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摘要：大管径高密度聚乙烯硬质聚氨酯预制直埋保温管在运输、施工、运行过程中出现部分开裂现象，通过化学成分分析、结构分析和力学性能检测，明确其开裂原因为高密度聚乙烯外护管因生产过程中冷却不均匀，其内部产生较大应力，形成应力分层，大大降低了其塑性变形量，断裂伸长率不足，从而导致高密度聚乙烯管材在受外部环境影响时容易出现开裂现象。经过生产工艺改进和实验最终确定通过改进喷淋装置的喷淋方式和设置管材内冷却装置来实现高密度聚乙烯管材的均匀冷却，从而解决大管径厚壁高密度聚乙烯外护管开裂问题。

关键词：聚乙烯；运输

中图分类号：    文献标识码：A    文章编号：

高密度聚乙烯硬质聚氨酯预制直埋保温管自 20 世纪八十年代引入国内，因其良好的保温性能、材料稳定性能和使用寿命长等特点广泛应用于市政供热、工业供冷等项目上。产品引进国内后在生产工艺和产品性能上并没有太大的提升，尤其是在大管径高密度聚乙烯硬质聚氨酯预制直埋保温管的生产上，一直未能解决其大管径厚壁高密度聚乙烯外护管开裂问题。导致大管径厚壁高密度聚乙烯外护管开裂问题可能原因有多种，如高密度聚乙烯颗粒杂质含量高、色母与高密度聚乙烯颗粒熔体质量流动速率差值过大、生产设备参数设定不准确等。根据生产中型号为Φ1420×18mm，外护管为Φ1640×16mm 的保温管在使用过程中出现外护管开裂进行取样分析，旨在找到高密度聚乙烯外护管开裂的原因及改进措施。

在开裂外护管管体选取典型部位截取试样进行化学成分分析、结构分析、力学性能检测，并对裂口进行扫描电镜和能谱分析，对缺陷管材进行拉伸试验。

缺陷保温管道外护管沿轴向条形开裂取样，图片见图一

图一

1 2.1  化学成分分析
化学成分检测结果
化学成分（质量的分数%）

(C2H4)n    C    C7H8    C36H70CaO4    C30H58O4S
97.02%    2.91%    0.087%    0.003%    0.019%
四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯 其它    0.021%    0.027%
根据上述化学成分分析，各化学式成分占比均符合要求，其中杂质含量为 0.027%，低于标准要求，高密度聚乙烯外护管部分开裂原因并非由成分配比和杂质含量高原因引起的。

2.3  结构分析
高密度聚乙烯外护管使用的聚乙烯树脂为线型低密度聚乙烯，线型低密度聚乙烯是由多个-CH2-构成，同时也有部分 a-烯烃的参与，其作为一种线性聚合物其内部分子链都是成交错连接的，这就使得塑性变形较好，延伸率较高，材质好的高密度聚乙烯外护管无较大内部应力残余的情况下其延伸率可以到 400%以上（国标 GB/T29047-2012 要求≥350%） ，完全满足外护管的塑性变形量，适当外部环境力不会导致其开裂[1] 。

2.4  力学性能分析
按照国标 GB/T29047-2012 取样要求，在开裂外护管管体选取典型部位截取试样 12 个，进行力学拉伸试验，以确定其强度和延伸率

从上述实验数据分析可知，高密度聚乙烯外护管随着拉伸屈服强度的增大其断裂伸长率呈下降趋势，同时在出现分层的试样中断裂伸长率都不合格，据此可以判断造成高密度聚乙烯外护管断裂伸长率不足是因为其内部出现应力分层造成的。
造成高密度聚乙烯外护管应力分层的主要原因是由于生产过程中冷却不均匀造成，传统工艺生产高密度聚乙烯外护管的冷却环节是在挤出成型的高密度聚乙烯管上方设置喷淋管，利用冷却水进行喷淋，冷却水首先接触管材上部后顺管材圆周方向流下，自此过程中，冷却水首先是和管材局部接触，升温后环绕管材流下，管材的冷却是由顶部向圆周方向逐步冷却，且也是由管外壁向内部逐渐冷却，其生产工艺势必导致管材冷却不均匀，尤其是在大管径厚壁管材上更明显。

3 结论和改进措施
造成大管径高密度聚乙烯硬质聚氨酯预制直埋保温管开裂原因有多种，但其主要原因是因为管材生产过程中因为冷却不均匀，从而导致管材内部应力过大，形成应力分层，大大降低了其塑性变形量，断裂伸长率不足，从而导致高密度聚乙烯管材在受外部环境影响时容易出现开裂[2] 。
因此，在改进环节，可以通过加强外护管的方式，形成对高密度聚乙烯硬质聚氨酯预制直埋保温管的全方位保护，减少应力的影响，基于此，改进以生产强度高、韧性好、抗老化、耐环境应力的高密度聚乙烯外护管为目标。具体来讲，在原料的选择上，可以选择基础聚乙烯树脂、稳定剂、抗氧化剂等作为原料，经过对原料性能以及组分的比对，该配方为生产高密度聚乙烯外护管的最佳方案：1000kg 牌号为 2480的聚乙烯颗粒、0.2kg 的抗氧化剂 1010、0.2kg 的抗氧化剂DLTP、30kg 的炭黑质量、0.3kg 的硬脂酸钙质量。

在预处理环节，由于聚乙烯是一种吸水性较差的材料，其水分含量低，原料中如果有吸湿性颜料，如炭黑，其含水量将会明显增大，水分过大会导致材料内外表面出现粗糙、气泡，生产环节为了降低对表面质量造成的影响，可以使用塑料混炼机，以加温的方式实现保持原料干燥；原料处理应保障实时间充足，否则产品质量也会受到影响，但如果处理时间过长，尤其是加温时间过长很可能导致聚乙烯材料降解，因此，最佳的预处理时间为 20min。
在冷却点设置环节，冷却温度处在 20℃时，在规格为Φ400mm的外护管上选择5个冷却点能够获得最佳的外观效果。在电晕处理环节，电晕处理过程中外电极应采用铝质或不锈钢材质等具有耐腐蚀性的材料，而内电极也建议采用不
易腐蚀的导体，通过均匀布置环体，利用高压实现局部放电，产生电晕放电，增强聚乙烯外护管表面张力，使其与保温层之间紧密粘接。
在牵引速度控制上，牵引机是实现塑料挤出的主要设备，需要根据塑料的厚度、性能、尺寸公差等参数控制牵引速度，但需要始终保障其与塑料挤出速度相匹配。

在生产环节，通过改进高密度聚乙烯外护管的生产工艺，将传统的顶部喷淋水冷却改为环管材 360 度喷淋冷却，并增减管材内部冷却循环风系统，在管材出模具头后实现外表面同时均匀冷却，并实现管材内外壁的同时冷却，以减少管材内部应力的产生，从而彻底解决大管径厚壁高密度聚乙烯外护管开裂问题。

参考文献
[1]魏振堃,蒋明,张起欣,etal.内压作用下聚氨酯消防水带管径变化研究[J].消防科学与技术,2017(1):86-89.
[2]陈阳,郑中胜,于雅泽.浅析聚氨酯-丙烯酸酯柔性壁的减阻性能[J].热电技术,2018(2):63.