防腐弯管聚乙烯复合带的包覆加热温度研究

方世杰 李振武 王俊峰 王海涛 宋泽宇 张志阳

（1.洛阳理工学院，河南 洛阳 471023；2.河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院，河南 郑州 450000；3.河南新开源石化管道有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

防腐弯管由于形状特殊，主要采用热收缩套虾米搭接，结合单层FBE外缠绕带保护的防腐结构[1]。目前行业内公认最符合、最接近3PE标准的防腐弯管结构是：单层FBE外缠聚乙烯复合带（简称复合带）[2]。其背材高硬度和高强度能更好抵御运输、吊装铺设中的机械冲击，防腐效果更好，但只适合机械化缠绕包覆。国内天华化工机械及自动化研究所研究出复合带热熔3PE成型技术并应用于生产中[3]。借鉴此技术，在生产实践中发现复合带温度受环境温度和缠带速度影响较大。尤其是北方冬季气温低至零下，带材的初始温度低，环氧钢管余温损失大，复合带背材未达到粘流态，尤其是一层与二层搭接的部位，粘接质量不稳定。基于上述原因，本文提出了电辅助加热复合带的方法，选用两种高效加热管，对其热效率进行试验对比。然后研究加热管加热时带材正反面温度随时间的变化规律，建立数学模型，为复合带辅助加热装置的研发提供可靠的理论和数据支持。

1 试验

1.1 试验设备及试验材料

卤素加热管（品牌：骏前；规格：350mm/220V/Φ10mm/1Kw）及配套灯罩2套，碳纤维加热管（品牌：SHEFFIELD；规格：600mm/220V/Φ10mm/ 1kw，双管）及配套灯罩2套。香港希玛工业用红外测温仪AS852B型2台，热电偶测温仪2组，秒表1只。试验带材为聚乙烯复合带若干条，生产厂家：四川久远科技股份有限公司，规格：CRJD120×2.15mm，执行标准：Q/SY GJX 113-2010。

1.2 试验方法

加热试验原理如图1所示，按包覆工艺要求，用卤素加热管（简称卤素管）和碳纤维加热管（简称碳纤维管）分别对复合带胶面加热，用红外测温仪和热电偶测温仪测量胶面温度，红外测温仪测量背材面温度，秒表测量时间，记录试验数据。

试验步骤：

（1）卤素管与碳纤维管的加热效率对比

环境温度：27℃。使用卤素管2支，功率2Km；碳纤维管2支，功率2Km，对带材胶面进行照射加热，测量带材胶面温度和时间，记录数据并对比加热效率，选出热效率高的管种开展下一步试验；

（2）卤素管加热复合带测量温度和时间数据

卤素管1支，功率1Kw，管面距复合带胶面距离20mm。试验重复3次，数据理采用平均去噪算法，以消除仪器、人为、环境原因造成的噪声干扰。数据处理采用最小二乘法，多项式拟合：Y=A+B1X+B2X2。

2 结果与讨论

复合带在卤素管加热下，20s后达到230℃；在碳纤维管的加热下，30s后达到110～120℃，表明卤素管加热速度比高于碳纤维管，有利于提高生产效率，因此下述试验均采用卤素管进行。

热电偶和上枪分别是指用热电偶的双金属触头和红外线测温枪测量复合带的胶面的加热温度，下枪是指用红外线测温枪测量复合带背材面的加热温度。采用红外测温方式使用方便，属于非接触式测量，反应速度快，但测量数据易受物体的发射率、距离、烟尘和水气等因素干扰。热电偶为接触式测量，存在测温延迟现象，在对时间要求不高的场合下，热电偶测量的数据精度高，但对时间敏感的测量场合，其测量精度反而较低。因此试验中同时采用两种测温方式，同时对比两种测量方式的准确性。

表1给出了3次测量结果的平均值。数据结果反映了：（1）保持加热管与带材的距离不变，随着照射时间的延长，胶面和背材的温度会持续升高；（2）胶面的平均温度高于背材面36.971℃。

表1 卤素管加热复合带温度随时间的关系

由于加热管不断将热量传导到胶面上，在一个相对封闭的空间，热能不断增加，导致复合带温度会随时间增加而持续升温。由于复合带主体为高密度聚乙烯（厚度=1.65～1.85，胶粘剂层厚=0.3～0.5，背材厚度为带材总厚度的81.4%），导热系数仅为0.5W/（m·K），是钢导热系1/1000，因此复合带阻碍热量传导的能力强，导致背材面的平均温度比胶面低36.971℃。文献[2]给出了胶面粘流态温度为160～220℃，背材粘流态温度为170～230℃。在目前的加热功率下单面加热，胶面要达到粘流态所需的时间至少要30s，背材到40s仍未达到粘流态。因此缩短加热时间，提高热效率，同时背材达到粘流态，则需要增加加热功率，同时背材面也安装加热管。

2.1 热电偶测温数据分析

将热点偶测得的胶面温度与时间点进行曲线拟合，拟合后的曲线公式如下：

相关参数如表2所示，相关系数R=0.97661，趋向于1，表明拟合结果满足要求。故式（1）为热电偶拟合的温升曲线函数关系。

表2 相关参数值

对曲线公式求导，计算7个时间点的速度并取平均值，获得平均升温速度=5.72343℃/s。当Y'=0时，是拐点，物理意义上是温度曲线的最大值，此时X=45.8s，即当时间超过45.8s之后，温度便开始下降。根据热电偶的测温，40s时胶面温度为237.5℃，已经超过了粘结剂粘流态上限温度（220℃），但此时观察到胶面实际上刚刚开始出现粘流态，而应该出现粘流态的温度应该从160℃就开始，即从第25s开始胶面就应该出现粘流态了，但实际并未观察到，因此热电偶的测量温度偏高。结合表1进一步分析可知，由于热电偶测温有迟滞现象，在第10s时，温度应该达到较高值，但其还迟迟未启动。一旦启动后，其热惯性又很大，造成温度一直向上冲，这是造成热电偶测温不准的原因所在。因此其拟合曲线曲线、平均升温速度及温度时间拐点均与实际情况不符，不能使用。同时也表面，采用热电偶方式采集加热数据的方法是不适用的。

2.2 红外测温枪上枪数据分析

将红外上枪测得的胶面温度与时间点进行曲线拟合，拟合后的曲线公式如下：

相关参数如表3所示，相关系数R=0.7085，趋向于1。满足要求。故式（2）为红外测温枪上枪拟合的温升曲线函数。

表3 相关参数值

2.3 红外测温枪下枪数据分析

下枪测量胶面的温度与时间变化规律曲线如图4所示，将红外下枪测得的胶面温度与时间点进行曲线拟合，拟合后的曲线公式如下：

表4中，相关系数R=0.9359，趋向于1。满足要求。故式（16）为红外测温枪下枪拟合的温升曲线。

表4 相关参数值

聚乙烯复合带温度是实现3PE包覆的关键问题，复合带的胶面要达到粘流态温度才能够和处于胶化态的环氧底漆产生化学反应，原理是粘结剂分子中的酸酐基团与环氧树脂分子中的环氧基、羧基反应产生化学交联结合，化学粘结的强度远远高于纯粹的物理粘结。胶面和背材面要到达粘流态主要基于两点原因：一是胶粘剂分子主链以乙撑链为主，和粘流态的聚乙烯分子链结构相同，二者具有良好的相似相容性，可以在压力作用下融合为一体，因此其粘结强度远远高于胶粘剂与背材的物理粘剂强度；二是复合带在缠绕第二圈搭边时，热熔胶层与复合带第一层的背材外表面由于温度不够，未在粘流态下融合，未达到3PE性能要求。为此充分利用环氧弯管余温，结合电辅助外加热方式，使复合带在包覆前充分预热，同时建立数学模型，为实施自动化控温提供参数支持，才能有效解决弯管包覆质量不稳定、包覆效率低的根本问题。

3 结语

（1）卤素加热管的加热效率高于碳纤维加热管；

（2）使用1W卤素加热管，距复合带胶面20mm处实施单侧加热，胶面和背材面温度与时间的函数关系如下：

（3）采用红外测温枪的测量方式的准确度高于热电偶测温；

（4）实施单侧加热时，胶面的平均温度高于背材面36.971℃。