連續(xù)玻璃纖維（CFRT）增強(qiáng)聚乙烯管作為一種新型的復(fù)合管道以其重量輕、強(qiáng)度高、成本低、耐腐蝕、綠色環(huán)保等一系列的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在市政、水利、煤炭、化學(xué)、油氣等領(lǐng)域等有著巨大的應(yīng)用前景，受到管道行業(yè)的廣泛關(guān)注，因此，近些年來連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯管復(fù)合材料及其工藝研究都進(jìn)展十分迅速。

國(guó)內(nèi)外的管道企業(yè)對(duì)連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯管復(fù)合材料及其工藝進(jìn)行了深入的研究，也取得了一些成果，比如荷蘭 Airborne公司開發(fā)成功的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料增強(qiáng)復(fù)合管2012年獲得了JEC美洲創(chuàng)新獎(jiǎng)。美國(guó)企業(yè) Composite Fluid Transfer LLC開發(fā)成功的連續(xù)纖維增強(qiáng)聚乙烯管獲2013 JEC 美國(guó)創(chuàng)新獎(jiǎng)。國(guó)內(nèi)企業(yè)如晨光、偉星、合寧等企業(yè)也在積極開發(fā)玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯管等等。但目前產(chǎn)品大都集中在小口徑（300mm以下）管道或者低壓排水管道等市場(chǎng)領(lǐng)域，而大口徑管道開發(fā)領(lǐng)域存在產(chǎn)品成本高，生產(chǎn)效率低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)等缺點(diǎn)，無法在大口徑管道領(lǐng)域市場(chǎng)上大規(guī)模的推廣和應(yīng)用，纖維增強(qiáng)大口徑熱塑性管道國(guó)內(nèi)外都處在開發(fā)階段。

玻纖預(yù)浸、復(fù)合、直接纏繞成型增強(qiáng)聚乙烯管工藝（簡(jiǎn)稱CHY工藝）的出現(xiàn)，有效的解決了現(xiàn)行工藝中大直徑管熔接不方便、用料太費(fèi)、成本太高、效率低下等問題，使得大口徑連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯管大規(guī)模使用成為可能。

1.CHY工藝介紹

CHY工藝主要包括玻璃纖維預(yù)浸、烘干、玻璃纖維與聚乙烯復(fù)合、復(fù)合纖維纏繞4個(gè)主要步驟，以及由它們組成的連續(xù)生產(chǎn)工藝過程，其既可以獨(dú)立生產(chǎn)，也可以與帶纏聚乙烯管工藝或者克拉管工藝結(jié)合起來生產(chǎn)“芯管+增強(qiáng)層+保護(hù)層”結(jié)構(gòu)的聚乙烯復(fù)合管(簡(jiǎn)稱CHY復(fù)合管)。工藝流程圖如下所示：

 

CHY工藝具體工藝過程如下所示：

 

 

 

CHY工藝主要生產(chǎn)設(shè)備包括：玻璃鋼管道纏繞機(jī)、單螺桿擠出機(jī)、玻璃纖維預(yù)浸裝置，烘箱、玻璃纖維與聚乙烯復(fù)合裝置及其配套的輔助設(shè)施。

主要設(shè)備及其作用如下表所示：

2.CHY復(fù)合管道結(jié)構(gòu)及連接方式

CHY熱塑性復(fù)合管由三層組成。內(nèi)層是采用PE100級(jí)高密度聚乙烯作為內(nèi)襯層，是連續(xù)的實(shí)壁層，用擠出熔融的聚乙烯帶材片材在預(yù)熱的芯模上纏繞熔接成型，也可以用預(yù)制的薄壁實(shí)壁管。中間層是是采用往復(fù)式纏繞工藝用復(fù)合玻纖多層纏繞形成的增強(qiáng)層。往復(fù)式纏繞工藝在熱固性玻璃鋼管道行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，非常成熟可靠，纏繞角的大小可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。外層是高密度聚乙烯的外護(hù)層，用擠出熔融的聚乙烯帶片材纏繞熔接成型。在需要某些功能(如成型承口插口)時(shí)可以通過反復(fù)纏繞局部增加厚度。

CHY熱塑性復(fù)合管材的兩端分別通過纏繞熔接和機(jī)械加工成型連接體的承口、插口。

3.CHY工藝優(yōu)勢(shì)

CHY工藝與當(dāng)前最為先進(jìn)的連續(xù)玻纖增強(qiáng)HDPE/PP預(yù)浸帶的柔性熱塑性復(fù)合塑料管相比較，在技術(shù)先進(jìn)性方面主要體現(xiàn)在：

（1）技術(shù)先進(jìn)：CHY工藝技術(shù)水平在國(guó)、內(nèi)外均屬領(lǐng)先。工藝技術(shù)要點(diǎn)是采用了塑料擠出、纖維預(yù)浸、管道纏繞聯(lián)合一次成型的工藝技術(shù)。其中：①增強(qiáng)纖維的在線預(yù)浸技術(shù)是CHY工藝的專有技術(shù)，②將塑料擠出、纖維預(yù)浸、管道纏繞三大工藝模塊集成在一起，形成聯(lián)合一次成型的技術(shù)也是CHY工藝的專有技術(shù)。

（2）采用單絲并排纏繞的工藝與帶式纏繞的方式相比較張力控制更加容易，通過合理設(shè)計(jì)的張力裝置能保證每根絲張力一致和恒定，不存在帶式纏繞時(shí)中央與邊緣存在張力差需要精密機(jī)構(gòu)校正的問題。同時(shí)，一次性的將熱塑性樹脂和纖維復(fù)合并融合成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，比先制帶然后將纖維帶表面樹脂加熱再熔化復(fù)合的方式熔接的效果更好，保證斷面形成整體的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。為了保證纖維帶的再加熱融合的性能，通常纖維帶的厚度設(shè)計(jì)得比較薄0.2-0.3mm左右。這樣如果要達(dá)到設(shè)計(jì)色3-5mm的增強(qiáng)層厚度，需要10層以上的纖維帶融合形成。因此，需要使用10臺(tái)以上的帶式纏繞機(jī)，設(shè)備投資很大，同時(shí)多層的熔接對(duì)工藝控制的要求非常高，對(duì)加熱和冷卻方式的選擇非常嚴(yán)格。而采用CHY的復(fù)合纖維絲的復(fù)合方式，由于可以往復(fù)纏繞，同時(shí)單絲的厚度可以達(dá)到1-2mm，所以配置一臺(tái)或者兩臺(tái)纏繞機(jī)就可以達(dá)到需要的增強(qiáng)層厚度，設(shè)備投資比較小。從復(fù)合工藝的方面來看，熔融狀態(tài)的樹脂和纖維直接熔接成增強(qiáng)體，不需要使用非常高級(jí)的加熱裝置就可以保證良好的熔接效果。

（3）適應(yīng)性廣：基體材料可選用多種熱塑性塑料，如PE、PP、PA等，用于增強(qiáng)的纖維可選用玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等各種高性能纖維。根據(jù)基本材料或增強(qiáng)纖維的不同，只需要調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)即可。

（4）調(diào)整方便：在生產(chǎn)制造管材時(shí)，CHY工藝根據(jù)復(fù)合管材性能、規(guī)格的不同，可以在線方便、靈活的調(diào)整三大工藝模塊工藝參數(shù)，進(jìn)行調(diào)整、組合、匹配，以滿足產(chǎn)品的符合性要求。

（5）成本低廉：由于集成了擠出、預(yù)浸、纏繞三大工藝，減少了很多中間工藝環(huán)節(jié)，因此采用CHY工藝技術(shù)制造的復(fù)合管材，具有能耗低、材料省、效率高的成本優(yōu)勢(shì)。

4.CHY工藝復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)

復(fù)合材料是基體材料與骨架材料的復(fù)合體，骨架材料對(duì)制品的性能和壽命起著決定性作用。在CHY復(fù)合管中玻璃纖維就是骨架材料，骨架材料與基體材料的界面結(jié)合性能決定玻璃纖維發(fā)揮作用的程度。下表是未經(jīng)專用浸潤(rùn)劑處理的復(fù)合材料和經(jīng)過CHY工藝專用浸潤(rùn)劑處理的復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比（測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):GB/T-1447）：

 

玻纖表面處理之后，玻纖與基體樹脂之間不再是簡(jiǎn)單的物理結(jié)合，而是發(fā)生了化學(xué)變化，形成了連接更為可靠的化學(xué)鍵，兩者界面之間產(chǎn)生了極強(qiáng)的相互作用，從而使得基體和玻纖可以緊密的結(jié)合在一起。下圖是玻纖處理前后的SEM照片：

 

由上面的電鏡圖可以看出，在玻纖處理之前，基體和玻纖的結(jié)合并不牢固，在撕裂之后玻纖表面并沒有基體樹脂附著在上面，這就說明兩者的結(jié)合強(qiáng)度很低。但是當(dāng)玻纖表面處理之后我們就可以發(fā)現(xiàn)，即使是撕裂后，玻纖表面依然會(huì)有大量基體樹脂附著在上面，這就說明基體和玻纖之間的結(jié)合力已經(jīng)極大的增強(qiáng)了，其結(jié)合力已經(jīng)超過了基體樹脂本身分子之間的作用力。

下圖是玻纖表面處理前后的拉伸樣條顯微鏡圖片：

 

                                           玻纖處理前                                                        玻纖處理后

在顯微鏡下，我們可以明顯的看出，處理之前，由于基體和玻纖之間的結(jié)合力較低，玻纖比較容易從基體樹脂中拔出，但是在處理之后，由于結(jié)合力的加強(qiáng)，玻纖已經(jīng)很難從基體中拔出。

5.CHY工藝成本優(yōu)勢(shì)

連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)大口徑聚乙烯管材料成本表如下表所示：

 

 

從材料成本表可以看出，CHY工藝復(fù)合管在生產(chǎn)制造大中直徑管道時(shí)，由于其增強(qiáng)層重量的占比較高，充分發(fā)揮了增強(qiáng)層的性能優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，因而更具競(jìng)爭(zhēng)力。

不同類別管道成本對(duì)比表如下所示

管道成本對(duì)比表

從不同類別的管道比較中可以看出，對(duì)于同規(guī)格、同口徑的管道，在重量及成本方面，CHY工藝生產(chǎn)的復(fù)合管具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

6.CHY復(fù)合管的性能優(yōu)勢(shì)

CHY熱塑性復(fù)合管繼續(xù)保留了聚乙烯管無毒衛(wèi)生、耐腐蝕、流阻小、高韌性、壽命長(zhǎng)等優(yōu)異性能，同時(shí)解決了聚乙烯管強(qiáng)度較低，剛度較小等不足。由此打開了塑料管道進(jìn)入大中直徑中壓管道市場(chǎng)的大門。

CHY熱塑性復(fù)合管與鋼管的比較：由于鋼管易于腐蝕、生銹，又很笨重，搬運(yùn)不便，而CHY熱塑性復(fù)合管耐腐蝕、不生銹、重量輕的優(yōu)勢(shì)突出。

CHY熱塑性復(fù)合管與玻纖增強(qiáng)熱固性管道（俗稱玻璃鋼管道）比較最大優(yōu)勢(shì)是可回收循環(huán)利用，生產(chǎn)過程無廢水廢氣產(chǎn)生，順應(yīng)了綠色環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的大趨勢(shì)

CHY熱塑性復(fù)合管與普通塑料管的比較：普通塑料管不能滿足大中直徑管道的性能要求，例如：PVC管道因聚氯乙烯樹脂流動(dòng)性差難以制造很大直徑實(shí)壁管（在世界范圍內(nèi)PVC管道直徑很難超過1200mm，多數(shù)在800mm以內(nèi)）。HDPE管道因聚乙烯樹脂流動(dòng)性好雖然可以制造大直徑實(shí)壁管（直徑：1600--2500mm），但由于HDPE的強(qiáng)度比較低，需要較大的壁厚，大直徑HDPE管只能應(yīng)用于承受壓力低的領(lǐng)域。而CHY熱塑性復(fù)合管剛好能克服這些普通塑料管的缺點(diǎn)。

 

7.市場(chǎng)展望

近年來，我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)管道鋪設(shè)量逐年快速增長(zhǎng)，但塑料管材用量?jī)H為20％，市場(chǎng)發(fā)展的潛力還很巨大。我國(guó)啟動(dòng)的“海綿城市”、地下管廊”建設(shè)，工程建設(shè)中塑料管材將具有美好的市場(chǎng)前景。市政給水管、排水、排污管等市場(chǎng)潛力巨大，中央財(cái)政給予海綿城市試點(diǎn)專項(xiàng)資金補(bǔ)助，每年按城市級(jí)別4-6億元。試點(diǎn)城市將城市建設(shè)成吸水、蓄水、凈水、釋水的海綿體，提高城市防洪排澇減災(zāi)的能力。2015年4月2日，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“水十條”）將帶動(dòng)2萬億水治理投資，這將給CHY復(fù)合管帶來巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

過去十年可以說是中國(guó)增強(qiáng)熱塑性管道的探索期，孕育期，預(yù)期今后十年將是增強(qiáng)熱塑性管道的發(fā)展期，增長(zhǎng)期。理由是：增強(qiáng)熱塑性管道的優(yōu)異特性逐步被廣泛認(rèn)識(shí)，在建筑和市政工程市場(chǎng)繼續(xù)擴(kuò)展的同時(shí)，不少其他領(lǐng)域的管道用戶在探索應(yīng)用增強(qiáng)熱塑性管。近年我國(guó)石油天然氣產(chǎn)業(yè)對(duì)應(yīng)用RTP很積極，‘石油管道局’等多次組織專題調(diào)研，制定了一批相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。RTP已經(jīng)越來越多應(yīng)用于陸地和海上油氣田的注水管、集輸管等。石油天然氣產(chǎn)業(yè)特別希望能夠把RTP應(yīng)用到‘長(zhǎng)輸管道’，認(rèn)為突破后每年將有數(shù)萬公里的工程量。同時(shí)在礦井輸水、鹽田輸鹵、軍用輸油、海底管道，溫泉利用等領(lǐng)域RTP都已經(jīng)有成功應(yīng)用的實(shí)例。

中國(guó)作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，能源產(chǎn)業(yè)無疑是我國(guó)最迫切需要發(fā)展和最優(yōu)先投資建設(shè)的產(chǎn)業(yè)。我國(guó)油氣管網(wǎng)建設(shè)任重道遠(yuǎn)，尤其是油氣資源西部很多在沙漠，東部很多在沼澤，海灘和海上。可以肯定地預(yù)計(jì)我國(guó)石油和天然氣產(chǎn)業(yè)的RTP應(yīng)用會(huì)有較快增長(zhǎng)。同時(shí)，我國(guó)作為‘世界工廠’，工業(yè)各領(lǐng)域?qū)τ赗TP的需求也有很大潛力。