详谈超高分子量聚乙烯管道外压问题与国内外技术分析

由于超高分子量聚乙烯管道复合管每层紧密结合无滑移，通过“partion”命令将管道分为四层(内层、外层及两复合层)。由于管道受均匀对称外压，属平面应变问题，同时为了和理论做比较，取管道长度20mm。有限元模型中内层外层和基体层单元类型为C3D8I，该单元很适用于严重扭曲现象，位移计算结果较为精确并且计算成本较小。螺旋线钢丝使用ts单元，单元类型T3D2H，采用“Embedde．mand”命令将钢丝线嵌入基体层内以保证钢丝无滑移。用耦合约束命令将模型左端面与定义的参考点耦合；同时在右端面施加对称边界约束，以实现外压作用下的正确边界条件。对于径厚比较小的复合管道，在外压作用下往往会发生椭圆形失稳变形，因此在管道一端的上下两点约束其水平位移，左右两点约束其竖向位移，以保证管道产生纯椭圆变形。模型中的材料性能与理论相同。 超高分子量聚乙烯管道PSP内外层为高密度聚乙烯，加强层为以一定角度正反错绕成型的钢丝网状骨架与由热塑性材料构成的基体紧密结合构成的复合结构。由于材质原因，PSP管在外压作用下更容易出现屈曲失稳问题。朱彦聪等?依据Donnell的扁壳理论求解PSP管在外压下的弹性屈曲荷载。Adomandi等对管中管结构在静水压力作用下的弹性屈曲进行了理论和有限元研究，在有限元模型中设定层与层的接触为 粘结无滑移，而对于有滑移的非粘结层通过两点约束来实现。他们又通过大量的有限元计算来分析复合管外压的承载能力，并在此基础上提出了适合于复合管在外压作用下的简化公式。BaiYong等基于二维环理论，并考虑剪切变形的影响，研究纤维增强管道管道初始椭圆化对外压失稳的影响。龚顺风等基于非线性环理论，研究了深水管道在外压作用下的失稳屈曲理论。 基于BaiYong等的二维壳模型，考虑超高分子量聚乙烯管道受外压时的剪切变形，并结合Halpin—Tsai模型对加强层进行简化，对管道进行外压力学性能分析，采用ABA建立有限元模型，将计算结果与理论进行分析对比。 通过试验得到压力峰值，并与理论，有限元对比，发现三者吻合良好。

影响超高分子量聚乙烯管材质量的三大要素

经常有客户问我说:你们几个厂用的原料都是一样的,是不是质量也一样呀。其实不然，影响超高分子量聚乙烯管材质量的三大要素是原材料、模具设备、加工成型工艺。 1、原材料是核心。在耐磨领域超高分子量聚乙烯管材的生产原料的核心是分子量，理论上讲，原料的分子量越高，耐磨性越好。但作为耐磨管道而言，还要考虑其它力学性能指标，考虑其长期使用的稳定性。因此分子量高的原料不一定能生产出来综合性能好的超高分子量聚乙烯管材，这就要看模具设备、加工成型工艺了。目前超高分子量聚乙烯管材加工技术还没有标准化，各生产厂家差别很大。主要是模具结构和工艺控制上。因此生产出的超高分子耐磨管表面上看不出来不同，但指标差距很大。这里经验性的东西还占有比较大的比重。 超高分子量聚乙烯管材的原料挤出时呈弹性体，流动性为零，不好挤出。目前挤出机的核心结构是螺筒开全交通槽，螺杆浅螺纹，小螺升角；其理论核心是尽量加大螺杆推力，减少原料与料筒、螺杆的粘结。挤出力在400公斤左右。正因为挤出过程压力大，所以薄壁管很难挤，模具很容易偏。因此模具非常重要。 2、模具，超高分子量聚乙烯管材的生产模具是影响超高分子量聚乙烯管材质量的关键因素，因为：①如果模具压缩比设计不合理，会导致管材挤出困难，或密实度不够，耐压差，力学性能低。②流道不通畅，原料在挤出过程降解过多，超高分子量聚乙烯管性能下降。③结构不合理，塑化不好，或融合不好，管材容易开裂。④结构不合理，挤出波动大，操作难度大。超高分子量聚乙烯管生产操作以经验为主，其主要原因是模具设计不合理。好的模具设计会达到以下效果。①好操作，生产稳定。只要温度没有大的变化，管材外观不会因外界环境温度变化受影响。②管材内在指标好，主要是指超高分子量聚乙烯管的密实度和原料降解的问题。 3、挤出工艺。超高分子量聚乙烯管材的挤出工艺对管材的内在性能也很关键。不同分子量的超高分子量聚乙烯原料要有不同的加工挤出温度。分子量２5０±50万时塑化温度要在240度左右，过低，管材表面疙疙瘩瘩，塑化不好；过高，管子好出，但降解增加；每一种料具体多少温度合适要凭经验总结。同一种原料，一般一台模具要调整设定一个合适温度。 所以，要想生产出高质量的超高分子量聚乙烯管材，原料、模具、加工工艺是三个技术核心。