大口径钢制管道泡沫喷涂工艺优势及前景分析

韩 勇 张灵东

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060）

0 概述

聚氨酯保温管，就是用硬质聚氨酯泡沫塑料做绝热材料的保温管道。因其具有良好的保温效果，被广泛的应用于北方寒冷地区输回水、城市供暖、原油输送等领域。目前，国内普遍采用的保温管生产工艺、适应的合理管径范围以及由相应工艺生产的保温层所潜藏的缺陷，已经无法满足日益扩大的市场、高标准质量管理的要求。泡沫喷涂是在现有“一步法”、“管中管法”、“缠绕法”的基础上，结合钢管3PE防腐工艺特点，近两年推出的一种新型的聚氨酯保温管生产工艺，因其具有其他工艺不可比拟的优势，逐渐被业内认可。

1 泡沫喷涂工艺简介

图1 大口径钢制管道泡沫喷涂工艺布置图

泡沫喷涂工艺（图1）主要特点是钢管旋转过程中在线进行泡沫喷涂，同时揉合了3PE防腐工艺的中聚乙烯防护层成型工艺，其具体实施步骤如下：钢管经外壁清理设备抛丸清理后上传至缓冲平台，通过运管小车运送至泡沫喷涂区，泡沫喷涂区设有喷涂小车、高压喷涂机等设备，钢管在喷涂小车上沿轴向匀速前行，同时沿径向匀速旋转，在经过固定的喷涂仓时，高压喷涂机将按比例混合均匀的聚醚、异氰酸酯混合物喷涂至钢管表面，混合物反应后形成一定厚度的聚氨酯泡沫，通过运管小车运送至泡沫熟化、固化区域，固化完成的泡沫管再由运管小车运送至侧缠绕传动线，经过加热、聚乙烯侧缠绕、聚乙烯膜挤压、冷却等工序后形成聚乙烯外防护层。

2 泡沫喷涂聚氨酯保温层管质量优势分析

泡沫喷涂工艺作为一种新型的聚氨酯保温层成型工艺，避免了“一步法”内定径工艺受其适应生产管径范围φ32～φ426mm的限制[1]，突破了“管中管”工艺生产效率低的瓶颈，打破了“分段模具发泡加外缠绕”工艺不能连续生产的局限，除此之外，在聚氨酯保温层的质量上，更有突出的优点。

2.1 克服了传统“管中管”工艺的缺陷

由“管中管”成型工艺[2]可知，其聚乙烯防护层、聚氨酯保温层是单独成行的，聚氨酯是在有内撑的聚乙烯防腐管内从管端逐步注料、发泡而成，聚氨酯泡沫层的成型过程伴随放热反应，由于聚乙烯是热的不良导体，发泡过程中形成的大量热能不能及时扩散出去，必然导致泡沫层发黄，即所谓的 “烧心”现象。同时，聚氨酯保温层成型过程没有纠偏措施，发泡过程产生的膨胀力得不到有效控制，也会引起保温层“偏心”、聚乙烯保护层易“涨裂”等现象。除此之外，聚乙烯防护层和聚氨酯保温层之间“脱壳”、保温层密度不均匀等现象也是 “管中管”工艺的缺陷。而泡沫喷涂工艺是借鉴了3PE防腐涂层的工艺优点，钢管采用螺旋传输，按比例混合好的异氰酸酯和聚醚通过高压喷涂机喷涂在行进的钢管表面，聚乙烯采用侧挤出缠绕的方式同步形成的聚氨酯保温层及聚乙烯防护层。杜绝了“管中管”工艺中不可避免的缺陷，改善了保温层及防护层的质量。

2.2 满足涂层高质量要求的同时，扩大了保温管的管径生产范围

“一步法”保温管生产工艺于1982年由天华院和胜利油田共同开发完成，经过30多年的工艺优化和设备改进，已经能够满足高质量、高产能、低生产成本的企业要求，同时也满足了近20年国内油田快速发展对小管径原油输送保温管的安全需求，适应了市场对产品节能环保、安全有效的要求。但由于“一步法”工艺自身的缺陷，管径≥φ426mm时，聚氨酯保温层在成型过程中由于钢管自重的原因，会导致底部的保温层压扁减薄，影响保温质量，这是“一步法”工艺不能突破的最大瓶颈。同时，随着市场的发展，以预埋为主的“黄夹克”聚乙烯防护层已经不能满足市场的需求，在需要架空或者地面敷设的保温管工程中，黑色聚乙烯防护层的“黑夹克”管需求量越来越大，由于“一步法”成型过程中发泡液面离内定径冷却套的合理距离在400mm以内，且液面是时时变化的，“黄夹克”聚乙烯防护层透光，便于液面的观察，“黑夹克”聚乙烯防护层吸光，操作者不易控制液面的位置，生产过程中容易造成泡沫堵死内定径冷却套的现象，导致生产线停工。而泡沫喷涂工艺更适合管径≥φ426mm以上钢管的保温层成型，拟补了“一步法”工艺生产管径范围受限的缺陷，同时，聚乙烯侧缠绕技术也解决了保温管对防护层颜色的限制。

3 泡沫喷涂聚氨酯保温层市场、运行安全及环境保护优势分析

相比“管中管”工艺和 “一步法”工艺，泡沫喷涂工艺不但在本身成型的产品质量上具有优势，在相同管径的生产条件及质量要求下，聚氨酯保温层及防护层的原材料用量也更少。比如以DN700mm钢管为例，泡沫喷涂法比“管中管”法施工所用的原材料费降低35%左右，而生产速度是“管中管”法的2倍多[1]。除此之外，泡沫喷涂工艺其他的优势也是传统施工法不能相比的。

3.1 市场环境方面

我国城市集中供暖最早从50年代开始，伴随着国民经济的持续发展，尤其是最近十年北方城市房地产喷井式的发展，新建、扩建小区从最小的几万平方米到几十万平方米，集中供暖的管径也随着供热需求面积的增加而增加。截止目前，北方省份主供热管道基本在DN700mm～DN1000mm之间，随着城市化进程的不断推进，长输供热管道及供热管径有不断扩大的趋势。除此之外，目前城市供、回水管道还采用水泥管道和铸铁管，均未保温。但在北方较冷的城市中（如东北、西藏等地），供、回水管道必须深埋在冻土层以下，否则，在寒冷的冬季很容易出现管道冻裂的现象，这样的结果不但会产生高额的施工费用及经济损失，同时会给居民带来生活上不便。采用保温管后，管道可以明设或埋在地表浅层，这样既节省了施工费用，同时运行安全可靠，不会出现管道冻裂现象。而这种主管道往往都超过1m管径，最大甚至到2.5m以上。在此情况下，高产能、低生产成本的泡沫喷涂工艺对保温管生产企业占据市场主导地位提供了有力的支撑。

3.2 管网安全运行性能提高

大口径的聚氨酯保温一般都采取 “管中管”法。由上面的分析可知，采用“管中管”法泡沫层形成过程中存在的大量热能及内应力不能及时释放，长时间的累积会导致防护层“爆裂”，影响管线的安全运行。比如中俄输油管线—漠大线，设计管径813mm，冻土层采用3PE防腐+“管中管”聚氨酯保温的工艺，运行不到一年时间就出现过不同程度的防护层“爆裂”、保温层失效的问题。而泡沫喷涂工艺是采用在线聚氨酯喷涂、聚乙烯防护层侧缠绕成行的工艺，不会存在热能、内应力的积累，能够大大提高管网安全运行的性能。

3.3 环境保护方面

泡沫喷涂的原材料包括多元醇、异氰酸酯、泡沫稳定剂B8433、发泡剂HFC-245fa、水，其中发泡剂HFC-245fa质量占泡沫喷涂料的0.8%[3]，参考“管中管”和泡沫喷涂工艺经济成本的比较[3]，以DN700mm的管径为例，生产1m保温管，采用泡沫喷涂工艺比“管中管”法可减少40g的HFC-245fa用量，而HFC-245fa为氟利昂的一类，虽然HFC类对臭氧层无害，但对温室效应有一定影响，而且它的温室效应效果比二氧化碳还高，温室效应使地球表面的温度上升，引起全球性气候反常。

4 结束语

随着国家标准GB/T 34611-2017《硬质聚氨酯喷涂聚乙烯缠绕预制直埋保温管》等一系列相关技术性能的国家标准陆续颁布，国内城市集中化及房地产事业的持续发展，尤其是在国家大力发展西北部，提高城市化人口的政策推动下， 国内聚氨酯保温管的需求量将逐年扩大, 大口径钢管聚氨酯泡沫喷涂法将以工艺完善、成型的产品性能稳定、质量过关、节能环保等优势逐步占领大口径的保温管市场，其应用前景必将十分广阔，值得行业内大范围推广应用。但为使泡沫喷涂工艺在我国能健康稳步持久地发展，提高企业的利润及相关管网、工程的安全运行性，就必须做到：（1）按照最新颁布的国家标准，坚持高标准严要求，在我国广泛推行泡沫喷涂法成型的聚氨酯保温产品；（2）设计单位、生产企业和应用部门要密切合作、总结经验，减少传统“管中管”工艺的使用量，制定和完善保温管管网工艺设计、施工和验收规范, 保持设计、生产技术和应用技术同步发展； （3）生产企业应集中力量推行泡沫喷涂先进技术，不鼓励应用存在问题的保温管生产工艺。