Оборудование для производства труб из ПЭ большого диаметра, заложенных в землю, относится к классу линий экструзии, предназначенных для производства полиэтиленовых труб под давлением с диаметром от 315 мм до 1200 мм и в специализированных конфигурациях до 1600 мм для проектов обновления коммунальных водопроводов. Эти линии принципиально отличаются от линий производства труб малого диаметра, доминирующих на рынке инженерных услуг. Как только внешний диаметр превышает примерно 400 мм, а толщина стенки — 30 мм, меняются основополагающие физические законы: преобладает дефект стенки в виде зависания расплава под действием силы тяжести, время охлаждения, а не выход экструдера становится узким местом по пропускной способности, а конструкция привода, реза и оборудования для обработки начинает определяться массой трубы, а не скоростью линии. Любой подрядчик коммунальных услуг или производитель труб, планирующий обслуживать программы обновления сетей, должен понимать эти различия, прежде чем определять оборудование.
Коммерческий стимул прост и глобален. Очень большая часть городских распределительных сетей была прокладена в 1950-х — 1990-х годах из серого чугуна, литой чугунной трубы, асбоцементного материала или стальной трубы с тонкими стенами. Эти системы сейчас страдают от коррозионного разрушения, протечек в местах соединения, тубулляции, которая снижает гидравлическую пропускную способность, и brittle разрушения при перемещении грунта. Органы водоснабжения, заменяющие их, в подавляющем большинстве случаев выбирают полиэтилен PE100 или PE100-RC, поскольку полностью сросшийся шов исключает путь протечки, который создают механические штуцерно-буквенные соединения, поскольку материал не подвергается коррозии в агрессивных почвах, и поскольку гибкая труба выдерживает дифференциальное усадочное расширение и землетрясения, которые могли бы привести к растрескиванию жесткой трубы.
Это руководство предназначено для инженерно-проектного и закупочного отдела, который должен превратить этот рыночный спрос в действующий производственный завод. Оно охватывает инженерные параметры труб (диаметр, SDR, класс давления), спецификацию материала для PE100 и PE100-RC, описание линии экструзии станция за станцией с реалистичными диапазонами параметров, конкретные проблемы производства очень большого диаметра, методы соединения и безотрывного монтажа труб, с которыми должны быть совместимы ваши трубы, протокол проверки качества, а также планирование расположения завода и персонала. Faygo, завод Wanplas с 22-летним опытом в производстве труб и профилей, строит эти линии в виде пакетов под ключ, и приведенные здесь диапазоны параметров отражают конфигурации, которые обычно вводятся в эксплуатацию на месте.
Почему обновление городских водопроводов переходит на трубы из HDPE большого диаметра, закопанные в землю
Обновление городских водопроводов предпочитает закопанные трубы из HDPE большого диаметра, поскольку сварной шов, устойчивость к коррозии и способность выдерживать деформации полиэтилена вместе устраняют три основных способа выхода из строя старых металлических сетей: утечка в шве, внутренняя и внешняя коррозия и brittle fracture под воздействием перемещения грунта. Для коммунального предприятия, рассчитываемого на нереализованный объем воды, решающим аргументом является шов. Сварной или электросварной шов в полиэтилене представляет собой монолитное, несущее конечную нагрузку соединение без прокладки, болтов и кольцевого зазора, поэтому правильно сваренная магистраль из HDPE ведет себя гидравлически как непрерывная трубная цепь, а не как цепочка герметичных сегментов.
Второй аргумент — это гидравлическая прочность. Железобетонные и стальные магистральные трубы теряют внутренний диаметр в течение десятилетий из-за образования бугров и накипи, а эффективное значение Hazen-Williams C снижается. Полиэтилен имеет очень гладкий внутренний диаметр, который не образует бугров, поэтому коэффициент трения остается практически постоянным в течение срока службы. На практике это означает, что магистральная труба из ПЭ может часто быть заказана на один размер меньше, чем заменяемая металлическая труба, при этом обеспечивается такой же расход воды в конце срока службы, что частично компенсирует толщину стенки, необходимую для давления.
Третьим аргументом является конструкционная возможность. Большой диаметр HDPE поставляется в прямых отрезках длиной 6, 11,8 или 12 м, сваривается над землей в длинные нити и затем может быть перемещен на место с помощью горизонтального направленного бурения, взрывания труб или прокладки без открытия непрерывной траншеи. В густых городских коридорах, где нарушение движения, перегруженность коммуникаций и восстановление дорожных покрытий являются основными факторами стоимости проекта, бестраншейная установка сварной нити из ПЭ100 часто является единственным экономически обоснованным способом реконструкции. Само по себе это обстоятельство объясняет, почему спрос на трубы из ПЭ100 диаметром от 630 до 1200 мм растет быстрее, чем спрос на трубы малого диаметра на большинстве зрелых водных рынков.
Сравнение материалов для зарытых коммунальных водопроводов
| Критерий | HDPE (PE100 / PE100-RC) | Дюралевый чугун | PVC-U | Сварная сталь |
|---|---|---|---|---|
| Гибкость / радиус изгиба | Очень высокий; радиус холодного изгиба обычно составляет от 25 до 40 раз диаметра | Жёсткий; изменение направления только на соединениях и швах | Низкий; хрупкий при незначительном деформации | Жёсткий; требует изготовления изгибов |
| Устойчивость к коррозии | Неподвержен почвенной гальванической и электрохимической коррозии | Требует цементного покрытия, а также внешнего покрытия и иногда катодной защиты | Неподвержен, но чувствителен к почвам, загрязненным углеводородами | Требует покрытия, обмотки и катодной защиты |
| Устойчивость к сеизмическим и осевым нагрузкам | Отличный; способность выдерживать напряжение значительно превышает обычную грунтовую нагрузку | Средняя; разрушение происходит из-за отрыва швов | Плохое; риск хрупкого разрушения | Хорошее, если полностью сваренное, плохое, если механически соединено |
| Принцип герметизации соединений | Полностью сплавлен, с зажимами на концах, герметичен по конструкции | Эластомерный уплотнитель; требует ограничения давления | Эластомерная прокладка или растворимый цемент | Сварка на месте; качество зависит от мастерства сварщика и погодных условий |
| Скорость монтажа в городском коридоре | Очень быстро; длинные сварные трубы, совместимые с траншеями | Умеренная; открытая траншея, тяжелое подъемное оборудование на длину трубы | Быстро для небольшого диаметра, ограничено выше Ø630 мм | Медленный; сварка и покрытие каждого соединения |
| Масса на метр | Низкий; примерно в семь раз ниже, чем у чугуна при равном диаметре | Высокий; необходима установка для тяжелого подъема | Низкий | Высокая |
| Относительный уровень установленных затрат | Средний, тенденция к низкому уровню при использовании бесканальной технологии | Высокая | Низкий или средний уровень | Очень высокий уровень |
В сравнении объясняется тенденция, наблюдаемая в рамках программ реконструкции: чугунная труба сохраняет свою роль в магистральных трубопроводах с высоким давлением и в ситуациях, требующих максимальной внешней нагрузки, а ПВХ-U сохраняет сильную позицию в малом и среднем распределении, а сварной сталь используется для специальных перекрестков. Диапазон Ø315 мм – Ø1200 мм для распределительных и подмагистральных трубопроводов, который является именно тем сегментом, который наиболее часто затрагивается в рамках программ реконструкции, перешел решительно к ПЭ100. Именно на этот сегмент должна быть построена ваша производственная линия.
Диапазон диаметров, серия SDR и карта классов давления
Самым важным техническим решением при производстве труб из ПЭТВ большого диаметра является диаметр и окно SDR, которое должна обеспечивать линия, поскольку именно это окно определяет размер экструдера, конструкцию головки пресс-форми, длину резервуара, силу тяги и производительность режущего инструмента одновременно. SDR, стандартное отношение размеров, представляет собой отношение внешнего диаметра к минимальной толщине стенки. Для заданного дизайнерского напряжения SDR сам по себе определяет класс давления, поэтому для данного номинального диаметра можно производить трубы с четырьмя или более толщинами стенки в зависимости от давления, необходимое сети.
При использовании PE100 при проектируемом напряжении 8,0 МПа карта определена и хорошо известна. SDR11 дает PN16, SDR13,6 дает PN12,5, SDR17 дает PN10, а SDR26 дает PN6. Ремонт сетей водоснабжения обычно требует PN10 или PN12,5 в магистральных и подмагистральных трубах, PN16 там, где рельеф создает высокое статическое давление, и PN6 только при гравитационном или низком давлении передачи. Производственная линия, специфицированная исключительно для PN10, будет некомплектной, если первый раз заказчик попросит PN16 в том же диаметре, поскольку толщина стенки увеличится примерно на 55 процентов, а требование к охлаждению возрастет вместе с ней.
Диаметр, SDR и карта конфигурации линии
| Номинальный диаметр | Стена SDR17 (PN10) | Стена SDR11 (PN16) | Рекомендуемый экструдер | Типичная скорость линии |
|---|---|---|---|---|
| Ø315 мм | 18,7 мм | 28,6 мм | Экструдер с одним шнеком Ø90 мм | 1,6–3,5 м/мин |
| Ø450 мм | 26,7 мм | 40,9 мм | Экструдер с одним шнеком Ø90-Ø120 мм | 1,0-2,2 м/мин |
| Ø630 мм | 37,4 мм | 57,2 мм | Ø120 мм одношнековая экструдер | 0,6–1,3 м/мин |
| Ø800 мм | 47,4 мм | 72,7 мм | Ø120-Ø150 мм одношнековая экструдер | 0,45-0,9 м/мин |
| Ø1000 мм | 59,3 мм | 90,9 мм | Ø150 мм одношнековая экструдер | 0,35–0,7 м/мин |
| Ø1200 мм | 71,1 мм | 109,1 мм | Ø150 мм одношнековый экструдер, редуктор с высоким крутящим моментом | 0,30 до 0,55 м/мин |
| Ø1600 мм (расширенный) | 94,1 мм | Не производится обычно | Ø150 мм плюс коэкструдер, специальная плита для литья | 0,20 до 0,35 м/мин |
Из этой таблицы следует два практических правила. Во-первых, одна линия не может экономически охватывать весь диапазон от Ø315 до Ø1200 мм. Общий и оправданный подход — одна линия, охватывающая диапазон от Ø315 до Ø800 мм на экструдере Ø120 мм, и вторая линия, охватывающая диапазон от Ø630 до Ø1200 мм на экструдере Ø150 мм, при этом перекрытие обеспечивает гибкость в планировании. Во-вторых, скорость линии в верхней части диапазона измеряется в десятках сантиметров в минуту, поэтому каждая минута незапланированной остановки представляет собой большое количество отходов в абсолютных значениях, даже если потерянные метры кажутся небольшими.
Значения толщины стенки, приведенные выше, являются минимальными; при производстве необходимо всегда ориентироваться на положительную допустимую погрешность, чтобы ни один из точек на окружности не находился ниже минимального значения. Стандартная практика заключается в том, чтобы поддерживать среднюю толщину стенки примерно на 4–8% выше минимального значения для труб диаметром до Ø630 мм и примерно на 6–10% выше для очень больших диаметров, когда усадка делает распределение толщины менее равномерным. Каждый процентный пункт избыточной толщины является расходом материала, который никогда не приносит доход, поэтому закрытый ультразвуковой контроль толщины стенки на этих линиях не является роскошью, а единственным наиболее быстро окупающимся вариантом в пакете.
Спецификация материала PE100 и PE100-RC для подземных водопроводов
PE100 — это базовый материал для зарытых муниципальных водопроводов, а PE100-RC — улучшенный материал с повышенной устойчивостью к растрескиванию, который используется там, где труба устанавливается без песчаного слоя, прокатывается через отверстие или подвергается точечным нагрузкам от засыпки камней. Оба материала — это полиэтилен высокой плотности с бимодальной молекулярной структурой, отличающийся устойчивостью к медленному растрескиванию, а не краткосрочной прочности.
Последствия обработки влияют на выбор оборудования. Марка PE100 имеет намеренно низкий показатель текучести расплава, чтобы расплав имел достаточную прочность, чтобы сохранять свою форму между матрицей и калибровочной втулкой. Типичный показатель текучести при 190 °C под нагрузкой 5 кг в диапазоне от 0,2 до 0,5 г/10 мин, а марки в нижней части этого диапазона предпочтительны для наибольших диаметров именно из-за того, что более высокая вязкость расплава препятствует провисанию. Однако высоковязкая смола требует более специфической энергии, генерирует больше трения и требует шнека с головкой для смешивания, чтобы обеспечить однородность без локального перегрева.
Таблица спецификаций материалов
| Свойство | PE100 | PE100-RC | Значение для линии экструзии |
|---|---|---|---|
| Плотность | 0,949–0,960 г/см³ | 0,949–0,960 г/см³ | Установляет массу выпускаемого продукта на метр и, следовательно, размер экструдера |
| Скорость течения расплава (190 °C / 5 кг) | 0,2-0,5 г/10 мин | 0,2-0,4 г/10 мин | Низкая скорость течения расплава препятствует усадке, но повышает давление в расплаве и крутящий момент привода |
| Минимальная требуемая прочность (MRS) | 10,0 МПа | 10,0 МПа | Определяет соответствие SDR классу давления |
| Рабочее напряжение при 20 °C | 8,0 МПа | 8,0 МПа | Основание для расчета толщины стенки с коэффициентом безопасности 1,25 |
| Содержание углеродного порошка | 2,0–2,5 процента | 2,0–2,5 процента | Требуется хорошее диспергирующее смешивание; влияет на конструкцию шнека и смесительного головки |
| Гrade дисперсии углеродного сажа | Класс 3 или выше | Класс 3 или выше | Непосредственный вывод о качестве гомогенизации расплава |
| Время индукции окисления (210 °C) | ≥ 20 мин | ≥ 20 мин | Разрушается, если температура расплава или время пребывания превышают допустимые значения |
| Тест с набором трещин (NPT) на медленное растрескивание | ≥ 8760 h | ≥ 8760 h | Чувствителен к заусенцам и плохому сращиванию материала в толстых стенах |
| Полный тест на крейпинг (FNCT) | Обычно ≥ 300 ч | ≥ 8760 h | Критерий для материала PE100-RC при установке без песчаного слоя и без прокола отверстия или воздействия точечных нагрузок от засыпки камней |
| Быстрое распространение трещин, испытание S4 | Критическое давление выше рабочего давления | Критическое давление выше рабочего давления | Становится определяющим для труб большого диаметра и толстых стенок, предназначенных для холодного использования |
| Удлинение при разрушении | ≥ 350 процентов | ≥ 350 процентов | Выявляет термическое разрушение и загрязнение |
Три поведения материала заслуживают особого внимания при конфигурировании линии. Первое из них — время индукции окисления. Время индукции окисления — это прямая мера того, сколько антиоксиданта остается после обработки. Каждый дополнительный минут, проведенный расплавом выше 220 °C, каждый застой в головке пресса, где материал застаивается, и каждый избыточный участок истирания в шнеке расходует стабилизатор. Линия, которая производит трубы, проходящие краткосрочный гидростатический тест, но не проходящие тест на время индукции окисления, говорит вам, что тепловая история слишком агрессивна, и коррекция заключается в профиле барабана, геометрии шнека и проектировании канала потока пресса, а не в полиолефине.
Второе — дисперсия углеродного порошка. При нагрузке 2,0–2,5% дисперсия обеспечивает практически полную защиту от ультрафиолетового излучения во время хранения на открытом воздухе и сварки, что имеет значение, поскольку трубы для реконструкции часто стоят на месте неделями, прежде чем их выкачивают. Однако недисперсионные агрегаты действуют как концентраторы напряжения и являются известным местом возникновения медленного растрескивания. Дисперсионный класс 3 или выше при микроскопическом исследовании не является косметической нормой; это структурная норма, и ее достигают с помощью шнека с правильно размещенным смесительным головкой, а не с помощью более длительного времени пребывания.
Третьим фактором является быстрая распространение трещины. БРТ — это быстрая, бесконечная трещина, которая может продвигаться на сотни метров вдоль газопровода или трубопровода с водой. Вероятность ее возникновения возрастает с толщиной стенки, диаметром и низкой рабочей температурой, что является именно тем сочетанием, которое присутствует в погребенном трубопроводе Ø1000 мм в холодном климате. Тест S4 на малом масштабе стационарного режима устанавливает критическое давление, ниже которого трещина прекращается; производитель труб должен быть в состоянии продемонстрировать, что это давление превышает давление сети с запасом. Выбор смолы играет здесь ключевую роль, но также влияет и качество производства, поскольку замороженное ориентирование и остаточные напряжения от неравномерного охлаждения снижают измеренное критическое давление.
PE100-RC все чаще включается в тендеры на реконструкцию в качестве стандартного параметра, а не как опция. Его полная характеристика по тесту на изгибание с креплением не менее 8760 часов, в отличие от нескольких сотен часов для обычного PE100, позволяет коммунальному предприятию отказаться от импортируемого песка и засыпать вырытую почву, а также позволяет прокладывать трубу через скважину, при этом внешняя поверхность будет повреждена гравием. Экономия на поставке песка, утилизации отходов и объеме выемки в рамках городского масштабного проекта является значительной. Для производителя труб это означает, что завод должен быть настроен с первого дня на выпуск PE100-RC, включая возможность обработки немного более высокой вязкости и защиты внешней поверхности трубы от повреждений во время погрузки и транспортировки.
Конфигурация линии по станциям
Полная производственная линия для изготовления труб из ПЭ100 диаметром от 315 до 1200 мм состоит из девяти функциональных станций, каждая из которых должна быть рассчитана на тот же диаметр и толщину стенки. Недостаточное размещение любой из них ограничивает выход всей линии, и наиболее распространенной ошибкой на практике является правильно рассчитанный экструдер, снабжающий недостаточно рассчитанную зону охлаждения. Ниже приведены описания станций, на которые Faygo настраивает линии для класса диаметров от 315 до 1200 мм.
Станция 1: одношнековый экструдер
Блок пластификации представляет собой одношнековый экструдер с рифленным входом диаметром 90, 120 или 150 мм с отношением L/D от 30:1 до 33:1. Для трубы из полиэтилена марки PE100 требуется длинный шнек, поскольку пластификатор обладает высокой вязкостью и должен нагреваться медленно: барьерный шнек отделяет твердое ложе от пула расплава в зоне сжатия, а смесительный наконечник на конце шнека, обычно в виде ананаса или спирального нагревателя, обеспечивает однородность температуры расплава и распределение мастичного материала с углеродным черным порошком. Производительность составляет от 500 кг/ч на машине с диаметром 90 мм до 2000 кг/ч на машине с диаметром 150 мм. Температура в зоне барабана для полиэтилена марки PE100 составляет от 170 °C в районе входа в барабан до 210 °C в районе выхода из барабана, при этом температура в головке пресс-формы поддерживается несколько ниже температуры на выходе из барабана, чтобы повысить прочность расплава. Скорость вращения шнека составляет от 40 до 90 об/мин; работа большого шнека на низких оборотах с высоким крутящим моментом предпочтительнее, чем работа на высоких оборотах, поскольку нагрев за счет трения возрастает в квадрате от скорости и бюджет антиоксиданта ограничен. Удельный энергопотребление хорошо настроенной линии с рифленным входом на полиэтилене марки PE100 составляет от 0,20 до 0,28 кВт·ч/кг, что является числом, которое следует указывать при сравнении конкурирующих предложений, поскольку мощность двигателя по номиналу не говорит ничего о эффективности.
Температура в зоне барабана для PE100 составляет примерно 170 °C в конце подачи и 210 °C в конце барабана, при этом температура в головке пресс-форми поддерживается несколько ниже температуры в конце барабана для создания прочности расплава. Скорость винта находится в диапазоне от 40 до 90 об/мин; запуск большого винта на низкой скорости с высоким крутящим моментом предпочтительнее, чем запуск его на высокой скорости, поскольку нагрев за счет трения возрастает в квадрате от скорости, а бюджет антиоксиданта ограничен. Удельный расход энергии хорошо настроенной линии с загрузочным желобом на PE100 составляет от 0,20 до 0,28 кВт·ч/кг, что является числом, которое следует указывать при сравнении конкурирующих предложений, поскольку мощность двигателя по номиналу не говорит ничего о его эффективности.
Грохочущие секции подачи должны быть интенсивно охлаждаться; если зона прореза перегревается, скорость транспортировки твердых веществ падает, и выход становится нестабильным. Очень рекомендуется использовать гравиметрический датчик массы перед горловиной на линиях большого диаметра, поскольку он превращает экструдер из устройства объемного типа в устройство, контролируемое массой, и стабилизирует массу на метр, которая в конечном итоге определяет толщину стенки.
Станция 2: барабанный пресс большого диаметра
Головка пресса — здесь выигрывают или проигрывают линии большого диаметра. Faygo использует конструкции распределителя спирали и барабанного пресса для этого класса, в которых поток расплавленного материала разделяется на множество каналов, распределяется по окружности и затем объединяется, чтобы линии сварки заживели под давлением, прежде чем расплав покинул пресс. Хорошо спроектированный барабанный пресс обеспечивает равномерность температу��ы расплава в пределах ±3 °C по окружности и эта равномерность напрямую переводится в концентрическую толщину стенки, поскольку местно более горячий расплав является местно менее вязким расплавом и будет течь быстрее через зазор пресса.
Напор в прессе на трубе из ПЭ100 с толстыми стенками составляет от 20 до 35 МПа. Линии губ пресса регулируются, а на самых больших размерах пресс оснащается вращающимся или вибрирующим внешним пресс-ободом, чтобы любая остаточная асимметрия равномерно распределялась по периметру трубы, а не фиксировалась в одной позиции. Канал для потока должен быть свободным от застойных зон: на линии, производящей 1500 кг/ч, стагнационная полость, в которой находится даже несколько килограммов расплава, деградирует, накапливает нагар и периодически выделяет черные частицы, которые не проходят визуальный контроль и служат источниками образования трещин.
Станция 3: система вакуумной калибровки
Ваккуумный калибровочный бак фиксирует наружный диаметр и начинает охлаждение. Линии с большим диаметром используют от двух до четырех калибровочных баков в серии общей длиной от 12 до 24 м. Первый бак содержит калибровочную втулку, размер которой на несколько процентов больше номинального наружного диаметра, чтобы обеспечить усадку, и поддерживает вакуум в диапазоне от −0,02 до −0,05 МПа, который притягивает стенку трубы к втулке. Слишком мало вакуума, и труба не сядет, в результате чего получается профиль с меньшим диаметром и неправильной круглой формой; слишком много, и поверхность трубы будет затягиваться, в результате чего образуется продольное царапины, а в худшем случае нарушается внешняя оболочка.
Охлаждающая вода в первом резервуаре поддерживается при температуре от 12 до 18 °C. Она намеренно не холоднее. Охлаждение стенки толщиной 70 мм против очень холодного вкладыша приводит к образованию твердой кожи, которая затем сжимается над все еще расплавленным ядром, в результате чего возникает высокое остаточное напряжение на внутреннюю поверхность и измеряемое длительное сокращение. Температура воды в резервуарах поэтому стадируется, причем первый резервуар является самым теплым, а последующие — все более холодными. В каждый резервуар установлены собственные вакуумные насосы, устройства контроля уровня и независимо регулируемые опоры труб, чтобы труба не отклонялась между резервуарами под собственным весом.
Станция 4: Внутреннее охлаждение трубы
Внутреннее охлаждение трубы — это технология, которая делает производство очень больших диаметров экономически выгодным, и это самая четкая разделительная линия между современной линией и линией, использующей старые технологии. В обычной линии тепло выходит из стены толщиной 70 мм только через внешнюю поверхность, и поскольку полиэтилен имеет низкую теплопроводность, время охлаждения масштабируется примерно пропорционально квадрату толщины стены. При внутреннем охлаждении в полость трубы через пресс-форму вставляется контролируемый, фильтрованный и осушенный поток воздуха или, в более совершенных системах, замкнутый цикл водяного тумана, поэтому тепло удаляется с обеих поверхностей одновременно.
Измеренные преимущества согласуются: требуемая длина охлаждаемого участка сокращается на 25–35 процентов при той же скорости линии или, эквивалентно, скорость линии повышается на аналогичный процент при существующей длине резервуара. Регулярное напряжение снижается, поскольку профиль температуры через стенку становится более симметричным, а овальность улучшается, поскольку стенка бортовой стороны приобретает жесткость раньше и сопротивляется деформации под действием силы тяжести. Для предприятия, ограниченного пространством, внутреннее охлаждение трубы может быть разницей между рабочей линией длиной 80 м и невозможной линией длиной 110 м.
Станция 5: резервуары для охлаждения распыления
В нижней части вакуумного участка труба проходит через резервуары для охлаждения распыления общей длиной от 12 до 30 м в зависимости от диаметра и толщины стенки. Охлаждение распыления предпочтительнее погружения при больших диаметрах, поскольку можно подавать большое количество воды на поверхность при контролируемой температуре с гораздо меньшим запасом воды и гораздо меньшим эффектом плавучести на трубе. Резервуары для охлаждения распыления разделены на независимо управляемые зоны, обычно от трех до шести, и температура воды постепенно снижается вдоль линии, поэтому стенка охлаждается постепенно, а не резко.
Стадирование температуры зоны — это реальный контроль качества, а не улучшение. Частым дефектом на трубах с толстыми стенками является изгиб или банановидная кривизна, которая появляется только после того, как труба была отрезана и оставлена в покое. Ее основной причиной почти всегда является неравномерное охлаждение: больше распыляемой жидкости попадает на верхнюю часть трубы, чем на нижнюю, или неисправленная группа форсунок на одной стороне. Расположение форсунок следует проверять при каждом переключении, а в резервуары необходимо устанавливать регулируемые роликовые опоры, которые несут массу трубы, не оставляя следов.
Станция 6: измерение толщины стенки с помощью ультразвука
Онлайн-измерение ультразвуком с помощью четырех-восьми датчиков, расположенных по окружности и погруженных в охлаждающую воду, непрерывно сообщает о толщине стенки, овальности и эксцентричности. Головка измерения может быть стационарной или вращающейся; вращающиеся головки дают полный окружностный профиль по цене большей механической сложности. Данные подаются в закрытый цикл, который корректирует скорость винта в зависимости от скорости вытягивания, удерживая толщину стенки в пределах ±3 процентов от целевого значения.
Окупаемость этой станции является мгновенной и арифметической. Без системы управления с закрытым циклом оператор должен работать с запасом в 8–10% от минимальной толщины стенки, чтобы гарантировать, что самая тонкая точка на периметре проходит проверку. С системой управления с закрытым циклом такую же гарантию можно получить при 4–5%. На линии, производящей 1500 кг/ч, эта разница составляет десятки тонн полиэтилена в месяц, которые выходят из завода в качестве дохода, а не в виде ненужной толщины стенки.
Станция 7: транспортировка трубы Caterpillar Haul-Off
При отрезке трубы необходимо тянуть ее против сопротивления калибровочного манжета, вакуума, воды и собственного веса трубы, не деформируя стенку, которая все еще горячая и эластичная. Трубы большого диаметра оснащаются тяговыми устройствами с шестью, восемью, десятью или двенадцатью колесами, расположенными радиально, с общей тяговым моментом от 30 до 150 кН и скоростью от 0,3 до 5 м/мин. Количество колес имеет большее значение, чем общий момент: распределение одинакового давления по двенадцати подушкам вместо шести уменьшает местное давление и предотвращает выгибание, которое впоследствии приводит к дефекту овальности.
Каждая рельса должна быть индивидуально пневматически загружена, чтобы можно было регулировать давление зажима в зависимости от толщины стенки, а подкладки должны быть мягкими, чтобы не повреждать внешнюю поверхность. Повреждение внешней поверхности не является косметическим дефектом на трубе PE100-RC, предназначенной для безрытного монтажа, поскольку в тендерных спецификациях обычно ограничивается глубина любых поверхностных канавок фиксированной долей толщины стенки. Управление скоростью должно осуществляться с помощью сервопривода и синхронизироваться с экструдером через цикл контроля толщины стенки.
Станция 8: безпроводовое планетарное резание
Резать трубу Ø1200 мм с стенкой 71 мм, движущейся со скоростью 0,35 м/мин, — это сложная механическая операция. Компания Faygo поставляет безшлифовые планетарные резаки и резаки типа фрезерного станка, которые движутся вместе с трубой на подвижном кронштейне, зажимают ее концентрично и режут с помощью вращающегося диска или фрезерного головки. Безшлифовку предпочитают там, где заказчик не хочет, чтобы шлаки загрязняли внутренний диаметр; резаки типа фрезерного станка предпочитают при самых больших толщинах стенок, когда сила резки и срок службы диска становятся ограничивающими факторами.
Точность резания должна быть в пределах 0,5 градуса перпендикулярно оси трубы. Это не является произвольной целью: сварной шов, выполненный между двумя концами трубы, которые не являются квадратными, либо не обеспечивает полного контакта, либо образует постоянный угловой сдвиг, и оба этих результата снижают надежность шва. Многие коммунальные предприятия предписывают изготовить заточку на внешней кромке, которую резак может нанести в том же цикле с помощью интегрированного инструмента для заточки.
Станция 9: наклонная стойка, пакетирование и намотка
На последней станции обрабатывается труба длиной, которая может весить более тонны. Автоматическая наклонная стойка принимает отрезанный участок, поворачивает его в сторону оси линии и укладывает на подставку или станцию для пакетирования, причем все это происходит без участия оператора в опасной зоне. Для диаметров до около Ø160 мм можно использовать намотчик, поэтому линии, предназначенные для обслуживания труб для подключения к сетям малого диаметра, следует заранее оборудовать намотчиком, а не устанавливать его позднее.
Сводная информация о линии станка
| Станция | Диапазон спецификации | Основной контрольный параметр | Режим отказоустойчивости при недостаточном размере. |
|---|---|---|---|
| Единый экструдер с одним шнеком | Ø90 / Ø120 / Ø150 мм, L/D 30:1 до 33:1, 500 до 2000 кг/ч | Зоны барабана: 170–210 °C; 40–90 об/мин; 0,20–0,28 кВт/кг | Неравномерное плавление, низкий показатель ОИТ, верхний предел вывода |
| Дисперсионная головка/спиральный распределитель | Регулируемые ушки, опциональный вращающийся кольцо пресса | Напор головки от 20 до 35 МПа; однородность плавления ±3 °C | Ексцентричная стенка, слабость шва, черные пятна |
| Регулировочные резервуары под вакуумом | 2-4 резервуара в серии, общая длина от 12 до 24 м | От −0,02 до −0,05 МПа; температура воды 12-18 °C | Овалность, недостаточный диаметр, следы трения на поверхности |
| Охлаждение внутреннего трубопровода | Дегидратированный воздух или замкнутый цикл водяной мороси через манжету | Уменьшает длину охлаждения на 25–35 процентов | Избыточная длина линии, высокое остаточное напряжение, низкая скорость |
| Реакционные резервуары для охлаждения расплавом | От 12 до 30 м, от 3 до 6 независимых зон | Поэтапное регулирование температуры воды, симметричное покрытие сопла | Согнутость, кривизна после резки, внутреннее напряжение |
| Ультразвуковой толщиномер | 4-8 датчика, фиксированный или вращающийся головка | Регулирование толщины стенки в пределах ±3 процентов | Постоянное перерасход материала на 4-6 процентов |
| Удаление катушки | 6 до 12 дорожек, 30 до 150 кН, 0,3 до 5 м/мин | Отдельно загружаемые подкладки, синхронизация скорости сервопривода | Скольжение по дорожке, выравнивание, маркировка поверхности |
| Безпроводной планетарный/фрезерный инструмент | Подвижная рама, концентрическая зажимная опора, опциональная фаска | Отклонение квадратуры трубы не более 0,5 градуса | Плохой контакт сварного шва, смещение углового соединения |
| Наклонный рельс/сборка/коiler | Автоматический наклон для прямых труб; коил до Ø160 мм | Отсутствие ручного обращения в зоне выгрузки | Повреждение при обращении, риск для безопасности, узкий участок цикла |
Внутреннее охлаждение, контроль усадки и физика процесса при производстве труб большого диаметра из ПЭТВ
Все трудности, связанные с экструдированием труб большого диаметра из ПЭТВ, обусловлены двумя фактами: расплавленный полиэтилен тяжелый, а полиэтилен — плохой проводник тепла. Между выходом из пресс-формы и точкой, в которой внешняя оболочка затвердевает, расплав представляет собой вязкую жидкостную оболочку, поддерживаемую только калибровочным вакуумом, и гравитация тягочет ее вниз. В результате возникает усадка: коронка трубы тоньше, а низ толще. На трубе Ø1200 мм это может легко привести к разнице между наиболее толстым и наиболее тонким местами в 15–25%, если ничего не предпринимать, и поскольку минимальная точка определяет давление, производитель вынужден повысить среднюю толщину стенки, чтобы компенсировать это.
Существует четыре практических меры предосторожности, и хорошо настроенная линия использует все из них. Первое — выбор смолы: с низкой скоростью плавления в нижней части диапазона от 0,2 до 0,5 г/10 мин имеется более высокая прочность расплава и меньшее усадка. Второе — конструкция пресса с вращающимся или колеблющимся внешним кольцом пресса, чтобы любые изменения толщины, вызванные самим прессом, распределялись по окружности, а не совпадали с усадкой. Третье — более короткий, быстрый путь к первому затвердеванию, достигаемый за счет хорошо спроектированной калибровочной манжеты и первого вакуумного резервуара, который захватывает трубу как можно раньше. Четвертое и самое мощное — внутреннее охлаждение трубы, которое упрочняет поверхность просвета в первых метрах.
Некоторые производители также медленно вращают весь головку пресса. Это выравнивает как вариации, вызванные прессованием, так и вариации, вызванные гравитацией, и может значительно снизить вариации стенки от максимума к минимуму, но при этом требуется более сложная и требовательная к обслуживанию головка. Для завода, в котором доминирует выпуск труб диаметром 900 мм и более, добавляемая сложность обычно оправдана; для завода, ориентированного на трубы диаметром от 315 до 630 мм, как правило, нет.
Время охлаждения в сравнении со скоростью линии: настоящий узкий звенящий путь
На трубе малого диаметра скорость подачи ограничена тем, как быстро экструдер может расплавить полимер. На трубе большого диаметра она ограничена тем, как быстро тепло может покинуть стенку. Поскольку время охлаждения пластины, охлаждаемой с одной стороны, пропорционально квадрату ее толщины, удвоение стенки с 35 мм до 70 мм увеличивает требования к охлаждению в четыре раза. Поэтому просто установка более мощного экструдера на линию большого диаметра не дает никакого результата: расплав будет прибывать быстрее и оставаться мягким, деформируясь при откачке и теряя овальность.
Правильные ответы — увеличить длину охлаждающего участка, ставить температуру воды таким образом, чтобы тепловой градиент использовался эффективно на всей длине, и, прежде всего, охлаждать с обеих поверхностей с помощью внутреннего охлаждения труб. Линия, использующая внутреннее охлаждение, может иметь ту же длину резервуара и повышать скорость или сохранять ту же скорость и экономить 20-30 м дорогостоящей производственной площади. В любом случае капитал, выделенный на внутреннее охлаждение, является оборотным капиталом, а не улучшением.
Овальность, остаточные напряжения и реверсия
Три дефекта преобладают в производстве труб большого диаметра, и все три связаны с неравномерным тепловым режимом. Овальность измеряется как разница между максимальным и минимальным внешним диаметром, и это важно, поскольку овальная конец трубы не может быть сварен сваркой встык без повторного обточки клещей, а также потому, что овальность снижает устойчивость к сгибу под внешним грунтовым нагрузанием. Остаточные напряжения проявляются в том, что труба расширяется или сжимается при резке и разрезании кольца, и это снижает долгосрочные гидростатические характеристики. Продольное реверсирование, измеряемое как усадка после обработки в печи, должно оставаться на уровне или ниже 3 процентов и является прямым показанием замороженного положения.
| Дефект | Типичная причина неисправности | Корректирующие меры на линии |
|---|---|---|
| Тонкая корона, толстая инверсия (опускание) | Тяжелое поток расплава перед затвердеванием; слишком высокий МФР; расплав слишком горячий | Снизить температуру расплава на 3-5 °C; включить внутреннее охлаждение; вращать кольцо формы; выбрать более низкий класс МФР |
| Овалность вне допустимых пределов | Недостаточное вакуумирование; труба все еще мягкая при отгрузке; недостаточная поддержка роликов | Повысить вакуум до −0,05 МПа; продлить охлаждение; добавить и выровнять опоры роликов |
| Кривизна в виде банана или банана после резки | Неравномерное покрытие распылителя; заблокированный банк форсунок; неравномерный уровень воды в резервуаре | Проверьте поток форсунок сверху и снизу; балансируйте температуры зоны; корректируйте уровни резервуара |
| Высокая остаточная деформация / возвращение кольца | Вода в первом резервуаре слишком холодная; закалка толстой стенки | Повысьте температуру воды в первом резервуаре до 16-18 °C, постепенно снижая температуру в последующих резервуарах |
| Долгосрочное реверсирование более 3 процентов | Избыточное вытягивание между формой и втулкой; застывшая ориентация | Снизить коэффициент вытягивания, повторно настроить зазор между формой и стенкой, замедлить отгрузку по сравнению с выходом |
| Черные пятна или полосы на стенке | Мертвое пятно в канале потока формы; испорченный материал; загрязненный регенерированный материал | Промыть канал потока, проверить сменный экран; провести аудит обработки материала |
| Маркировка на внешней стенке | Износ калибровочной втулки; чрезмерный вакуум; жесткие упоры для отсоединения | Восстановление фланца; снижение вакуума до минимума, при котором труба плотно зафиксирована; установка мягких уплотнителей |
Запуск производства, смена и планирование
Два экономических фактора отделяют производство труб большого диаметра от производства труб малого диаметра. Первый из них — потери при запуске. Перевод патрона диаметром 1000 мм из холодного состояния в стабильное производство требует значительного количества материала, прежде чем толщина стенки, овальность и качество поверхности будут соответствовать допустимым значениям, а при этих толщинах стенки это количество измеряется сотнями килограммов. Решение этого вопроса заключается не в героических действиях на пульте управления, а в дисциплинированном управлении рецептами: хранятся и проверяются наборы параметров для каждого диаметра и соотношения SDR, благодаря чему линия приближается к целевому значению, а не ищет его.
Второй фактор — время смены. Полная смена диаметра на крупном производстве означает замену инструмента для головки пресса, калибровочного фланца, вставок в бак, мягких уплотнителей и зажимного устройства для резца, а затем повторное нагревание инструмента и восстановление стабильности. Реальное время, необходимое для смены, составляет от 4 до 12 часов в зависимости от того, насколько далеко расположены два диаметра, и насколько хорошо организовано оборудование. Из-за этого крупные заводы планируют длительные кампании, производя один диаметр и соотношение SDR в течение нескольких дней, и они инвестируют в предварительно нагретой запасной инструмент для пресса и быстросъемные крепления фланцев, чтобы сократить время смены.
Измерение длины и подъем трубы — третий практический вопрос. Трубы обычно поставляются в прямых отрезках длиной 6 м, 11,8 м или 12 м для труб большого диаметра, и энкодер измерения длины должен быть калиброван по отношению к физическому отметке при каждой смене диаметра, поскольку систематическая погрешность измерения длины в размере даже одного процента на протяжении большого заказа становится предметом коммерческого спора. Подъем осуществляется с помощью широких ремней или вакуумных подъемников, а не цепей, поскольку цепь маркирует поверхность теплого ПЭ и создает именно ту заусеницу, в которой начинается процесс медленного растрескивания.
Сварка замыкающих концов, электросварка и бесшахтное монтаж
Труба, которую невозможно надежно соединить на месте, бесполезна для водопроводной компании, поэтому спецификация производственного оборудования должна быть составлена с учетом метода сварки в дальней части. Три технологии сварки доминируют в зарытых водопроводных трубах из ПЭ100: сварка замыкающих концов для прямых соединений труб с трубами, электросварка для муфт, ответвлений и ремонтов в ограниченных ямах и фланцевые соединения, когда система ПЭ соединяется с клапанами, насосами или металлической трубопроводной арматурой.
Сварка замыкающих концов труб большого диаметра
Сварка замыкающих концов осуществляется путем плотного и правильного сопряжения двух концов трубы, нагревания обеих поверхностей против температурно-контролируемой нагревательной пластины, отведения пластины и прижатия поверхностей под контролируемым давлением до тех пор, пока сварное соединение не остынет. Температура поверхности нагревательной пластины для ПЭ100 поддерживается в диапазоне от 200 до 230 °C, причем нижний край этого диапазона предпочтителен для очень толстых стенок, поскольку длительное нагревание при высокой температуре приводит к переокислению поверхности расплава.
Четыре фактора определяют сварное соединение. Время образования первоначального шва из расплава создает шов. Время нагревания, которое прямо пропорционально толщине стенки, позволяет переднему краю расплава проникнуть достаточно глубоко в стенку, чтобы зона сварки была настоящей конструкционной сваркой, а не поверхностным слоем. Время смены, интервал между отведением пластины и закрытием сварного соединения, должно быть как можно короче, поскольку открытый расплав начинает окисляться и охлаждаться в тот момент, когда пластина отведена; на трубах с толстыми стенками это является наиболее распространенной причиной некачественного сварного соединения. Наконец, время охлаждения под поддерживающим давлением составляет около 1,5 минуты на миллиметр толщины стенки, что для стенки толщиной 70 мм означает, что сварное соединение должно оставаться зажатым и под давлением в течение более чем полутора часов.
| Толщина стенки | Температура нагревательной пластины | Относительное время нагревания | Максимальное время смены | Охлаждение под давлением (около 1,5 мин/мм) |
|---|---|---|---|---|
| От 18 до 25 мм | От 210 до 230 °C | Короткий | Не более 10 секунд | Около 27–38 минут |
| 26–40 мм | 205-225 °C | Средний уровень | Не более 12 секунд | Обычно 39–60 минут |
| 41 до 60 мм | 200 до 220 °C | Длинный | Менее 15 секунд | Приблизительно 62 до 90 минут |
| 61 до 110 мм | 200 до 215 °C | Очень длинный | Менее 20 секунд | Приблизительно 92 до 165 минут |
Линия производства способствует качеству соединений тремя конкретными способами. Отсутствие отклонения от прямолинейности в пределах 0,5 градуса снижает количество материала, который необходимо удалить инструменту для обработки поверхности стыка, и сокращает этап выравнивания. Овалность в пределах допуска означает, что зажимы для повторного округления могут закрепить стык без чрезмерного усилия. А постоянная толщина стенки между двумя концами трубы имеет значение, поскольку большинство методов сварки ограничивают допустимое несоответствие толщины стенки по всему стыку; две трубы с плохо контролированной линии могут просто не быть сварными друг с другом.
Электрофюзирование и фланцевые соединения
Электрофюзирование использует фитинг с встроенным резистивным проводом. Конец трубы очищается от окисленного поверхностного слоя, вставляется в фитинг, и через провод проходит ток по контролируемому энергетическому профилю до тех пор, пока интерфейс не расплавится и не сольется. Это метод предпочтительный в узкой траншее, для примыканий к существующим магистралям, для разветвлений и для ремонтов, поскольку он требует гораздо меньше рабочего пространства, чем машина для сварки завалов, и он менее чувствителен к технике оператора. Его ограничение при очень больших диаметрах — доступность и стоимость фитинга, поэтому на типичном проекте реконструкции сварка завалов осуществляется на длинных участках над землей, а электрофюзирование применяется только к соединениям.
Фланцевые соединения используют ПЭ-конец сварки, сваренный с трубой с помощью свободного металлического опорного кольца. Они используются там, где ПЭ-система соприкасается с клапаном, насосом, камерой счетчика или существующей металлической трубопроводной арматурой, а также там, где требуется в будущем демонтируемый шов. Деталь конструкции, которая имеет значение, — управление моментом затяжки болтов: ПЭ деформируется, поэтому болты фланцевого соединения должны быть перетянуты после начального периода расслабления, и конструкция не должна полагаться на то, что ПЭ-конец сварки будет нести концентрированный момент затяжки бесконечно долго.
Безотходные методы в сравнении с прокопанными траншеями
| Метод | Типичная пригодность диаметра | Условия наилучшего соответствия | Требование к трубе | Относительный уровень затрат |
|---|---|---|---|---|
| Открытая траншея | Ø315 до Ø1600 мм | Коридоры Greenfield, широкие бортики, неглубокое покрытие, небольшое воздействие движения транспорта | Стандарт PE100; PE100-RC позволяет использовать естественный наполнитель вместо песчаного слоя засыпки | Низкое в открытом грунте, очень высокое в плотных городских улицах |
| Горизонтальное направленное бурение (HDD) | Ø315 до Ø1000 мм | Пересечения рек, железных дорог и автострад; длинные безпрепятственные протяжки | Преимущественно рекомендуется ПЭ100-RC; ограничения глубины повреждений применяются; требуется высокая прочность на разрыв | Средний до высокий |
| Установка труб / микротуннелирование | Трубопровод диаметром от 800 до 1600 мм | Глубокое выравнивание, плохая почва, препятствия, требующие жесткого кожуха | Полиэтиленовый трубопровод вставлен в установленную трубу; аннулюс утрамбован | Очень высокий уровень |
| Разрыв трубопровода | Трубопровод диаметром от 315 до 630 мм (обычно), больший при использовании тяжелых установок | Замена вышедшего из строя чугунного или асбестоцементного магистрального трубопровода на той же трассе с увеличением диаметра | Необходим полиэтилен 100-RC; новый трубопровод проталкивается через фрагментированный материал основного трубопровода | Средний уровень |
| Наличие полиэтиленового трубопровода | Ø315 до Ø1200 мм | Основной трубопровод, имеющий структурно надежную конструкцию, но протекающий, с запасным гидравлическим ресурсом | Строка из полиэтилена 100 с уменьшенным диаметром или стандартная; аннулюс утрамбован после вставки | Низкий или средний уровень |
| Уплотнение трубопровода, установленного на месте (CIPP) | Трубопровод диаметром от 300 до 1500 мм | Основной трубопровод с приемлемым строением, при котором необходимо минимизировать потери просвета | Не метод полиэтиленового трубопровода; конкурирует с полиэтиленовым уплотнением на том же объекте | Высокая |
Важное для производителя труб наблюдение заключается в том, что три из этих пяти методов заставляют трубопровод двигаться по грунту, по фрагментам скалы или стене основного трубопровода. Поэтому полиэтилен 100-RC перестал быть престижным вариантом и стал стандартной спецификацией при заключении договоров на реконструкцию, и завод, который может производить только полиэтилен 100, постепенно потеряет доступ к наиболее ценному сегменту рынка. Последствия для оборудования незначительны, но реальны: линия должна работать с немного более вязкой смолой и должна защищать внешнюю поверхность трубопровода в каждом контактном месте от калибровочной втулки до стопора.
Стандарты, проверка качества и протокол заводского испытания
Заглубленный трубопровод из ПЭТВ представляет собой продукт с регулируемым давлением, имеющий пятидесятилетний срок службы, а протокол испытаний — это то, что превращает производственный процесс в гарантированный продукт. Производители труб, участвующие в программах обновления коммунальных систем, обычно работают в соответствии с комбинацией стандартов по размеру и характеристикам продукта, стандартов гигиенической пригодности и спецификаций, определенных в рамках конкретного проекта.
Применяемые стандарты
- GB/T 13663.2 — Системы полиэтиленовых трубопроводов для водоснабжения, часть, охватывающая трубы; основной китайский стандарт продукции, касающийся размеров, допусков и характеристик.
- ISO 4427 — Пластиковые трубопроводные системы, полиэтиленовые трубы и фитинги для водоснабжения; международная референтная серия, охватывающая общие требования, трубы, фитинги и пригодность для использования.
- EN 12201 — Европейский стандарт для полиэтиленовых трубопроводных систем для водоснабжения и отвода и канализации под давлением.
- ASTM F714 — Полиэтиленовые пластиковые трубы по внешнему диаметру, широко используемые в североамериканской практике для труб большого диаметра под давлением.
- AWWA C906 — Полиэтиленовые трубы и фитинги для водопроводных систем, североамериканская спецификация для труб большого диаметра.
- GB/T 17219 — Стандарт по оценке безопасности оборудования и защитных материалов в системах питьевой воды, регулирующий гигиеническую пригодность.
- NSF/ANSI 61 — Компоненты систем питьевой воды, влияние на здоровье; североамериканская сертификация контакта с питьевой водой.
Эти цитаты приведены в виде обычного текста, поскольку техническое содержание, а не ссылка на документ, определяет спецификацию оборудования. На практике размерные таблицы стандартов GB/T 13663 и ISO 4427 почти совпадают для диаметров в метрической системе, что позволяет одной производственной линии обслуживать оба рынка при условии, что система измерения и регистрации способна подтвердить соответствие какому-либо из них.
Таблица контроля качества
| Тест | Состояние | требование | Что означает неудача |
|---|---|---|---|
| Гидростатическая прочность, краткосрочная | 20 °C, 100 h | Стресс в ободке 12,4 МПа, без разрушения | Отсутствие толщины стенки или использование неправильной смолы |
| Гидростатическая прочность, среднесрочная | 80 °C, 165 h | Стресс в поперечном направлении 5,4 МПа, без разрушения | Пластичность, загрязнение, плохое сращивание пластика. |
| Гидростатическая прочность, долгосрочная | 80 °C, 1000 h | Стресс в поперечном направлении 5,0 МПа, без разрушения | Подверженность медленному росту трещин; ключевой показатель срока службы 50 лет |
| Удлинение при разрушении | Испытание на растяжение на обрабатываемом образце | ≥ 350 процентов | Термическая деградация или загрязнение инородными веществами |
| Продольное реверсирование | Обжиг отметанного участка | ≤ 3 процента | Превышение давления и застывание ориентации. |
| Время индукции окисления; | 210 °C, дифференциальная сканирующая калориметрия | ≥ 20 мин | Превышение температуры расплава или времени пребывания; расход стабилизатора |
| Содержание углеродного порошка | Термогравиметрический или метод обжига | 2,0–2,5 процента | Ошибка дозировки мастики; риск отсутствия ультрафиолетовой защиты. |
| Дисперсия углеродного сажи | Разрез микротомом, оценка микроскопом | Класс 3 или выше | Недостаточный смесительный головок или слишком низкое сцепление винтов |
| Изменение скорости потока расплава; | Сравнение трубы с исходной смесью | Изменение в пределах ±20 процентов | Разрыв цепи или перекрестная реакция во время обработки. |
| Толщина стенки и овальность. | Цифровое измерение по таблице допуска | Никаких точек ниже минимальной толщины стенки; овальность в пределах предела, зависящего от диаметра | Согнутость, проблемы с вакуумом, недостаточное охлаждение |
| Гигиеническая пригодность | Выявление и органолептическая оценка | Соответствие стандарту питьевой воды | Несоответствие пакета добавок или перекрестное загрязнение. |
Наиболее полезным способом прочтения этой таблицы является диагностическая карта производственной линии, а не список проверки соответствия. Гидростатические испытания проверяют контроль толщины стенки и качество плавления. Время индукции окисления проверяет тепловой режим, наложенный профилем барабана, геометрией винта и каналом впрессовки. Реверсия проверяет отношение вытяжки между впрессовкой и калибровочной втулкой. Дисперсия проверяет смесительный головок. Завод, который рассматривает результаты лабораторных испытаний как обратную связь с процессом, а не просто как порог перед отправкой, стремится к стабильному качеству намного быстрее, чем тот, который этого не делает.
Планирование расположения завода, коммуникаций, персонала и инвестиций
Большая труба из ПЭТД с диаметром от 630 до 1200 мм представляет собой длинную, узкую, поднимаемую кранами постройку, и ограничения по планировке неумолимы, поскольку процесс представляет собой прямую линию, которую нельзя сгибать. Полная линия диаметром от 630 до 1200 мм занимает от 60 до 120 м чистой длины пола от бункера с материалом до стопочного стеллажа, причем на долю секции охлаждения приходится самая большая доля.
| Плановый пункт. | Линия Ø315-Ø630 мм | Ø630 до Ø1200 мм линия | Примечания |
|---|---|---|---|
| Длина чистой линии. | 60 до 85 м | 90 до 120 м | Добавить 12–15 м выноса за резак для длины трубы 12 м |
| Строительный пролёт | 18–24 м | 24–30 м | Пролёт должен обеспечивать доступ для обслуживания плюс зону для размещения инструментов с обеих сторон |
| Надземный кран | 5–10 т | 10 до 16 т | Размер определяется массой инструмента для штамповки, а не массой трубы |
| Установленная электрическая нагрузка | Средний уровень | Высокая | Рабочая нагрузка обычно составляет 55–70% установленной нагрузки в стабильном производстве |
| Нагрузка на охлажденную воду | Средний уровень | Высокий до очень высокий | Масштабируется в зависимости от килограммов расплава в час, а не в зависимости от метров трубы; внутреннее охлаждение снижает общую нагрузку |
| Количество операторов на смену | 3–4 | 4–5 | Один руководитель линии, один оператор экструзии, один оператор по ходу процесса, один–два сотрудника по погрузке и разгрузке |
| Склад готовой трубы | Средний размер площадки | Очень большой размер площадки | Трубы большого диаметра потребляют больше объема, а не массы; планируйте площадку перед постройкой здания |
| Относительный уровень инвестиций в оборудование | Средний до высокий | Очень высокий до премиальный | Инструменты для пресс-форм для каждого диаметра составляют значительную часть общих затрат |
Три ошибки планирования повторяются. Первая из них — покупка линии до того, как будет обеспечена длина здания, что приводит к сжатым участкам охлаждения и постоянно снижает производительность. Вторая — недооценка мощности установки для охлажденной воды, поскольку нагрузка определяется пропускной способностью расплава и необходимой стабильностью температуры воды, и холодильник, который не может поддерживать постоянную температуру в первом резервуаре на уровне 16 °C в жаркий день, будет производить трубы, не соответствующие допустимым параметрам, каждую лето. Третья — пренебрежение складом готовой продукции: трубы большого диаметра потребляют больше объема, чем их масса, и завод, который не может хранить несколько недель продукции, будет вынужден подчинять свой производственный график доступности грузовых автомобилей.
Численность персонала на хорошо автоматизированной линии невелика. Три-пять человек на смену могут управлять линией с диаметром 1200 мм, и концентрация навыков сосредоточена на руководителе линии, который владеет рецептурой и интерпретирует данные ультразвука, а не в ручном труде. Управление автоматизацией, особенно наклонной стойкой и станцией пакетирования, является разницей между безопасной эксплуатацией и заводом, который регулярно ставит людей рядом с движущейся тонной теплого полиэтилена.
На этапе инвестиций честная конструкция относительна, а не абсолютная. Расширение линейки с возможностью Ø630 мм до Ø1200 мм — это очень значительный шаг, а не постепенный, поскольку экструдер, головка пресс-форми, резервуары, выгрузка, резак и кран одновременно переходят в более высокий класс. Стратегия поэтапного развития, начинающаяся с ленты Ø315–Ø800 мм и дополняющая очень большую ленту, когда заказы оправдывают это, обычно является более разумным подходом для нового участника, и это путь, который Faygo обычно рекомендует во время консультаций по планированию завода.
Ввод в эксплуатацию, переключение и долгосрочная эксплуатация с Faygo
Фабрика Faygo, входящая в состав Wanplas, уже 22 года специализируется на линиях для экструзии труб и профилей и управляет тремя специализированными заводами, из которых FAYGOPLAST занимает 26 650 квадратных метров в городе Чжанджаяган, примерно в двух часах езды от аэропорта Шанхая. На заводе зарегистрировано 13 национальных патентов, в том числе 8 патентов на изобретение, и все производственные линии сертифицированы по стандартам CE и ISO. В рамках бренда Wanplas фабрика Faygo отвечает за категорию труб и профилей, наряду с другими заводами, такими как Kerke, специализирующийся на двойных экструдирующих смесителях, и Polyretec, занимающийся системами мойки и рециркуляции, что имеет значение, когда завод по производству труб позже хочет добавить внутренний цикл рециркуляции отходов.
Технические обязательства, которые больше всего влияют на покупателя труб большого диаметра, носят практический характер. Каждая линия проходит 72-часовую непрерывную проверку работоспособности на заводе перед доставкой, работая с собственным пластиком, если он может быть доставлен, чтобы продемонстрировать выход, стабильность толщины стенки и овальность. Система управления представляет собой пакет ПЛК и сенсорного экрана, построенный на международно признанных электрических брендах, с свободно настраиваемыми параметрами, хранением рецептов по диаметру и SDR, корректировкой в реальном времени в процессе производства и регистрацией данных для отслеживания качества. Эта функция рецепта превращает переключение из искусства в процедуру.
Полный спектр услуг за пределами оборудования
Поскольку большинство покупателей оборудования большого диаметра являются либо подрядчиками коммунальных услуг, диверсифицирующимися в сфере производства, либо уже существующими производителями труб малого диаметра, переходящими на более крупные размеры, компания Faygo предоставляет консультационные услуги на заводе наряду с самой линией. Этот спектр включает проектирование водопроводных и электрических систем, трехмерное планирование завода, конфигурацию и обучение работников, полное строительство нового завода с нуля, замену старого оборудования с нулевым простоям остальной части завода и расширение мощности, направленное на устранение конкретного узкого места, а не на дублирование всей линии. Для крупнодиаметрового проекта планировка и проектное проектирование часто более ценны, чем любая спецификация конкретной машины, поскольку они определяют, может ли линия достичь заявленной производительности.
Компания Wanplas придерживается политики бренда, согласно которой предоставляется ежегодная бесплатная гарантия на запасные части, бесплатная замена деталей, которые выходят из строя в течение гарантийного срока, круглосуточная техническая поддержка в режиме онлайн, установка и пусконаладка на месте силами инженеров завода и открытая политика, в соответствии с которой клиенты могут посетить завод и лично убедиться в качестве продукции и пройти 72-часовую проверку. Компания Wanplas заявляет, что ее миссия — нагревать клиентов по всему миру китайской пластиковой машиной, и в сегменте труб большого диаметра это означает долгосрочную поддержку, поскольку эти линии, как правило, эксплуатируются в течение более чем десяти лет.
Сравнивая поставщиков объективно
Покупатели, оценивающие оборудование с большим диаметром, столкнутся с европейскими производителями, такими как battenfeld-cincinnati и КраусМаффей, а также с китайскими поставщиками, включая Faygo. Полезным сравнением является не репутация бренда, а короткий список проверяемых технических вопросов: какой энергопотребление в кВтч/кг на собственной смоле заданной производительности? Какое равномерное распределение температуры расплава достигается головкой формы по периметру? Включена ли внутренняя охлаждение трубы, и какое документированное сокращение длины охлаждения оно обеспечивает? Какая толерантность толщины стенки поддерживается в ходе испытаний с закрытым циклом? Сколько времени занимает документированная смена диаметров, и включена ли предварительно нагреванная запасная инструментация? На каждый из этих вопросов можно ответить числом во время испытаний на заводе, и поставщик, который будет гарантировать эти числа в договоре, расскажет вам больше, чем любая брошюра.
Часто задаваемые вопросы
Какая размер экструдера необходим для Ø1200 мм трубы из HDPE?
Одношнековая экструдер диаметром Ø150 мм с коэффициентом L/D равным 33:1, барьерная шнек с смесительным головкой и высокомощным редуктором является стандартной конфигурацией для труб Ø1200 мм, обеспечивающей выход в диапазоне от 1200 до 2000 кг/ч. Причина не только в массовом потоке: у трубы диаметром 1200 мм толщина стенки превышает 70 мм, и расплав необходимо подавать при очень постоянной температуре, иначе в толстом сечении будут наблюдаться вариации стенки и сокращение времени индукции окисления. Работа меньшего экструдера с большей скоростью является ложной экономией, поскольку дополнительная скорость шнека добавляет трение и потребляет стабилизатор.
Почему ��спользуется внутреннее охлаждение труб большого диаметра из ПЭТ?
Полиэтилен плохо проводит тепло, поэтому толстая стенка, охлаждаемая только с внешней стороны, тянется очень долго, чтобы застыть, и время охлаждения примерно соответствует квадрату толщины стенки. Внутреннее охлаждение трубы вводит контролируемый поток воздуха или водяной мists в полость через вал пресс-форми, чтобы тепло покидало обе поверхности. Документированный результат — сокращение требуемого участка охлаждения на 25–35 процентов, а также снижение остаточного напряжения и лучшая овальность, поскольку термальный профиль через стенку становится более симметричным.
В чем разница между PE100 и PE100-RC, и когда требуется RC?
Оба сорта имеют одинаковую краткосрочную прочность, с минимальной требуемой прочностью 10,0 МПа и рабочим напряжением 8,0 МПа, поэтому карта SDR к классу давления идентична. Разница заключается в устойчивости к медленному росту трещин: для PE100-RC необходимо достичь результата теста на полное изгибное удлинение в течение не менее 8760 часов в отличие от нескольких сотен часов для обычного PE100. Марка RC требуется, когда труба будет установлена без песчаного слоя, вытягиваться через скважину с помощью направленного бурения, устанавливаться путем взрывания трубы или подвергаться точечным нагрузкам от каменной родной отсыпки.
Какую толщину стенки должно поддерживать линия большого диаметра?
С помощью системы ультразвукового контроля с закрытым циклом, использующей от четырех до восьми датчиков, хорошо настроенная линия обеспечивает толщину стенки в пределах ±3% от целевого значения и может, следовательно, выпускать трубы с толщиной стенки всего на 4–5% выше минимального значения. Без системы ультразвукового контроля с закрытым циклом операторы обычно работают с превышением минимального значения на 8–10%, чтобы защитить самую тонкую точку по окружности. На линии, производящей 1500 кг/ч, разница между этими двумя пределами является наиболее быстро окупающимся одним из элементов всего комплекса оборудования.
Сколько времени занимает смена диаметра на линии большого диаметра?
Полная перестройка включает инструменты для головки пресса, калибровочную втулку, вставки в бак, уплотнительные прокладки и зажим режущего инструмента, после чего следует повторное нагревание и стабилизация, и в реальности это занимает от 4 до 12 часов в зависимости от того, насколько далеко находятся два диаметра. Поэтому предприятия планируют длительные кампании с одного диаметра и SDR, а не часто переключаются. Предварительно нагретые запасные инструменты для пресс-форми, быстросменные крепления втулок и сохраненные наборы параметров рецептуры — это три инвестиции, которые наиболее надежно сокращают это время.
Что вызывает то, что толщина стенки в верхней части трубы большого диаметра тонкая?
Это явление называется усадкой расплава: до того, как стена затвердеет, гравитация опускает вязкий кольцевой слой расплава вниз, в результате чего корона становится тоньше, а инверт — толще. Это становится заметным выше примерно Ø400 мм и особенно заметно выше Ø800 мм. Контрмеры — более низкий темп течения расплава с более высокой прочностью расплава, снижение температуры расплава на несколько градусов, вращающийся или колеблющийся внешний цилиндрический вал, чтобы выровнять изменение по окружности, и внутреннее охлаждение трубы для упрочнения внутренней стороны в самом начале.
Сколько времени должно быть под давлением соединение сварки в трубе с толстыми стенками?
Охлаждение при поддерживаемом давлении занимает примерно 1,5 минуты на каждый миллиметр толщины стенки, поэтому для стенки толщиной 70 мм необходимо, чтобы шов оставался зажатым и под давлением в течение более чем полутора часов. Отпуск давления раньше является наиболее распространенной причиной швов, которые проходят визуальный контроль, но не выдерживают эксплуатацию. Пластина нагревателя поддерживается при температуре от 200 до 230 °C, нижняя часть этого диапазона предпочтительна для самых толстых стенок, и время переключения между отсоединением пластины и закреплением шва должно быть как можно короче, позволяемое оборудованием.
Может ли одна производственная линия охватывать весь диапазон Ø315-Ø1200 мм?
Это технически возможно, но экономически нецелесообразно. Экструдер, головка пресс-форми, поперечное сечение резервуара, сила вытягивания и производительность резака, подходящие для Ø1200 мм, сильно перегружены для Ø315 мм, а переключение между этими диаметрами происходит медленно. Обычная конфигурация — две линии с намеренным перекрытием, например, Ø315-Ø800 мм на экструдере Ø120 мм и Ø630-Ø1200 мм на экструдере Ø150 мм, что обеспечивает гибкость в планировании производства в середине диапазона, при этом каждая линия находится вблизи своего эффективного рабочего состояния.
Какие стандарты применяются к погруженным трубам из ПЭ-100 для водопроводных сетей?
Основными стандартами продукции являются GB/T 13663.2 в Китае, ISO 4427 на международном уровне, EN 12201 в Европе и ASTM F714 с AWWA C906 в Северной Америке. Гигиеническая пригодность для питьевого контакта регулируется стандартом GB/T 17219 в Китае и NSF/ANSI 61 в Северной Америке. Поскольку метрические таблицы размеров GB/T 13663 и ISO 4427 тесно связаны, одна производственная линия может обслуживать оба рынка при условии, что система измерения, контроля и ведения записей может подтвердить соответствие какому-либо из них.
Заключение
Оборудование для производства труб из HDPE с большим диаметром — это специализированный класс машин, конструкция которых определяется двумя физическими фактами: расплавленный полиэтилен прогибается под собственным весом, прежде чем застыть, а толстые стены полиэтилена охлаждаются медленно. Каждое значимое решение по спецификации на линии вытекает из этих двух фактов. Экструдер должен быть большим, длинным и плавно редуцированным, чтобы высоковязкий состав PE100 или PE100-RC был однородным без сгорания пакета стабилизаторов. Головка die должна распределять расплав с точностью до нескольких градусов по окружности. Охладительная линия должна быть длинной, многоступенчатой и на самых больших размерах должна отводить тепло как из внутреннего, так и из внешнего диаметра. Привод должен распределять сцепление по нескольким направлениям, а резак должен обеспечивать квадратную поверхность, которую можно сваривать в полевых сварочных машинах.
Для программы обновления муниципальной сети водопровода выгода от правильного решения заключается в трубе из ПЭ100 диаметром от Ø315 до Ø1200 мм с проектной службой в течение 50 лет, полностью сваренных герметичных соединениях, устойчивости к коррозии грунта, устойчивости к перемещению грунта и совместимости с методами бестраншейной установки, которые делают городское обновление доступным. PE100-RC, обладающий полной проверкой на крейп при наклоне не менее 8760 часов, расширяет эту совместимость на бестраншейную установку без песка и на установку с вытяжкой, и он быстро становится стандартным вариантом, а не модернизацией.
Faygo, завод Wanplas с 22-летним опытом в области экструзии труб и профилей, 13 национальными патентами, сертификацией CE и ISO и 72-часовой непрерывной испытательной работой на каждой линии перед отправкой, строит эти системы в виде готовых комплексных решений, от планировки завода и проектирования коммунальных систем до установки, пусконаладки, обучения персонала и долгосрочной технической поддержки. Если вы планируете завод по производству труб из ПЭТ большого диаметра, продуктивным следующим шагом будет определение диаметра и диапазона SDR, необходимого вашему заказу, а затем запросить предложение по конфигурации и свидетельствующую заводскую приемную проверку с вашей собственной смолой, чтобы показать, что выход, допуск толщины стенки и расход энергии на единицу веса подтверждены числами, прежде чем линия покинет Китай.
