ，由 导入段进入流道，进入后迅速包裹着钢丝网，进入压缩区后压实，经过定型区 后在牵引装置的作用下匀速前进成型出管材，图2 2 所示为钢骨架塑料复合管 管材挤出模具结构示意图。 1 2 3 l 。阻尼螺钉2 均料套3 口模 图2 - 2 复合管挤塑成型模具装配简图 f i g 2 - 2a s s e m b l ys k e t c ho fe x t r u s i o nm o l do fc o m p o u n dp i p e 复合管管材外成型机头的结构设计主要是确定口模、芯模以及定径套的形 状和尺寸等，为保证复合管壁厚的均匀，在机头内还必须设置调节装置。外成 型机头的设计一般可从扩展、压缩和定型三个部分来考虑如图2 3 所示。 设计过程中主要参数有压缩比c 、压缩角口、扩展角a 、口模定型段长 三，、口模总长工、口模内径晚、芯模外径玖。这些参数的选择是在最大生产量 前提下，满足口模出口线速度相等，即等速挤出并在机头内产生一定的压力 降，以保证管材的结构尺寸与致密性【1 9 2 0 。 1 压缩比c 成型机头应有足够的压缩比，以使管材制品致密。压缩比是指 熔体流道腔内最大截面面积与口模出口环形截面积之比。对于钢骨架挤出成型 机头而言，可定义为膨胀套处最大环面积与口模出口环面积之比。高密度聚乙烯 属低粘度聚合物，可取c _ 3 “。 2 扩展角a 从筛孔套出来的塑料熔体为了进一步塑化，并形成薄环状则先 通过膨胀套的扩展区域流道，相当于纯塑料管材挤出模具的分流区。扩展角度 应小于纯塑料管材挤出模的分流角，控制在5 1 0 0 范围内比较合理。 哈尔滨理工大学工学硕：上学位论文 图2 3 外成型机头简化示意图 f i g 2 - 3s i m p l i f i e ds c h e m a t i cd i a g r a mo f e x t e r n a le x t r u s i o nm o u l d 3 压缩角从扩展区域流出的熔体经过一段平直流道，就进入膨胀套的压 缩区域，使塑料熔体进一步受到剪切、塑化。压缩区的压缩角及长度对复合管 成型非常重要，直接影响管材的光洁度及管材内在质量。压缩角p 可与扩展角 相等，控制在5 1 0 0 范围内，长度控制在口模平直长度的o 8 1 5 倍范围。 4 口模和芯模直径口模和芯模是成型复合管所需尺寸和形状的重要部件。 其中，口模内径成型管材外表面，芯模外径成型管材内表面，是重要的工艺参 数。复合管离开口模后由于压力突然下降到零，塑料出现因弹性回复而膨胀的 现象，复合管截面积将增大，又由于牵引和冷却收缩的影响，复合管截面积也 有缩小的趋势。因此，要综合考虑这两方面因素。可按下式计算： 口模内径 砬= q 见( 2 - 1 ) 芯模外径 广= _ 芦：= q = 研一i ( 研一研) ( 2 2 ) 式中：o k 为1 ：3 模内径( m m ) ；d x 为芯模外径( n u n ) ；d o 为管材外径( n 蚰) ；d i 为 管材外径( m m ) ；a 为与塑料性质、1 3 模温度、压力有关的经验系数，可取 0 9 1 3 ；，为拉伸比，指口模平直段的环形缝隙面积与管材截面积之比，可取 1 啦1 2 。 5 成型段长度这一参数的确定非常重要。因为塑料通过定型部分长度时， 料流阻力增加，可使挤出制品更加密实；同时也使料流稳定均匀，利于消除螺 旋运动。三，确定与制品的壁厚、直径大小、形状、塑料品种以及牵引速度等因 素有关【2 1 1 。定型段长度三j 亦不易过长和过短。过长时，料流阻力增加过大： 而过短时，又起不到定型作用。国内目前按以下方法确定l i ： 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 三，= ( 0 4 1 ) d 或l r = ( 5 - 1 0 ) 8( 2 - 3 ) 式中：d 为管材外径( 舢m ；蹒管材壁厚( 瑚咀1 ) 。 6 定型套钢骨架塑料复合管要保证内径尺寸，因此采用内定径定型方式， 如图2 - 4 所示。在定径套内，管材必须得到充分固化，因此定径套是模具设计 的关键尺寸，设计是否合理直接关系到管材冷却与定型。定径套设计参数取决 于管材尺寸、塑料性能、挤出速度等影响因素。对于小口径钢骨架塑料复合管 定型长度可取4 0 0 5 0 0 m m ，而大口径钢骨架塑料复合管定型长度则应取 7 0 0 n 8 0 0 m m 。为了有利于控制内径公差，定径套外径应比管材内径大2 4 。 1 内定径套2 管壁面3 冷却管 图2 - 4 定型套结构简图 r i g 2 - 4s t r u c t u r ed i a g r a mo fs i z i n gs e t 7 壁厚调节为了获得壁厚均匀的挤出制品，必须设法使口模和芯棒的中心 线严格地同心并使塑料均匀地挤出。在钢骨架塑料复合管的挤出机头设计中， 通过多个阻尼螺钉来调节各个方向注射塑料的流量大小，保证壁厚均匀。 2 3 本章小结 本章对钢骨架塑料复合管材的挤出成型过程进行了理论研究，探讨了增强 骨架的绕焊成网、骨架和塑料复合成型、冷却及定型等工艺过程，总结完善了 成型理论，挤出成型工艺参数的合理选择要求：熔体温度控制在1 8 0 - - - 2 2 0 ( 2 、 挤出压力控制在9 1 8 m p a 范围内；结合成型理论，对钢骨架塑料复合管材挤 出模具的设计原则进行了探讨，一般设计原则为：压缩比( o 取3 “、扩展角( 叻 取5 1 0 0 、压缩角取5 l o o ，而1 ：3 模、芯模、成型段等参数设计可以依据经 验公式( 2 1 卜( 2 3 ) 进行计算。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章管材成型模拟分析及实验验证 本章首先介绍了模拟分析使用的p o l y f l o w 软件，以d n l 0 0 管材挤出成 型为例，根据挤出模具设计原则，建立物理模型，对管材挤出成型过程进行数 值模拟，深入研究塑料熔体的流动规律，进一步完善成型理论，利用实验，验 证挤出模具设计原则的合理性。 3 1p o l y f l o w 软件介绍 p o l y f l o w1 2 2 2 3 】是基于有限元法的计算机流体动力学( c f d ) 软件，专用于 粘弹性材料的流动模拟，1 9 8 2 年由比利时l o u v a i n 大学研发，1 9 8 8 年成立了 公司，1 9 9 7 年被世界著名的流体分析软件公司f l u e n t 公司收购删。 p o l y f l o w 具有强大的解决非牛顿流体以及非线性问题的能力，可以解 决聚合物、橡胶、食品、玻璃等力n - r _ 过程中遇到的等温非等温、二维三维、 稳态j e 稳态的流动问题。并且p o l y f l o w 软件的升级和非牛顿流体力学数值 模拟技术的发展密切相关，p o l y f l o w 软件集成了当今最新、最完善而适当 的运算法则，它的本构方程也是基于该领域最新的研究成果。其适用于聚合物 材料的挤出成型( 包括直接挤压、反向挤压、混合挤压等) 、吹塑成型、模压成 型、热成型、涂复成型等各种成型工艺的模拟计算，还可应用在热传输流涎薄 膜、纺丝、共混、渗流、玻璃熔炉中的流动、轮胎面的制造与设计等。 p o l y f l o w 软件包括5 个主要模块：g a m b i t 、p o l y m a t 、 p o l y d a t a 、p o l y s t a t 、f l e n t p o s t ( f i e l v i e w ) ，它们由一个主控程序 p o l y m a n 来执行，其结构如图3 1 所示。 其中g a m b i t 是前处理模块，用于创建几何模型、划分网格、设定边界 和子域，用户也可以通过接口直接导入p a t a