・２６・ 焊管－第３４卷第８期・２０１１年８月 ●应用与开发 侧向缠绕式３ＰＥ防腐层螺距 与涂敷层数的理论计算 杨东升 ，王耀光 ，一，赵金兰 ，一，魏亚秋 ．一，李安强 （１．北京隆盛泰科石科技有限公司，北京１００１０１； ２．中国石油集团石工程技术研究院，西安７１００６５） 摘要：通过对钢管３ＰＥ防腐层侧向缠绕５－艺生产过程的分析，推导出决定聚乙烯层螺距 与涂敷层数的３－．艺参数，从而建立了相应的数学模型。通过对某一规格铜管的理论计算， 得出不同螺旋角下聚乙烯层相应的螺距和涂敷层数。根据与工厂的实际参数进行对比分析， 结果表明两者基本一致。并且此理论计算能更方便地指导工厂进行生产。 关键词：钢管防腐；聚乙烯层；螺距；螺旋角；涂敷层数 中图分类号：ＴＧ１７４．４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００１—３９３８（２０１ １）０８—００２６－０３ Ｔｈｅ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ３ＰＥ Ｐｉｔｃｈ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ Ｓｉｄｅ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｗｒａｐｐｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＹＡＮＧ Ｄｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ１，２ ＷＡＮＧ Ｙａｏ—ｇｕａｎｇ’’２７ ＺＨＡＯ Ｊｉｎ—ｌａｎ’，２７ ＷＥＩ Ｙａ—ｑｉｕ 一．ＬＩ Ａｎ—ｑｉａｎｇ ， （１．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｌｏｎｇｓｈｉｎｅ Ｏｉｌ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１，Ｃｈｉｎａ，＂ ２．ＣＮＰＣ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｇｏｏｄｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ３ＰＥ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｉｔｈ ｓｉｄｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｗｒａｐｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｔｈａｔ ｄｅｃｉｄｅｓ ｐｉｔｃｈ ａｎｄ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｅｔ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ，ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｐｉｔｃｈ ａｎｄ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｉｒａｌ ａｎｇｌｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎｔ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｒｅ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｅａｓｉｅｒ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｌａｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｃｏａｔｉｎｇ；ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃｏａｔｉｎｇ；ｐｉｔｃｈ；ｓｐｉｒａｌ ａｎｇｌｅ；ｃｏａｔｉｎｇ Ｌａｙｅｒ ０前 言 埋地钢质管道三层结构挤压聚乙烯防腐层 （３ＰＥ）的底层为环氧粉末，中间层为胶粘剂， 外层为聚乙烯 由于该种结构各层的特性得到互 数的控制与调整相当重要。 １聚乙烯的涂敷 对于公称直径大于５００ ｍｌＴｌ的钢管，聚乙烯的 补．其防腐性能优异，机械强度高，电绝缘性能 好，是目前世界上综合性能指标最优异的防腐层， 在陕京线、西气东输等国家重点工程中大量采用［１－２３。 然而，聚乙烯层的厚度和均匀度对３ＰＥ防腐的整 涂敷宜采用侧向缠绕工艺 】。目前，钢管３ＰＥ防 腐层涂敷是在工厂生产线上进行的，并分别由相 应的设备对钢管进行自动处理和相关参数的调 整 其中，３ＰＥ聚乙烯层的形成过程如下： 由一台挤塑机将聚乙烯加热熔化，通过其模 体质量有很大的影响。因此，对于聚乙烯涂敷参 第３４卷第８期 杨东升等：侧向缠绕式３ＰＥ防腐层螺距与涂敷层数的理论计算 头挤压出厚度均匀的薄膜带，并引向螺旋运转的 钢管表面。同时，通过耐热硅橡胶压辊和钢管螺 旋运行方式的配合．在钢管表面形成层叠缠绕的 薄膜。然后经过循环水冷却，最终形成一定厚度 的聚乙烯涂敷层。 聚乙烯层的涂敷过程涉及涂敷层螺距、螺旋 ｙ 耀 ＇叵 暴 周向旋转长度￡ 角和涂敷层数３个参数。 ２螺距、螺旋角和涂敷层数 为便于研究，把钢管聚乙烯层圆柱面沿母线 展开成平面，这时每个螺旋就变成了一条斜线。 斜线与钢管母线垂线的平面夹角 就是螺旋角， 各斜线之间的轴向距离Ｐ即为螺距，如图１所示。 ／／／／／ ／ ／／ ／ 图１聚乙烯涂层的螺距、螺旋角 根据图１可推导出 Ｐ＝７ｒ（Ｄｇ＋２ｈ）ｔａｎｆｌ （１）式中：ｈ一防腐层厚度： Ｄ 一钢管直径。 因此，当缠绕在钢管上的聚乙烯薄膜带宽度 为 时，ＰＥ层的叠加层数（即涂敷层数）Ⅳ为 Ⅳ＝— 。 Ｐｃｏｓｉｆ ＝ 丽Ｗ１Ｔ（Ｄ ＋ ２ｈ ｓｉ） ｎｆｌ 。” （２） ３辊道轮倾角 生产过程中，为使钢管通过传送系统螺旋进 入生产线，辊道轮和钢管传送方向（轨道轴向）有 一定的角度，即辊道轮倾角。 在辊道轮的带动下，钢管开始旋转前进。此 时，以辊道轮和钢管的理想接触点为原点，钢管 的轴向为ｖ轴建立二维直角坐标系。当辊道轮旋 转一周时，钢管轴向递进距离和周向旋转长度的 关系如图２所示 图２钢管传递距离的二维化 由图２可知 Ｓ＝Ｇｓｉｎｔｘ＝盯Ｄｌｓｉｎ ， （３） Ｌ＝ＣｌＣＯＳＯｔ－＂ｆＤｌＣＯＳＯｇ ， （４） 式中：Ｃ＿一辊道轮周长： 辊道轮直径： 一辊道轮倾角。 设当辊道轮传递圈数为ｎ时，钢管刚好旋转 一周。此时钢管的轴向递进距离设为Ｐ ．则 ～ ，｝＝Ｊ 盯１ ＂Ｄｆ ＤＣＯｇ—ＳＣｇ＝ Ｄ Ｔ ＣＯ—ＳＯ／，’ （５） Ｐ ＝ ５＝ Ｄｇ 盯 ｎｏ￣＝ｗＤ ｔａｎ （６） 。式中：Ｃ ～钢管周长。 由此可知，钢管旋转一周时，钢管在其轴向 的递进距离取决于钢管的直径以及辊道轮倾角。 ４数学模型的建立 由上文分析可知，聚乙烯层是由聚乙烯薄膜 带在钢管的带动下在钢管表面层叠缠绕形成的。 故而，其螺距就是钢管旋转一周时在轨道方向上 前进的距离，即 Ｐ＝叮Ｔ（Ｄｇ＋２ｈ）ｔａｎ／３＝ｗＤｇｔａｎｏｚ＝Ｐ 。 （７） 又因采用侧向缠绕工艺时．钢管的公称直径 至少为５００ｍｍ，其远远大于防腐层厚度。因此， Ｄ ＋２ｈ Ｄ ，由（７）式可知 卢 Ｏ／ ， （８） （２）式可简化为 Ⅳ＝而 Ｗ 。 （９） （７）式～（９）式即为关于螺距、螺旋角和涂敷 层数３个参数所建立的数学模型。由此数学模型 可知，在钢管规格和聚乙烯薄膜带的宽度一定 时，聚乙烯层的螺距和涂敷层数完全取决于其螺
