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1、杆 建蟓 中 国 科 技 核 心 期 刊 柔性增强热塑性塑料管厘的 发展和市=l历 前景 孙哲 , 孙振国 , 刘惠明 , 俞雅俊 ( 1 浙江工业大学 建工 学院, 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 ; 2 中国新型建材 设计研 究院, 浙江 杭州3 1 0 0 0 3 ; 3 上海金纬管道设备制造有 限公司 , 上海2 0 1 8 0 4 ) 摘要 : 介绍了柔性增强热塑性塑料管( R T P管) 的结构、 性能和应用领域, R T P 管在国内外的生产及应用情况、 几种典型 R T P管 的结构及生产工艺 、 R T P管发展的市场前景, 提出了发展 R T P管存在 的问题和建议。 关
2、键词 : 热塑性管道: R T P 管道; 柔性增强; 生产工艺; 市场前景 中图分类号 : T U 5 3 2 6 1 文献标识码: A 文章编号 : 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 9 7 0 5 De v e l o p m e n t a n d ma r k e t p r o s p e c t o f t h e fle x i b l e r e i n f o r c e d t h e r mo p l a s t i c p i p e ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i
3、 n g a n d A r c h i t e c t u r e , Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 , Z h i a n g , C h i n a 2 C h i n a N e w B u i l d i n g Ma t e r i a l s D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e , Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 3 , Z h e j i a n g , C
4、 h i n a : 3 S h a n g ha i J we l l P i p e Eq u i p me n t Co L t d , S h a h g h a i 2 01 8 0 4, Ch i n a ) O 前言 近年来, 建筑、 市政、 水利、 农业和工业等行业对塑料管道 的需求不断增大, 拉动了我国塑料管道行业的高速发展。 在提 高生产能力和应用量、 增加产品种类、 扩大应用领域、 促进产 业科技进步、 加强标准化建设等方面, 我国塑料管道行业取得 了很大的成绩, 已成为塑料管道生产和应用大国。 “ 十二五” 期 间,塑料管道产量的增长速度将保持在 1 0 左右,预计到
5、2 0 1 5 年, 全国塑料管道产量将超过 1 3 2 0 万t , 塑料管道在全 国各类管道中的市场占有率超过5 0 t ” 。 塑料有许多公认的独特优点,但是强度较低是其明显的 缺点。 因此, 全塑料管的应用必然受到限制。 利用其它高强度 材料与塑料复合制造增强复合管是国内外一直在努力探索的 课题。钢管具有强度高、 能应用于高压力范围的优点, 但存在 易氧化腐蚀、 寿命较短、 施工复杂等缺点; 塑料管( 如P E管) 则正好与钢管相反: 耐腐蚀、 施工简便, 但由于强度较低, 只能 应用于中、 低压范围, 而且大多不能制成盘管。为克服塑料管 收稿 日期: 2 0 1 3 0 8 2 4
6、; 修订 日期 : 2 0 1 3 一 t 1 - O l 作者简介: 孙哲, 女, 浙江杭州人 。地址 : 杭州市下城区潮王路 1 8号 E- ma i l : h z s z g 2 0 0 6 1 2 6 e o m。 和钢管的缺点, 各种结构形式的复合管材应运而生。 可以制成 很长连续盘管的增强热塑性塑料( R T P ) 管相比于金属管道就 具有了独特的优势。R T P 管一出现,就受到了相关行业的追 捧, 同时, R r r P复合管道生产工艺先进、 成本低、 性能优良、 施 工费用少且技术易配套, 为此深受各国的普遍重视, 美、 德、 法、 英、 日、 俄等国家早在2 0 世纪7
7、 0 年代就开始研究R T P 复 合管的生产技术, 目 前已经投入工业化生产。 1 R T P管简介 柔性增强热塑性塑料管( R e i n f o r c e d T h e r m o p l a s t i c P i p e , 以下简称R T P管) , 是一种柔性、 长距、 耐高压的增强型绿色 环保管材。 R T P管通常由3 层构成( 见图1 ) , 内外层为P E 8 0 、 图 1 R T P管道结构示意 N E W B Ul L D I NG MA T E R I AL 5 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m孙哲 , 等: 柔性增强热塑
8、性塑料管道的发展和市场前景 P E I O 0以上的材料, 中问层为增强材料复合而成的增强带, 增 强材料可以为聚酯纤维、 芳纶纤维或钢丝等。 由于 R T P管实现了大中口 径高压管材成卷包装运输和 施: , 每卷长度2 0 0 2 0 0 0 m不等, 相对于其它的大中口径管 以6 9 m直管供货, 不仅降低了运输费用, 更重要的是使管与 管之问的连接接头大大减少了, 可靠性也大大的提高, 施工的 速度提高了数十倍,运输和施工费用降低了约7 0 , R T P 管 已经在国外许多石油输送及天然气输送领域中大量成功使 用。 柔性增强热塑性塑料复合管通常以高密度聚乙烯 ( H D P E )
9、8 0 级以上的塑料、 高强纤维或钢丝绳为主要原料, 经 过挤出、 成型、 缠绕、 外覆、 卷取等工艺, 生产出长度超千米 的高压柔性管材。 采用不同的增强层材料及外覆材料, 还可以 得到各种不同压力等级、 不同性能的R T P管材。 1 1 R T P管的优点 ( 1 ) 耐腐蚀,R T P 管内 外管壁均具有良 好的防腐性能, 适 用于多种腐蚀性介质及各种腐蚀性环境。 ( 2 ) 耐高压,R T P管具有较高的承压能力。 通过选择不同 的增强材料, 最大承压可达3 2 M P a , 爆破压力更可高达 1 0 0 MP a 。 ( 3 ) 耐温保温, R T P 管的使用温度范围宽为一 4
10、 2 1 0 2 c c , 可满足大多数场合的温度需求; 在温差3 0的情况下, 每百 米温降不到 1 。 ( 4 ) 输送能力强, R T P管内壁光滑、 不结垢、 不结蜡, 流动 阻力小, 耐磨损, 输送能力持久不变, 降低了输送管线的维护 成本。 ( 5 ) 柔韧性好, R T P管韧性极高, 具有良好的耐冲击性, 抗 土壤沉降、 地震等能力强。 安装时可通过蛇型布局进行自 然补 偿, 不需要直管段热补偿装置, 从而节约安装成本。 ( 6 ) 施工便捷, R T P管可像电缆一样盘卷铺放施工, 每天 可铺设1 2 k m ; 拉伸强度高, 铺设管道时, 长时间最大拉力可 达5 t ,
11、瞬间最大拉力可达1 0 t 。 ( 7 ) 接头少, R T P 管单根长度可达2 0 0 2 0 0 0 m , 因此接头 很少, 可靠性更高, 节约了成本。 ( 8 ) 性价比高,根据德国威肯公司资料显示, 与碳钢管道 比较, R T P 管可节约投资2 5 以上。 ( 9 ) 使用寿 命长,彤 【P 管的常规设计寿命为2 0 年, 最高 可达 5 0 年。 表1 为R 1 P管材与其它材质管材的性能对比。 9 8 新型建筑材料 2 0 1 3 1 2 表 l R T P管材与其它材质管材的性能对比 项 目 R T P管 钢管 不锈钢管 玻璃钢管 材质高 丝 钢 不锈钢 承压能力 中高压
12、高压 中高压 高压 防腐处理 不需要 需特殊处理 不需要 不需要 防腐处理层整体防腐, 对硫 蚀 防腐效果整体防腐 点腐蚀现象 腐效果不佳 流体流 、 安全性整条管线不泄漏 易泄漏 不易泄漏 易泄漏 接头数量 极少 多 多 多 连接方式 简单 、 快捷 简单、 耗 时 简单 、 耗时 简单、 耗时 备 安装效率 1 0 k m d 2 k m d 2 k m d 2 k m d 维护 维护较少 数次 年 维护较少 1 2次 年 供货形式盘卷 , 达 k m 卷 直管 直管 直管 1 2 R T P管材的主要应用领域 按照压力等级和管径的不同, R T P 管道大致可应用于 3 个不同的领域:
13、( 1 ) 小口 径高压柔性管道( 5 2 5 M P a ) , 直径5 0 1 5 0 m m, 盘卷管。用于油田注水等。 小口径高压柔性管道用来替代目 前油田 注水使用的钢管 和玻璃钢管, 因为耐腐蚀性好, 并且以盘卷形式供应, 方便铺 设, 所以取代的优势非常明显, 如果性能可靠、 价格合理, 能够 取代传统的钢管和玻璃钢管。 ( 2 ) 小口 径中压柔性管道( 1 6 5 M P a ) , 直径 1 0 0 2 0 0 m m , 盘卷管。 用于油田和矿山 输水、 输气、 输浆, 工程和市政抢险或 者临时铺设的管道。 小口径中压柔性管道用来替代目 前油田和矿山使用的钢 管和玻璃钢管
14、, 因为耐腐蚀性好, 可以盘卷供应, 方便铺设( 尤 其在沙漠、 海滩等环境中) , 如果性能可靠、 价格合理能够逐步 推广使用。 工程和市政抢险中要大量使用管道, 近年来质量轻、 连接 和铺设方便的塑料管道被逐步看好,在地震和矿难救灾中发 挥了巨大的作用。 在国家重视“ 民生” 的政策下, 将会有较好的 市场前景。 ( 3 ) 大中口径的低压管道( 1 6 M P a ) 用于城乡输水管道。 直径1 0 0 1 6 0 0 m m或者更大,直径2 0 0 m m以下以盘卷形式 供应,直径2 5 0 m m以上直管供应。在这个领域预计市场较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .
15、c o m孙哲, 等: 柔性增强热塑性塑料管道的发展和市场前景 大, 但是竞争的产品也会很多, 如P E管、 P V C管等。 2 国内外 R T P复合管生产及应用情况 2 1 国外 R T P复合管的生产及应用情况 ( 1 ) 加拿大 F l e x p i p e S y s t e m s I n c 公司所生产的商品名 为F l e x p i p e l i n e p i p e ( F P L P ) 的R T P 管, 其结构特征是3 层复 合( H D P E 一 玻璃纤维增强层一 H D P E ) , 经预处理的玻璃纤维缠 绕在内管上作为增强层, 由于玻璃纤维没有涂覆环
16、氧树脂, 因 此保留有一定的柔软性, 可盘卷长管, 长度可达到2 1 0 0 m 。 提 供 3 个产品系列, 压力等级分别达到2 0 M P a 、5 2 M P a 、 1 0 3 M P a , 目前最高可达 1 7 2 M P a 。 F l e x p i p e 提供的尺寸是2 英寸( 5 0 m m ) 、 3 英寸( 9 0 m m ) 、 4 英寸( 1 1 0 m m ) 和6 英寸( 1 5 0 m m ) 。 标准的管材有一黑色外 护套层, 提供最少 2 0 年的抗紫外线( U V ) 暴晒保护。 作为特殊 定货,可以提供白色的F l e x p i p e 管材,应用
17、在要求低吸热场 合, 同样提供最少2 0 年的抗紫外线( u V ) 保护。 主要市场在加 拿大和美国的石油、 天然气开采业。 ( 2 ) 美国F I B E R S P A R公司的L i n e P i p e 管为2 层复合( P E 一 玻璃纤维增强环氧树脂) , 通常内衬层用H D P E , 较高温度用 P E X , 特殊要求可用P V D F 。制造成可盘卷长管。 F I B E R S P A R的 L i n e P i p e在北美提供的尺寸范围在 D N 6 5 1 5 0 m m , 压力等级范围在2 1 1 7 5 M P a , 连续长度最长 达2 英里( 3 2
18、 1 9 m ) ( 取决于尺寸和卷盘的容量) , 产品主要用 于石油、 天然气的输送。 ( 3 ) 奥地利的P i p e l i f e N e d e r l a n d B V 生产的商品名为 S o l u F o r c e的R T P管道, 其结构特征是3 层复合, 即P E内衬 层一 芳纶纤维增强带或钢丝增强带一 P E外护套层。 可盘卷成长 管。其常用规格为: 直径3 、 4 英寸( 9 0 、 1 1 0 m m ) , 最大工作压 力2 9 1 5 M P a 。该公司产品被应用于石油天然气集聚管道、 注水管道。 ( 4 ) 英国We l l s t r e a m的F
19、l e x s t e e l 管, 3 层复合( P E内衬 层一 钢增强层一 P E外护套层) , 可盘卷长管。产品直径为2 、 3 、 4 、 5 、 6 英寸( 5 O 、 9 0 、 1 1 0 、 1 2 5 、 1 6 0m m ) , 最大工作压力等级为 5 2、 6 9 、 1 O _ 3 、 1 5 5 MP a 。 ( 5 ) 法国T e c h n i p C o fl e x i p公司的R T P C O F L E L I F T管, 3 层复合 ( P E内衬层一 芳纶纤维或钢丝增强层一 P E外护套 层) ,可盘卷长管。产品直径为3 、 4 、 5 、 6 英
20、寸( 9 0 、 1 1 0 、 1 2 5 、 1 6 0 m m ) , 设计工作压力分别为5 5、 4 - 3 、 3 7 、 3 2 M P a 。 2 2 国内 R T P复合管生产及应用情况 我国R T P管的生产起步较晚, 2 0 0 9 年南京晨光欧佩亚复 合管工程有限公司从德国 “ 克劳斯玛菲” 公司引进我国第 1 条 R T P生产线,成为全球第5 个研制生产芳纶增强热塑料复合 管( R T P管) 的企业( 见图2 ) , 管径D N 6 5 D N 1 5 0 , 公称压力2 1 5 M P a , 盘卷长度为4 0 0 1 8 0 0 m 。 图 2芳纶增强 R rr
21、 P管缠 绕机构 经过几年的发展, 我国的R T P 生产企业在消化吸收国外 技术的基础上研制了国产R T P管道生产线, 例如: 广州励进 新技术有限公司自主研发了我国首条 “ 柔性热塑性增强塑料 复合管” 生产线, 一举打破了德国公司独家垄断国际市场的局 面, 生产线采用一步法R T P生产工艺, 能够提供钢丝带、 玻纤 带及芳纶带等各种材料增强R T P管材生产线; 此外, 上海金 纬管道设备制造有限公司也开发了高压 R T P编织复合管道 生产线。 目 前, 国产的R T P管已在陆上油气田, 如大庆油田、 长庆 油田、 塔里木油田等使用或试用, 主要用于输水管线、 注醇管 线以及油气
22、的集输管线,而适用于长输管线以及海上油气田 的高端产品目前国内尚在研制中。 在 R T P管的3 层结构中可以认为管体的承压能力完全 是由中间层( 结构层) 承担的, 内、 外层分别承担起容纳输送流 体和保护中间层的作用,所以增强材料的选择在很大程度上 决定了R T P 管的承压能力。 国外R T P管的增强材料通常使用 芳纶纤维, 但由于其价格高, 目前国内仅有少数厂家采用, 如 南京航天晨光欧佩亚复合管工程有限公司,其产品与奥地利 的 “ P i p e l i f e N e d e d a n d B V ”所生产的商品名为“ S o l u F o r c e ” 的R T P 管道
23、结构类似12 1 。 为了降低成本,国内一些厂家采用其它增强纤维来生产 R 1 P 管,如河北省景县液力柔性管汇厂选用聚酯纤维作为增 强材料; 此外还有厂家使用钢丝做增强材料, 如长春高祥特种 管道有限公司所开发的钢丝编织增强管,是我国市场上开发 比较早, 应用也比较成功的增强管道, 它基本上模仿橡胶高压 管道的原理和增强方法, 管壁由3 层组成, 增强层是由 高强度 钢丝编织而成( 见图3 ) , 该类型产品已被应用于新疆某盐田 输送含盐的卤水( 要求抗腐蚀、 抗磨损) , 广西某铝矿输送尾矿 浆, 大连到长山岛跨海输水管道( 直径4 5 0 m m , 1 6 M P a ) 等工 程。钢
24、丝编织增强管的生产工艺与国外的R T P 类似, 也是先 N E W BUI L Dl NG M ATE Rl AL S 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m孙哲, 等: 柔性增强热塑性塑料管道的发展和市场前景 表 2 “ 十-: 5” 期 间我 国塑料管道产量和增长速度 据中国塑料加工工业协会塑料管道专业委员会预测l引 , “ 十二五” 期问, 我国的塑料管道生产量将保持在 1 0 左右的 速度增长,到2 0 1 5 年,全国塑料管道产量将超过 1 3 2 0 万t ( 见表3 ) 。 塑料管道在
25、全国各类管道中市场占有率超过5 0 。 表 3 “ 十二五” 期间我国塑料管道预期增长速度和产量 中国塑料管道行业“ 十二五” 期间( 2 0 1 1 2 0 1 5 ) 发展建 议 提出了“ 十二五” 期间重点开发、 生产新材料类塑料管道、 改性与复合类塑料管道、环境友好型塑料管道和新型塑料管 道系统。 我国塑料管业对于增强热塑性塑料管R T P一直很积极, 起步也比较早。多年来经过努力探索, 不断发展, 已经打开不 小的市场。 过去几年可以说是我国R T P的探索期、 孕育期, 预 期今后几年将是我国R T P的发展期、 增长期。 一方面, R T P 的优异特性已 逐步被市场认同, 在建
26、筑和市 政工程市场继续扩展的同时,不少其它领域的管道用户也在 探索应用R T P管。 近年我国石油天然气产业对应用 R T P很积 极, 制定了一批相关的标准, 已经应用于陆地和海上油气田的 注水管、 集输管等。石油天然气产业特别希望能够把R T P 应 用到天然气长输管道中, 是因为每年有数万公里的工程量。同 时在矿井输水、 盐田输卤、 军用输油、 海底管道、 温泉利用等领 域R T P 都已经有成功应用的实例。 另一方面, 国内 相关企业通 过自主创新, 在引进和吸收国外技术的基础上, 积累了不少经 验。 目 前,R T P 管的生产工艺技术、 机械装备、 专用材料和铺设 施工设备都已初步
27、配套, 具备了加快发展增长的基础条件嗍 。 此外, 我国油气管网建设任重道远, 尤其是油气资源西部 很多在沙漠, 东部很多在沼泽、 海滩和海上。 可以预计, 我国石 油和天然气产业的R T P 应用会有较快增长。同时, 相关工业 领域对R T P的需求也有很大的潜力。 5 存在问题和建议 目前, 柔性R T P管还没有统一国家标准, 尤其是纤维增 强R T P管,只能参考国内外相关标准和规范来组织生产, 相 关标准主要有: ( 1 ) I S O 仃 1S 1 8 2 2 6 -2 0 0 6 塑料管材和管件压力 4 M P a的 气体燃料用增强热塑性管道系统 ( 2 ) D V G W V
28、P 6 4 2 -2 0 0 4 ( 德国给水和燃气协会) 运行 压力在 l 6 b a r ( 1 6 M P a ) 以上用于天然气的纤维增强 P E管 ( R T P ) 和附带的连接件 ( 3 ) G B r 2 0 6 6 1 -2 0 0 6 石油和天然气工业用于海底和海 洋立管的挠性管系统 ( 4 ) I S O 1 3 6 2 8 -1 0 、 A P I l 7 k 一2 o 0 l 粘合挠性管的规范 ( 5 ) A P I 1 7 J 一1 9 9 9 不粘合挠性管的规范 ( 6 ) A S T M F 2 6 8 6 1 0 玻璃纤维增强热塑性塑料管标准 规范 ( 7 )
29、 C J T 1 8 9 -2 0 0 4 冈 丝网骨架( 聚乙烯) 塑料复合管 另外, 目前国内R T P 管产品在材料选择、 结构设计、 规格 尺寸等方面各不相同, 因此不同厂家的产品不能互换使用, 这 给R T P 管的使用带来不便, 也不利于产品的推广。 对于原料厂家来讲,中间增强层材料的制造会是一个商 机, 但目前可能还是一个制约的因素, 可以选择的材料和材料 制造厂家还较少。 由于R T P 管在国内外都是处在发展探索阶段的新技术。 新技术通常处在严格保密或专利保护下, 所以, 我国发展R T P 管不太可能如同过去发展常规塑料管那样全套地引进设计、 制造、 检验、 铺设和使用的技
30、术。我们只能在尽量吸收国外技 术成果的同时,更多地依靠自 主的试验研究和开发设计。所 以,不可能如同当年发展常规塑料管那样迅速上马,立刻见 效。针对国内R T P 管发展和生产情况, 北京塑料工业协会张 玉川先生建议有意向发展R T P的企业和研究部门需要对自 主 开发的艰巨性有充分的认识,尤其是需要对R T P 管不同于常 规塑料管的特点有足够的估计, 不能急于求成, 不要把没有经 过严密分析和系统试验的“ 新产品” 就投入大量生产和使用5 1 。 只有在上述问题得到很好的解决后, R T P 管的发展才能真正 进入快车道。 参考文献 : 1 中国管道商务 网 预计 2 0 1 5年塑料 管
31、道产量超 1 3 2 0万吨 0 L 】 h t t p : w wwc h i n a p i p en e t , 2 01 2 0 7 0 4 【 2 张t) t 1 新型 R T P耐压管材 的发展及应用 J 国外塑料 , 2 0 0 8 , 2 6 ( 1 ): 7 4 7 7 3 】 中国塑料加工工业 协会塑料管道专 业委员会 中国塑料管 道行 业“ 十二五 期 间 ( 2 0 1 1 - 2 0 1 5 ) 发展建议 E B O L h t t p : w w wp p i a - c h i na c o m c n , 2 01 2 0 6 1 2 4 】 张玉川 , 王德禧 , 吴念 增 强热塑 性塑料 ( R T P ) 复合 管材 的发展 J 1 上海 建材 , 2 0 0 7( 1 ) : 2 0 2 2 5 张 玉川 中 国增 强热塑性塑 料管 R T P的发 展和机遇 0 L 】 h t t p : b l o g s i n a c 0 m e n u 1 4 9 8 4 9 1 6 7 5 , 2 01 3 0 8 2 0 J N E W BUl L DI NG M ATE Rl AL 5 1 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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