聚丙烯雙壁波紋管關(guān)鍵性能設(shè)計及加工工藝探討

1、1.1 1.1 聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇 1.2 1.2 聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計 2.1 2.1 波紋管成型設(shè)備波紋管成型設(shè)備 2.2 2.2 加工工藝加工工藝 近年來，塑料埋地用排水塑料埋地用排水/ /排污管道排污管道的市場逐步擴 大。一方面我國越來越重視對于環(huán)境的保護，不 少地區(qū)在大力治理江河湖海的污染。 另一方面對于塑料埋地用排水排污管的研究試驗 和標準及規(guī)范制定工作也逐步有了很大的進展。 通過實際應(yīng)用塑料排水/排污管道的優(yōu)點正在逐步 被認識，很多地區(qū)已大量應(yīng)用。 在各種塑料排水/排污結(jié)構(gòu)壁管道中， 國內(nèi)外的的產(chǎn)量都占據(jù)的產(chǎn)量都占據(jù)

2、塑料排水塑料排水/ /排污管道較多的份額排污管道較多的份額。 現(xiàn)狀：前幾年主要應(yīng)用聚氯乙烯(PVC-U)和高密度聚乙烯 (HDPE)雙壁波紋管，最近才開始探索發(fā)展聚丙烯雙壁波紋 管。 由于PP材料加工流動性能好，且PP的彈性模量比HDPE高， 在歐洲已經(jīng)廣泛應(yīng)用PP雙壁波紋管，近年國外塑料室外排國外塑料室外排 水管越來越多采用高剛度水管越來越多采用高剛度PPPP的結(jié)構(gòu)壁管。的結(jié)構(gòu)壁管。 國內(nèi)的管道生產(chǎn)商一般配備的是HDPE波紋管成型機，而聚 丙烯PP-B材料的模量一般在1100-1300MPa，國外開發(fā)的新 型高模量聚丙烯（PP-HM）材料更高，可達到1900MPa，針 對于不同的材料，通過調(diào)

3、整加工參數(shù)，一定口徑的聚丙烯一定口徑的聚丙烯 雙壁波紋管可在雙壁波紋管可在HDPEHDPE雙壁波紋管成型機上制造雙壁波紋管成型機上制造。 為了制造更大口徑的管道，獲得更多的材料節(jié)省，并且充 分體現(xiàn)PP-HM材料的特性，聚丙烯雙壁波紋管仍然需要在聚丙烯雙壁波紋管仍然需要在 專用專用PPPP波紋管成型機上生產(chǎn)波紋管成型機上生產(chǎn)。 研發(fā)團隊開發(fā)該產(chǎn)品，通過原料配方 設(shè)計提高彈性模量，通過合理的波形設(shè)計 提高了結(jié)構(gòu)斷面的慣性矩，從而達到了提 高波紋管環(huán)剛度、節(jié)約成本的目的。 為體現(xiàn)PP-HM材料的優(yōu)越性，制造更大口 徑的波紋管材，顧地科技是國內(nèi)首家利用 PP-HM波紋管專用生產(chǎn)線生產(chǎn)環(huán)剛度能達 到SN

4、16的聚丙烯雙壁波紋管。 我公司我公司( (顧地科技股份有限顧地科技股份有限 公司，深交所公司，深交所A A股上市企業(yè)，股上市企業(yè)， 股票代碼：股票代碼：002694)002694)，目前目前 公司擁有公司擁有 八大生產(chǎn)基地。八大生產(chǎn)基地。 公司主要從事塑膠管道系統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)以及研究開發(fā)，公司主要從事塑膠管道系統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)以及研究開發(fā)， 目前各種產(chǎn)品系列廣泛應(yīng)用于目前各種產(chǎn)品系列廣泛應(yīng)用于建筑內(nèi)給排水、市政給水、建筑內(nèi)給排水、市政給水、 燃氣、建筑采暖、市政排水排污以及化工排水排污燃氣、建筑采暖、市政排水排污以及化工排水排污等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。 近幾年來公司產(chǎn)品的產(chǎn)量和銷售額均呈快速增長趨勢，近幾

5、年來公司產(chǎn)品的產(chǎn)量和銷售額均呈快速增長趨勢， 公司營銷網(wǎng)絡(luò)遍布華北、華東、西南、西北、華南、華中公司營銷網(wǎng)絡(luò)遍布華北、華東、西南、西北、華南、華中 各區(qū)域，產(chǎn)品暢銷全國各區(qū)域，產(chǎn)品暢銷全國3131個?。ㄊ校?、自治區(qū)，同時遠銷個?。ㄊ校?、自治區(qū)，同時遠銷 中亞、東南亞、非洲等國家和地區(qū)，公司是目前國內(nèi)最具中亞、東南亞、非洲等國家和地區(qū)，公司是目前國內(nèi)最具 規(guī)模和影響力的塑膠建材制造商之一。規(guī)模和影響力的塑膠建材制造商之一。 聚丙烯雙壁波紋管主要應(yīng)用于埋地排水排污管道， 由于排水管大都埋在地下，所以必須承受一定的 外部壓力，因此埋地排水管必須具有一定的剛性 和強度以承受外部的壓力， 。 環(huán)剛度S的

6、定義為： S=EI/D3 式中：E為材料的彈性模量，單位MPa； I為管壁的慣性矩，單位m3； D為管材平均直徑，單位為m。 管材環(huán)剛度主要由管材材料、結(jié)構(gòu)和管材的平均 直徑三個因素決定。 彈性模量取決于材料的選擇，慣性矩取決于結(jié)構(gòu) 斷面的設(shè)計，在結(jié)構(gòu)斷面相同的情況下，結(jié)構(gòu)尺 寸（如壁厚）的變動也會造成慣性矩明顯變化。 目前，提高聚丙烯雙壁波紋管環(huán)剛度的研究主要 有： 1. 1.通過原料配方設(shè)計來提高彈性模量；通過原料配方設(shè)計來提高彈性模量； 2. 2.通過合理的波形設(shè)計來提高結(jié)構(gòu)斷面的慣性通過合理的波形設(shè)計來提高結(jié)構(gòu)斷面的慣性 矩。矩。 1.1 1.1 聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇聚丙烯雙壁波

7、紋管原料的選擇 原料配方設(shè)計的原則就是為提高材料彈性模量提高材料彈性模量從 而提高波紋管的環(huán)剛度。 根據(jù)分子結(jié)構(gòu)不同PP可分為PP-H、PP-B、PP-R三 大類，而PP-B通常用于非承壓的埋地排水排污領(lǐng) 域，一般PP-B模量在1100-1300MPa，高模量的聚高模量的聚 丙烯丙烯PP-HMPP-HM主要基于主要基于PP-BPP-B，優(yōu)化其高分子結(jié)晶過程，優(yōu)化其高分子結(jié)晶過程 和成核過程，實現(xiàn)高剛度和高結(jié)晶度；并采用多和成核過程，實現(xiàn)高剛度和高結(jié)晶度；并采用多 反應(yīng)堆技術(shù)并入分散性能良好的橡膠，實現(xiàn)其抗反應(yīng)堆技術(shù)并入分散性能良好的橡膠，實現(xiàn)其抗 沖強度的提高沖強度的提高。 目前，國外國外可選

8、擇的PP雙壁波紋管的專用料有： 北歐化工北歐化工的設(shè)計的具有島型結(jié)構(gòu)的BA212E彈性模 量為1700MPa，BA222E彈性模量為1900MPa； 韓國曉星韓國曉星公司HB240P彈性模量為1450MPa，HB242P 彈性模量為1770MPa； 巴塞爾巴塞爾H2464彈性模量為1450MPa，H2483彈性模量 為1850MPa; 同時國內(nèi)國內(nèi)我國石化企業(yè)對于高剛度聚丙烯材料處 于研究開發(fā)階段，例如燕山石化、揚子石化等。 1.1 1.1 聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇聚丙烯雙壁波紋管原料的選擇 在相同的環(huán)剛度下，如果材料的模量高，那么慣 性矩就可以更小，這就意味著PPPP管道的波形設(shè)計管道的波

9、形設(shè)計 可以更小更薄可以更小更薄，圖1、圖2分別是聚丙烯和聚乙烯 波紋設(shè)計的示意圖。達到相同的環(huán)剛度，聚丙烯達到相同的環(huán)剛度，聚丙烯 雙壁波紋管的材料更省，成本更低雙壁波紋管的材料更省，成本更低。 1.2 1.2 聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè)計 圖圖1 典型的聚丙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計典型的聚丙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計 圖圖2 典型的聚乙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計典型的聚乙烯雙壁波紋管波紋設(shè)計 PP雙壁波紋管的生產(chǎn)線與PE雙壁波紋管生產(chǎn)工藝 流程類似，都是將混合好的物料（樹脂與一定量 的色母料）經(jīng)過加料斗干燥預(yù)熱然后加入單螺桿 擠出機擠出。波紋管由兩臺擠出機共擠出，一臺 擠出管材外壁，一

10、臺擠出管材內(nèi)壁，物料通過擠 出機螺桿加熱熔融塑化輸送至機頭口模。而管材 內(nèi)壁是通過內(nèi)徑定徑套抽真空再冷卻定型，管材 外壁在內(nèi)部空氣壓力和外部真空吸力的共同作用 下和模塊緊密接觸成型。管材內(nèi)、外壁均勻的熔 合在一起，通過程序控制成雙層在線擴口的成型 過程。 圖圖3 3 聚丙烯雙壁波紋管生產(chǎn)工藝流程聚丙烯雙壁波紋管生產(chǎn)工藝流程 配置采用大螺桿、大擠出量、大扭矩、大長徑比大螺桿、大擠出量、大扭矩、大長徑比， 提供適合于PP材料性能的剪切作用，使物料熔融 塑化均勻，這樣就可以降低擠出機的轉(zhuǎn)速，而避 免過高的提高螺桿轉(zhuǎn)速，對物料的剪切速率明顯 加大而提高物料熔體的溫度，同時可以避免物料 在加工成型過程種

11、產(chǎn)生嚴重的物料下垂現(xiàn)象，造 成雙壁波紋管材的管壁厚度不均勻，剛性降低， 并且難以制成在線擴口成型的雙層壁承插口的雙 壁波紋管的問題。 2.1 2.1 波紋管成型設(shè)備波紋管成型設(shè)備 PP雙壁波紋管的生產(chǎn)采用2臺不同螺桿直徑的單螺 桿擠出機通過機頭復(fù)合而成，一般HDPE雙壁波紋 管生產(chǎn)都配置螺桿直徑較小。 以生產(chǎn)直徑為800的HDPE波紋管為例，管外層螺桿 直徑為90，內(nèi)層螺桿直徑為75，螺桿長徑比為30， 而生產(chǎn)PP波紋管的擠出機配制相應(yīng)的加大，采用 直徑120（外層）/90（內(nèi)層）單螺桿 共擠出機，擠出機螺桿L/D為33。 大口徑（最大口徑1500mm）的聚丙烯雙壁波紋管 則采用直徑150（外

12、層）/120（內(nèi)層）單螺桿共擠 出機，擠出機螺桿L/D為33。 2.1 2.1 波紋管成型設(shè)備波紋管成型設(shè)備 雙壁波紋管成型其關(guān)鍵就在于波紋管成型機，其中包括波 紋成型模塊，擴口成型模塊、擠出模頭水套和真空冷卻系 統(tǒng)四大部分。 成型機選用臥式成型設(shè)備，外形結(jié)構(gòu)較小，模塊左右返復(fù) 運動。由于雙壁波紋管的重要指標是環(huán)剛度，因此要制造 高環(huán)剛度的產(chǎn)品，必須要有合理的先進的波峰形狀。 從上面聚丙烯雙壁波紋管波形設(shè) 計的分析來看，PP管道的波形設(shè) 計更小更薄，這樣的波紋結(jié)構(gòu)， 達到相同的環(huán)剛度，聚丙烯雙壁 波紋管的材料更省，生產(chǎn)線速度 更快。 2.1 2.1 波紋管成型設(shè)備波紋管成型設(shè)備 目前，HDPE

13、雙壁波紋管的加工技術(shù)相對來說比較 成熟，與HDPE波紋管相比較，PP聚丙烯波紋管的 加工工藝參數(shù)主要在于調(diào)節(jié)加工溫度，生產(chǎn)的加 工溫度相對HDPE波紋管要高一些，使用PP-HM的 MFI比較小，為了提高原料的流動速率，保證熔體 均質(zhì)性，需提高加工溫度。在生產(chǎn)過程中，波紋 管主機的關(guān)鍵控制工藝有機筒各區(qū)的溫度，螺桿 轉(zhuǎn)速，典型的聚丙烯雙壁波紋管加工工藝參數(shù)如 表1。 2.2 2.2 波紋管加工工藝波紋管加工工藝 2.2 2.2 波紋管加工工藝波紋管加工工藝 專用料性能專用料性能 材料模量，材料模量，MPaMPa17001700 MFIMFI，g/10ming/10min0.30.3（230230

14、，2.16kg2.16kg） 加工工藝參數(shù)加工工藝參數(shù) 擠出機擠出機150150主機主機120120主機主機 螺桿轉(zhuǎn)速，螺桿轉(zhuǎn)速，rpmrpm24242121 機筒溫度，機筒溫度，230-240230-240200-220200-220 熔體壓力，熔體壓力，MPaMPa20-2120-2112-1312-13 模具溫度，模具溫度，200-240200-240 成型機速度，成型機速度，M/minM/min0.290.29 擴口速度，擴口速度，M/minM/min0.310.31 表表1 1 聚丙烯雙壁波紋管（聚丙烯雙壁波紋管（DN/ID 1000DN/ID 1000）加工工藝）加工工藝 雙層壁承

15、插口的擴口成型是生產(chǎn)雙壁波紋管的重 要工藝技術(shù)控制關(guān)鍵，PP雙壁波紋管的擴口是在 生產(chǎn)線上一次完成，因此稱為在線擴口，所以其 擴口難度大，工藝技術(shù)含量較高。當雙壁波紋管 在擴口時，首先要關(guān)閉水套真空，然后釋放夾層 氣，要求將夾層內(nèi)的氣體全部排盡，再打開壓縮 空氣閥，使模塊擴口部分的管材內(nèi)壁迅速充氣， 同時管材外壁擴口部分模塊抽真空，然后要求控 制好擴口速度和擴口空氣壓力，這樣才能保證雙 層壁承插口擴口成型完好。 2.2 2.2 波紋管加工工藝波紋管加工工藝 通過采用配置采用大螺桿、大擠出量、大扭矩、 大長徑比的，優(yōu)化成型機波紋設(shè)計的聚丙烯雙壁 波紋管專用成型設(shè)備，選用聚丙烯雙壁波紋管專 用料，

16、通過合理調(diào)整工藝參數(shù)，生產(chǎn)的聚丙烯雙 壁波紋管直徑可達到1500mm，DN/ID1000的聚丙烯 雙壁波紋管典型性能如表2。從表2中可以看出， 其環(huán)剛度已達到SN12.5，還保持了良好的抗沖擊 性能，而如今市場上HDPE雙壁波紋管的環(huán)剛度等 級最大達到SN8。 項目項目結(jié)果結(jié)果要求要求 管材密度（管材密度（g/cmg/cm3 3）0.910.91/ / 環(huán)剛度（環(huán)剛度（kN/mkN/m2 2） 11.411.4（放一天）（放一天） 各環(huán)剛度等級要求各環(huán)剛度等級要求12.512.5（放七天）（放七天） 14.014.0（放十一天）（放十一天） 環(huán)柔性環(huán)柔性 內(nèi)壁無破裂、內(nèi)壁無破裂、 兩壁無脫開兩

17、壁無脫開 GB/T 19472.1-2004GB/T 19472.1-2004要求：要求： 試樣圓滑，無反向彎曲，無試樣圓滑，無反向彎曲，無 破裂，兩壁無脫開破裂，兩壁無脫開 烘箱（烘箱（150150，30min30min） 無氣泡，無分層，無氣泡，無分層， 無開裂無開裂 GB/T 19472.1-2004GB/T 19472.1-2004要求：要求： 無氣泡，無分層，無開裂無氣泡，無分層，無開裂 沖擊性能沖擊性能(TIR)/%(TIR)/%10101010 表表2 2 聚丙烯雙壁波紋管（聚丙烯雙壁波紋管（DN/ID 1000DN/ID 1000）性能）性能 表2結(jié)果討論: 聚丙烯雙壁波紋管的

18、環(huán)剛度大小與管道存放時 間有關(guān) 狀態(tài)調(diào)節(jié)時間24h后，測試管材環(huán)剛度為11.4； 七天后環(huán)剛度提高為12.5； 存放十一天后，環(huán)剛度繼續(xù)增加14.0。 分析認為該管材環(huán)剛度隨著存放時間延長而提高 與所用的專用料PP-HM（北歐化工BA212E）結(jié)晶過 程有關(guān)，其結(jié)晶性能以及影響結(jié)晶的因素（加工 過程的溫度、剪切速率）還需進一步研究。 據(jù) Phillip Townsent Associate咨詢公司的 Durand的報告，由于PP排水排污管材更好的性能 和更便宜的價格，未來在歐洲年增長率可達15%。 目前，PP雙壁波紋管在我國已經(jīng)起步，有很好的 前景，隨著我國城鎮(zhèn)化步伐加快，以及國家大型 重點工

19、程的實施，市政管道用量將會巨增。 隨著PP雙壁波紋管專用成型設(shè)備的誕生，該管道已能夠產(chǎn) 業(yè)化，憑借管道本身諸如高剛性、良好沖擊性、柔性、重 量輕、壽命長等一系列優(yōu)勢，再加上良好的市場環(huán)境，聚 丙烯雙壁波紋管將是埋地用排水排污領(lǐng)域HDPE雙壁波紋管 的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 該產(chǎn)品將在污水處理和雨水收集等國民經(jīng)濟發(fā)展重點方面 廣泛應(yīng)用，其相關(guān)標準及規(guī)范也應(yīng)該加快步伐，做好該產(chǎn) 品性能的管控，以保證期使用壽命，達到預(yù)期的完美效果； 另一方面，國內(nèi)對于該產(chǎn)品專用料的開發(fā)明顯落后，這與 市場的發(fā)展速度很不相稱，應(yīng)加快專用料的國產(chǎn)化步伐。 近年來，塑料埋地用排水塑料埋地用排水/ /排污管道排污管道的市場逐步擴 大。一方面我國越來越重視對于環(huán)境的保護，不 少地區(qū)在大力治理江河湖海的污染。 另一方面對于塑料埋地用排水排污管的研究試驗 和標準及規(guī)范制定工作也逐步有了很大的進展。 通過實際應(yīng)用塑料排水/排污管道的優(yōu)點正在逐步 被認識，很多地區(qū)已大量應(yīng)用。 國內(nèi)的管道生產(chǎn)商一般配備的是HDPE波紋管成型機，而聚 丙烯PP-B材料的模量一般在1100-1300MPa，國外開發(fā)的新 型