新型聚烯烃复合耐磨管道 - 图文

新型聚烯烃复合耐磨管道

1、 前言

耐磨管道是管道行业中一个十分重要的细分市场，耐磨管道主要用于气力、泵送浆体等物料的输送管道。由于输送介质具有硬度高，流速快，流量大等特点，耐磨管能有效降低输送介质长期持续对管壁产生冲击、磨损、腐蚀等使管道产生疲劳致使渐渐被磨穿的速度。耐磨管道广泛应用于化工：如煤粉、硅粉、盐浆、碱浆等固液混合物输送管道；电力：如火电厂除灰、排渣、送粉、回粉、脱硫用工艺管道；冶金：如精矿浆、尾矿长距离管道输送，选矿厂矿物及溶剂工艺管道；水泥：如旋窑湿法生产线的生料浆输送、煤粉输送、提升机的下料、成品水泥气力输送装卸、混凝土输送管道；粮食：如小麦、谷粒、谷壳等的风送管道等等。

由于钢管的耐腐蚀性能和耐磨性能都较差，耐磨管道行业一直以来都在寻求新的化学管道以解决对耐磨性能的要求。国外主要采用钢管内衬橡胶或聚氨酯弹性体（TPU）的办法来生产耐磨管，其工艺流程较复杂，工艺要求较高，成本也较高，主要原因是交联橡胶或交联TPU与钢管表面的粘接强度必须依靠非常严格的材料选择和工艺要求来保证。这种钢衬橡胶/TPU的耐磨管道在国内的应用过程中，常因质量不稳定而发生胶层与钢管脱层进而造成管道堵塞的问题，这一问题严重阻碍了衬胶钢管在国内的推广应用。近年来国内研发了多种材质的耐磨管道，如：合金钢管、合金双金属复合管、内衬陶瓷复合管、铸石复合管等，而发展最为迅速的是超高分子量聚乙烯（UHMWPE）管道。

UHMWPE是由乙烯、丁二烯单体在催化剂的作用下，聚合而成的平均分子量大于150万的热塑性工程塑料。该材料综合性能优越，具有自润滑性、抗冲击性、耐低温、耐腐蚀，耐磨性能优于聚四氟乙烯、尼龙、碳钢等材料，能适应水质流体、固体颗粒、粉体、浆体等的输送。但是，由于UHMWPE的分子量极高，本身几乎不具备流动性能，加工极为困难，用于管道生产的UHMWPE原料实际上都是经过改性处理后的超高改性材料，而在改性过程中加入的各种不同种类和不同用量的添加剂，使市售的UHMWPE管不论是性能还是价格都相去甚远。

本文所介绍的是一种新型的聚烯烃复合耐磨管道，其特点是以聚烯烃热塑性弹性体（GXCG-1101）为内层与高密度聚乙烯（HDPE）共挤出成型的复合管道。这种管道既保持了HDPE管的易加工性和优良的物理机械性能，又具有很好的耐磨性能。这种管道的问世为耐磨管道行业提供了一种高性价比的新选择。

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2、新型热塑性弹性体(GXCG-1101)

热塑性弹性体,简称TPE(Thermal Plastic Elastomer) 是指兼具橡胶弹性和塑料可加工性的一大类材料。GXCG-1101是具有乙烯、丙烯、硅氧烷三元结构的一种新型TPE材料。表1是GXCG-1101的物性指标及典型值，执行标准为Q/58424913-221—2012。

表1 GXCG-1101物理性能

项 目 密度，g/cm3 熔体指数（190℃、2.16kg），g/10min 拉伸强度，MPa 断裂伸长率，% 低温冲击脆化温度,℃ 耐环境应力开裂，F0，h 时效数/试样数, 个 200℃氧化诱导期，min 砂浆磨损率, % 指 标 0.9±0.02 0.5±0.2 ≥20 ≥600 ≤-40 ≥500 0/10 ≥30 ≤0.5 0/10 ≥30 0.27 典型值 0.89 0.6 22 1000 ≤-40 GXCG-1101作为一种新型耐磨材料具有以下优点：

? 具有优异的抗磨耗性能，特别适用于砂浆、水泥、矿渣等输送管道。 ? 流动性好，适用于各种通用挤出机。

? 与聚乙烯、聚丙烯等管道料的相容性好，挤出速度匹配，适用于双层或多层共挤。 ? 具有优良的物理机械性能。

? 卫生安全，不含任何有毒有害添加剂，符合相关卫生标准。 3、 不同材料的磨耗对比试验 3．1 砂浆磨耗试验

砂浆磨耗试验是根据QB/T 2668–2004《超高分子量聚乙烯管材》附录B“砂浆磨损率试验方法”，将不同材料制成相同尺寸的样片，置于砂浆中高速旋转磨擦，历时数小时后取出，测量样片的失重比例，得出不同材料在砂浆中的磨耗率。在不同工矿条件下，不同厂家选择的试验条件略有不同，表2—表4是分别由不同厂家提供的在相同试验条件下测试数据。

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砂浆耐耗试验所用的粗砂 图1：试验装置（1—测试样片；2—砂浆；3—旋转轴）

表2 砂浆耐耗试验结果一

磨耗率 % 高密度聚乙烯HDPE 9.6 交联聚乙烯 超高分子量聚乙烯 PEX 5.2 UHMWPE（250万） 3.7 GXCG-1101 0.27 试验用砂 建筑用河砂 试验条件：砂水比52/48(体积比)；转速1400rpm；时间11h。

表3 砂浆耐耗试验结果二

磨耗率 % UHMWPE 7.0 聚氨酯TPU 1.8 GXCG-1101 1.5 试验用砂 矾钛尾矿粗砂（粒径1～5mm） 试验条件：砂水比52/48(体积比)；转速1400rpm；时间8h。

表4 砂浆耐耗试验结果三

磨耗率 % 钢 (Q235) 0.49 HDPE 0.99 UHMWPE 0.45 耐磨橡胶 0.33 GXCG-1101 0.11 试验用砂 细砂（建筑用河砂） 粗砂(喷砂用石英砂,3—5mm粒径，硬度高。棱角尖锐) % -- 3.48 1.56 0.94 0.74 试验条件：砂水比3/2(体积比)；转速680rpm；时间4h。

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图2：试验用的不同材料样片（从左到右分别为GXCG，橡胶，超高分子量聚乙烯，HDPE）

3．2 阿克隆磨耗试验

阿克隆磨耗试验是一种测试耐磨材料耐磨性能的常见测试方法，将由GXCG-1101制作的样片及橡胶样片一同送往专业的检测机构进行测试，在同样的测试条件下，橡胶的磨耗为0.90cm3, 而改性聚烯烃耐磨管专用料的磨耗只有0.11 cm3 ,可见改性聚烯烃耐磨管专用料的耐磨性能要远远高于橡胶。

图3：阿克隆磨耗试验检测报告

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3．3 砂浆冲击磨耗试验

砂浆冲击磨耗试验的原理是：用砂浆泵将30%固含量的河砂砂浆以一定速度及一定角度向试样表面喷射，测试经一定时间后试样的重量损失。表5是不同材料的砂浆冲击磨耗试验结果对照表。

图4：砂浆冲击磨耗试验装置 表5 砂浆冲击磨耗试验结果

实验1 实验2 实验3 实验4

冲击角度 (°) 86.2 86.5 56.2 26.1

冲击速度 (m/s) 21.64 23.70 21.64 20.95

冲击时间 (h) 1.98 3.95 3.95 3.95

实验结果磨损量(g)

UHMWPE-1 UHMWPE-2 GXCG-1101 0.1205 0.1364 0.1128 0.0570

0.0598 0.1391 0.0736 0.0639

0.0022 0.0022 0.0048 0.0044

HDPE 0.1481 0.2862 0.1650 0.1662

4、 成品管材的磨耗对比试验

4．1 摆动磨耗试验（Darmstadt Test）

摆动磨耗试验的原理是：将不同粒径的砂石按一定比例混配，装入1米长的试验管段中，加入一定量的水后将管端密封，夹持在摇摆机上，摇摆机按一定角度和速度往复摆动，使试验管段内的砂石来回磨损管壁。每经过10万次左右的磨损时更换一次砂石，称量管段的重量损失即为管子的磨损量。图5是摇摆机的工作原理图。图6是普通HDPE管与GXCG/HDPE复合耐磨管磨耗试验后的对比图。 图7是不同材质管道的磨耗结果。

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图5 摇摆机工作原理图

HDPE管 GXCG/HDPE复合耐磨管

GXCG/HDPE复合耐磨管 HDPE管

图6 经过同样的摆动磨耗试验后的HDPE管和GXCG/HDPE复合耐磨管

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磨耗试验结果 磨损量 (克) 180160140120100 02HDPE/GXCG-1101 COMPOSITE PIPE复合管 UHMWPE PIPE 超高分子量管 HDPE PIPE 聚乙烯管 Steel With Coating Material 内衬钢管 80604020 线性 (HDPE/GXCG-1101 COMPOSITEPIPE 复合管) 线性 (UHMWPE PIPE 超高分子量管)线性 (HDPE PIPE 聚乙烯管) 内衬线性 (Steel With Coating Material 钢管) 0 5 10 15 20 25 30 磨损次数(100,000)

图7 不同材质管道磨耗结果

4．2 浆体环管磨蚀试验

环管试验法的试验条件基本上模拟了工业管道输送的实际情况，试验系统是一个完整的环形管路，包括矿浆槽、矿浆泵、变频调速器、试验管段、流量计、调节阀门、浓度与速度标定装置、管道冷却系统等，图8是环管法管壁磨蚀试验系统示意图，图9是试验现场照片。

图8 环管法管壁磨蚀试验系统示意图

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图9 环管法管壁磨蚀试验现场照片

图10 用于测试的不同类型的管道

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磨蚀试验用铁精矿的平均密度为4722千克/米3；矿浆质量浓度为60%；矿浆流速为1.8—2.0米/秒。试验管道内径为50mm；环管总长为30m。每试验60小时换一次矿浆同时检测试验管段的耐蚀量，浆体温度控制在40℃以下。共试验600小时，试验结果见图11。

试验后的钢管 试验后的耐磨管

为了更好的理解该耐磨材料的耐磨性能，我们选取了普通HDPE管，超高分子量聚乙烯UHMWPE管和GXCG耐磨管进行了SEM电镜观察。可以看到GXCG耐磨管比普通HDPE管，超高分子量聚乙烯UHMWPE管表面更光滑。

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图11 不同材质管道浆体环管磨蚀试验结果

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UHMWPE管 GXCG耐磨管 HDPE管

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UHMWPE管 GXCG耐磨管 HDPE管

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5、 工程试验

金石东方GXCG耐磨管现已广泛应用于国内外矿用管道工程，其中包括力拓铁矿、攀钢、紫金矿业、国投青海湖钾矿等。以下为其中一个工程的介绍-洋县钒钛磁铁矿筛选工地。

普通钢制弯头：使用9天后便已磨穿

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金石东方耐磨管制作的弯头

将该耐磨弯头连接在两段管材间用于替代以前使用的钢弯头

经过五个月的使用，拆下观察，几乎没有磨损

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用户反馈：

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6、 管材结构和规格尺寸 6.1. 钢丝网骨架聚乙烯耐磨管

HDPE 外层 HDPE内层 钢丝网增强层 耐磨内层 公称壁厚(mm) 公称外径 (mm) 50 63 75 90 110 140 160 200 225 250 315 355 400 450 500

PN 1.0Mpa 非耐磨层 - - - - 5.5 5.5 6.0 6.0 8.0 10.5 11.5 12.0 12.5 13.5 15.5 3.5 3.0 2.5 耐磨层 - - - - 2.0 PN 1.6Mpa 非耐磨层 4.5 4.5 5.0 5.5 7.0 8.0 9.0 9.5 10.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 18.0 3.5 3.0 2.5 2.0 耐磨层 PN 2.0Mpa 非耐磨层 5.0 5.0 5.0 5.5 7.0 8.5 9.5 10.5 10.5 12.0 13.0 - - - - 3.5 - - - - 3.0 2.5 耐磨层 13

6.2 普通聚乙烯耐磨管

HDPE 层 耐磨内层

公称壁厚(mm) 公称外径 (mm) 50 63 75 90 110 125 140 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 500

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SDR17, PN 1.0Mpa 非耐磨层 - - 4.5 5.4 6.6 7.4 8.3 9.5 10.7 11.9 13.4 14.8 16.6 18.7 21.1 23.7 26.7 29.7 3.5 3.0 2.5 2.0 耐磨层 - - SDR13.6, PN 1.25Mpa 非耐磨层 - 4.7 5.6 6.7 8.1 9.2 10.3 11.8 13.3 14.7 16.6 18.4 20.6 23.2 26.1 29.4 33.1 36.8 3.5 3.0 2.5 2.0 耐磨层 - SDR11, PN 1.6Mpa 非耐磨层 4.6 5.8 6.8 8.2 10.0 11.4 12.7 14.6 16.4 18.2 20.5 22.7 25.4 28.6 32.2 36.3 40.9 45.4 4.0 3.5 3.0 2.5 耐磨层 7、 使用温度及公称压力折减

复合管道允许使用的最大压力 (MOP) 应按下式计算: MOP=PN*f1 PN：公称压力 f1：温度折减系数

温度折减系数 f1

温度 钢丝网骨架聚乙烯耐磨管温度折减系数f1 聚乙烯(PE100)耐磨管温度折减系数f1 0°C﹤t≤20°C 20°C﹤t≤30°C 30°C﹤t≤40°C 40°C﹤t≤50°C 50°C﹤t≤60°C 1.0 0.95 0.90 0.86 0.81 1.0 0.87 0.74 - -

8、 管件和连接

电熔法兰

电熔管件

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电熔三通

法兰连接

内衬耐磨层钢制90度弯头

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9、 工程应用

9.1 化工：固液混合物输送：粉料、浆体输送如煤份、硅粉、盐浆、碱浆等原料输送。含固体颗粒的腐蚀性介质输送。阻燃、抗静电特殊物料的输送。

9.2 电力：火电厂除灰、排渣、送粉、回粉、脱硫用工艺管道。

9.3 冶金：精矿浆、尾矿长距离管道输送，选矿厂矿物及溶剂工艺管道。远距离矿物运送替代传统汽车铁路运输。

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9.4 水泥：旋窑湿法生产线的生料浆输送、煤粉输送、提升机的下料、成品水泥气力输送装卸。混凝土输送管道及弯头。

9.5粮食及食品加工：小麦、谷粒、谷壳等的风送。麦粉抗静电输送。

9.6 河道疏浚

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国投罗钾工程矿浆管、尾矿管

天冠集团输送粗砂管道

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福建紫金矿业

各种矿用管道

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长距离浆体管道

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10、 试验结果与讨论

在长距离高浓度浆体管道输送中，管道内表面的磨蚀（或磨损）是由于运动着的颗粒对管壁的动力作用而引起的。根据管道内浆体流动情况，磨蚀可以分为下列两种主要类型：变形磨蚀和切削磨蚀。

变形磨蚀是固体颗粒的法向碰击引起的，浆体流中的颗粒都具有一定的动能，不停地碰击管壁，使管道内壁承受交变碰撞力，虽然交变碰撞力产生的交变应力低于屈服应力，长期在该应力的作用下将导致管壁表面的变形与破坏。切削磨蚀是固体颗粒斜向碰撞的结果，浆体流中某些颗粒具有的动能将以切削方式磨蚀管壁的表面。由此可见，影响管壁磨蚀的主要因素如下：

（1） 固体物料特征：粒径和粒级组成、颗粒形状、硬度、密度； （2） 流动情况、流态、浓度、流速； （3） 管道材料类型。

从上述各种对比试验中，不难看出以下结果：

1、砂浆中的固体颗粒越大、硬度越高、形状越尖锐，则对材料的磨蚀越大。 2、砂浆冲刷的线速度越大，材料磨耗越大。

3、与塑料相比，橡胶和弹性体材料（耐磨橡胶、TPU和GXCG-1101）耐冲击磨损的能力更强，所以表现出更好的耐磨性能，而GXCG-1101是所有试验样品中耐磨性能最好的一种弹性体材料。

4、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种具有自润滑性能的耐磨塑料，但由于其抗冲击性能不及橡胶和弹性体材料，所以在对抗冲击磨损要求较高的砂浆管道输送相关试验中，虽然其耐磨性能优于HDPE和普通钢材，但不及耐磨橡胶、TPU和GXCG-1101。UHMWPE更适用于在以滑动磨擦为主要受力方式的应用场所。

5、普通HDPE材料与钢材相比其耐磨性能并无优势，但由于HDPE对水及酸碱盐的抗腐蚀性能远优于钢材，所以HDPE管表现出比钢管更好的耐磨性能，这是因为钢材的耐腐蚀性能差所致。

6、GXCG-1101是一种耐磨性能优异的热塑性弹性体材料，其耐磨机理与耐磨橡胶和TPU弹性体相似，一方面通过弹性形变化解固体颗粒的冲击能量，另一方面，当尖锐颗粒

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划伤材料表面后，弹性体能有效地阻止裂纹的延伸。

7、GXCG-1101比耐磨橡胶和TPU表现出更优秀的耐磨性能，是因为GXCG-1101的强度（≥20）和伸长率（≥600%）远高于耐磨橡胶，也略高于TPU所致。

8、TPU是一种耐磨性能优良的弹性体材料，但因分子极性较强，其吸水率较高，抗水解性能也不好，所以在实际应用中对工艺要求较高，产品质量控制难度较大。GXCG-1101是聚烯烃类弹性体材料，是非极性材料，与HDPE、PP化学性质相近，更适合应用于水介质的输送管道，而且GXCG-1101可方便地使用普通挤出机与HDPE、PP实现复合共挤，生产工艺简单，质量保证可靠。所以与TPU相比，GXCG-1101具有更高的性价比优势。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/12bo.html