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几种大口径塑料排水排污管的分析与比较

作者: 发布时间:2017-10-16 浏览次数:551
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  塑料排水排污管道属于非承压管道,一般是埋地铺设。这种管道为了降低产品成本,管壁都不是实芯的,由于管材成型工艺的不同,管壁结构也不尽相同。本文对市场上出现的各种管壁结构的塑料埋地排水排污管道,如:双壁波纹管、聚乙烯缠绕增强管(克拉管)、中空壁缠绕管、玻璃夹砂管等非承压管道做了初步的分析,并对各种管道的特点进行了比较。面对市场上出现各种各样的塑料埋地排水排污管道,对将要涉足大口径塑料埋地排水排污管道生产的企业而言,究竟选择哪一种产品,才能满足市场的需求,并且在市场竞争中处于有利位置,文章从国内外各种塑料管材的应用情况,各种管材的生产工艺特点,生产设备,以及投资回报的情况等几方面进行了一些分析。


  关键词


  大口径塑料管,生产工艺及设备,比较,市场竞争力,投资回收期


  随着大口径塑料管材生产技术的不断发展,以及塑料管材与传统管材(如混凝土管、铸铁管等)相比所具有的优越性能,和国家有关部门相继制定的有关限制淘汰落后产品,推广使用新型环保产品的产业政策,在我国的市政工程中,新型塑料管材的应用发展非常迅速。据有关统计资料显示,在欧洲,埋地用塑料排水排污管的消费量占到了塑料管总消费量的56%以上,远远高于用于建筑内的上、下水管的消费量(这一比例大约为8%)。而目前在我国的情况是,埋地用塑料排水排污管的消费量占塑料管总消费量的12%不到,这就预示着在国内埋地排水排污用塑料管行业存在一个潜力巨大的市场。况且我国的人均水资源和污水处理量与欧洲相比还有相当差距。近年来,我们国家已越来越重视环境保护和环境治理问题,尤其是水资源的保护和治理问题。截止到2004年,中国已成为了“中度缺水国家”,每年因为缺水而造成的工农业损失高达3000亿元人民币,经济发展和环境保护的矛盾日益突出。因此,我国目前的水资源的现状也为埋地排水排污塑料管的大量推广使用提供了历史性机遇和客观条件。


  1.大口径塑料埋地排水排污管的国内外动态


  根据发达国家的经验,塑料管按质量计,应用量最大的领域在室外的埋地排水排污管,据欧洲97年的调查,塑料管总用量226.4万吨中用于排水排污的为127.4万吨,占到56.2%,这是因为现代化的国家需要建设一个庞大的遍布城乡的排水排污管道系统,不仅生活排水、工业排水要进入这个管系,另外更多的雨水也需要通过这个排水系统收集处理和输送。


  我国过去在埋地排水领域应用塑料管较为落后,原因一是我国过去对于环保不够重视,管系建设投资不足,多用传统的平接口水泥管,二是塑料埋地排水排污管其设计施工和验收需要全新的规范,我国过去研究应用经验不足,一直没有制定,因此,前几年有几家企业引进进口生产线后,难以打开市场,只停留在做个别试验工程的阶段,近几年来我国塑料埋地排水排污管市场开始起步,被认知,国家级的设计施工工程已陆续报批,塑料埋地排水排污管已成为新的投资热点,而大口径结构壁管更成为其中的首选。


  相对于用于燃气输送和自来水输送的实壁压力管道而言,通常用于排水排污用途的塑料管材大多为结构壁管材,即管壁为具有特定形状的非承压管道。原因是埋地排水排污用途的塑料管材主要承受来自管材外部的载荷,而不同于实壁管材主要承受管材内部的载荷。对于承受外部载荷的塑料管材而言,管材的环刚度是一个重要指标(但不是唯一要求的指标)。环刚度越高,则表示管材承受外部载荷的能力越高;反之,管材的环刚度越小,则表示管材承受外部载荷的能力越低。根据材料力学的理论,管材的管壁设计成具有特定的结构,管材既能具有很好的力学特性,又能大大降低管材的重量(即生产用料),从而降低成本。这也是各种结构壁管(不管哪种形式的结构壁,如波纹管,中空壁缠绕管等)之所以采用结构壁的根本理论原因——尽可能多得降低管材重量。


  一般情况下,依据欧洲标准草案PrEN13476,结构壁管可分为A型管和B型管,A型管具有平滑的内外表面,并且又可分为A1型和A2型两种,A1型管壁为多层结构或轴向中空,如PVC芯层发泡管;A2型管壁为螺旋或径向中空,如中空壁缠绕管。B型管具有平滑的内表面,实芯或中空的螺旋或环形肋的外表面,常见的如双壁波纹管,聚乙烯缠绕增强管(克拉管),螺旋缠绕式“波纹管”等。


  从管材的生产工艺讲,结构壁管的生产工艺有直接挤出成型和缠绕成型两种成型工艺。采用直接挤出成型工艺的结构壁管又有双壁波纹管和环形肋管两种,这两种管材的优点是整体性好,重量轻,且产量高,连接方便可靠,但因为挤出生产工艺的技术含量高,设备造价高,投资规模较大;缠绕成型的结构壁管可分为中空壁螺旋缠绕管和螺旋缠绕式“波纹管”,这两种管材的优点是其一可以轻易生产较大口径的管材;其二生产缠绕管的设备简单,投资很小。但缠绕成型的管材生产工艺的缺点也很明显:由于熔接缝较长,熔接的可靠性难以控制和测量。而且由于采用缠绕熔接工艺,回收料和填充料的使用受到很大的限制(由于回收料和填充料的性能较差,回收料和填充料使用较多时,熔接缝的熔接强度会更低,从而导致管材的强度较低)。其中,采用缠绕成型工艺生产的中空壁缠绕管每米重量较高,生产效率低,这就必然导致生产成本居高不下,从而大大降低管材的市场竞争力。正是由于上述原因,以双壁波纹管为代表的直接挤出成型生产工艺,一经研制开发成功,便被众多管材生产企业大量应用,为大规模生产和使用塑料埋地排水排污管材奠定了坚实的基础,从而极大地推动了塑料埋地排水排污管材的推广应用。


  从大口径塑料埋地排水排污管在国外的应用情况看,应用量最多的是欧洲和美国。尤其是美国,甚至都有专门的聚乙烯波纹管协会(CPPA),由此也可以看出聚乙烯波纹管在美国的应用情况。在众多的结构壁管中,究竟应该选择哪一种类型的管材,要根据各国资源状况,工程的技术要求及城市规划等条件不同而有所差别。但从综合角度来看,由于双壁波纹管所具有的明显优势,世界上大多数国家,排水排污管中应用最多的还是双壁波纹管。我们认为,在上述几种结构壁管中,除非在工程需求的管材直径大到波纹管生产有较大困难的情况下(比如直径超过1200mm),应该优先选择双壁波纹管。而如果采用缠绕成型工艺生产的管材(如中空壁缠绕管),由于管材本身的质量,米重(成本)和生产效率的原因,将很难与双壁波纹管竞争。在建设部2002年发布的关于《淘汰落后的产品,推广使用新型建材》的文件中,明确提出,1200mm以下口径的埋地排水排污管优先选用双壁波纹管,超过1200mm可使用玻璃夹砂管、聚乙烯缠绕增强管和中空壁缠绕管等管材。


  2.大口径埋地排水排污管生产设备的国内外动态


  就各种结构壁管的生产设备而言,不同的管材种类,相应的生产设备也大不一样。缠绕成型的结构壁管生产设备,国外在上个世纪70年代便已推出,而我国企业1995年参考韩国技术开发了螺旋缠绕成型设备,但市场未能打开。后来,国内引进了德国KRAH公司成套技术和设备,于1999年投产。此后,国内又有2家企业相继引进了KRAH公司的技术,逐步打开了超大口径管材的市场。近年来,韩国一些公司极力向我国推荐一种中空壁缠绕管生产线,由于中空壁缠绕管技术含量低,设备简单,造价低,投资小,我国很多塑料机械厂家,纷纷仿造了中空壁缠绕管生产线。但由于这种管材本身的诸多缺点,中空壁缠绕管生产企业的情况并不乐观,许多生产企业面临着很大的市场压力。最近市场还上出现了一种缠绕式“波纹管”生产设备,用来生产一种前文提到的缠绕式“波纹管”。这种“波纹管”从外观看与直接挤出成型工艺生产的真正的波纹管非常相似,即管材内壁是平滑的表面,外壁呈“波纹状”。其实这种“波纹管”与挤出成型的波纹管有着本质的区别:首先从成型工艺讲,它仍然属于缠绕管,自然它具有上述缠绕管的特点;其次从管壁结构讲,它的“波纹”状并非像挤出成型工艺生产的波纹管,它的“波纹”是非封闭的螺旋状结构,而真正的波纹管是封闭的环状结构,这两种结构的力学特点是截然不同的。所以缠绕式“波纹管”具有的力学性能(不论是径向的抗弯强度,还是轴向的抗拉强度)与波纹管相比仍有很大的区别。事实上,这种缠绕式“波纹管”并非什么新技术,早在我国70年代末、80年代初就已经有了这种管材的生产设备,最早是由沈阳塑料研究所和北京化工大学共同开发的,但始终没有推广开。


  直接挤出成型的双壁波纹管生产线有PE和PVC两种。由于PE和PVC这两种材料的加工性能的不同,生产PE和PVC双壁波纹管的生产设备也有很大的不同。其中PVC由于材料特性的原因(如流动性差),管材的口径和波峰高度都受到了限制,故PVC双壁波纹管多为500毫米以下口径。国外生产双壁波纹管设备的企业主要有:科玛、尤尼克、赫格勒、德罗斯巴赫、富朗克斯等,国内第一条PE双壁波纹管是在1997年由“山西塑料总厂”引进的“科玛公司”生产线(型号为CORMA 2020机型),后安徽国风也相继引进了“尤尼克”、“科玛”的PE双壁波纹管生产线,但生产能力远远不能满足我国市场的需求,且国外进口设备价格昂贵。最近几年,国内一些有实力的塑机企业已经开始了大口径双壁波纹管生产线的研究开发。这些企业在借鉴吸收国外先进生产设备的基础上,通过技术攻关,对比国外各种设备的优缺点,利用优势互补,成功推出了具有国际先进水平的大口径双壁波纹管生产线。其中,潍坊中云科研公司的PE双壁波纹管生产线凭借领先的技术指标,可靠的品质,以及极其稳定的运行记录,获得了用户的高度认可,市场占有率遥遥领先。目前,该公司直径达1200mm的双壁波纹管生产线正处在研制开发之中。一旦该技术取得成功,将进一步拓宽国内PE双壁波纹管的应用领域。


  3.选购大口径塑料埋地排水排污管生产设备要注意的几个问题


  前面介绍了各种埋地排水排污塑料管材在国内外的发展和应用概况,以及各种形式的管材的性能特点和生产工艺。由于国内存在的巨大的排水排污塑料管的市场,直接导致了对塑料排水排污管道的需求剧增,国内已有众多具有相当实力的塑胶公司和上市公司纷纷涉足这一在塑料管消费量中份量最大的排水排污管市场。正如前文所述,面对各种形式的结构壁管,在市场经济环境下,如何使自己的产品更具有竞争力,从而在市场竞争中脱颖而出,获得更大的市场份额,是所有已经涉足和将要涉足大口径塑料埋地排水排污管材生产的企业最关心的问题。使产品在市场中有竞争力,可能涉及到企业的管理水平,原材料的选购,生产规模,生产工艺,生产设备等诸多因素。本文仅从管材类型和生产设备的角度进行分析和比较,究竟选择何种类型的结构壁管,什么样的生产设备可达到质量过硬,成本更低,效率更高的目的,从而提升产品的市场竞争力。


  3.1要确定选择什么样的管材生产设备,对管材生产企业而言,首先是要根据市场的需求和各种管材的特点,以及企业自身的具体情况,确定到底选择生产哪种类型的管材。不论选择哪种形式的管材,要使产品具有竞争力,一项重要的工作是在满足质量要求的前提下,降低产品的成本。所有已经从事塑料管材生产的企业都清楚,在塑料管材的总成本中原材料成本占据了管材总成本的75~85%左右,如前文之所述,双壁波纹管之所以得到比其它形式的埋地排水排污管更大更快的发展,更广泛的工程应用,除了产品性能,生产效率之外,一个最重要的因素,就是双壁波纹管这种管壁结构使其与其它管壁结构的塑料埋地排水排污管相比,可以做到同样环刚度下,重量更轻,即满足一个工程需要的原料更少,自然成本就更低,与其它管壁结构的塑料管材在竞争时,就会占有极大的成本优势。这也正是为什么一些有实力的厂家要花费数百万元乃至数千万元(进口生产线)选择生产双壁波纹管,而不是选择花费数十万元去做中空壁缠绕管的一个最根本的原因。因为除产品性能、生产效率这二个因素外,即使双壁波纹管生产线的设备投资要远高于中空壁缠绕管设备投资,但分摊到每米管材当中,设备投资的成本与管材总成本相比,几乎可以忽略不计。


  3.2目前国内应用比较多的两种管材为双壁波纹管和中空壁缠绕管。这两种管材以及管材的生产设备各有自己的优势和劣势,在应用当中应选择何种管材,应根据具体情况而定。但笔者在和有关业内人士交流时,发现有些厂家,尤其是有些设备厂家不是站在客观的立场,实事求是的介绍这两种管材和设备的特点,而是纯粹出于销售设备的目的,利用一些刚刚进入这个行业的厂家对有关情况不太了解的特点,宣传一些与事实大相径庭的观点,如:双壁波纹管不能使用回收料;双壁波纹管环刚度做不高;双壁波纹管设备投资大,风险大,投资回收期长,而中空壁缠绕管设备投资小,风险小,回收快;更有甚者甚至依据双壁波纹管设备投资大的原因“推导”出PE双壁波纹管的成本比PE中空壁缠绕管的成本还要高的结论!?上述观点,要不是笔者亲自听到有些正在做中空壁缠绕管产品的厂家讲,简直不能相信!关于双壁波纹管的回收料使用和环刚度的问题在此不多赘述(前文和后文都有分析),在此仅谈一下关于设备的投资回收问题。设备的投资回收,说到底还是产品的盈利问题。只要产品能持续盈利,投资就会慢慢收回。而企业只有生产出适销对路并且有竞争力的产品,才能销售到市场上去,才能创造利润。如果产品因为缺乏竞争力而销售不出去,或者每年的销售量极小,那又谈何盈利呢?如果出现这种情况,恐怕时间再长也很难收回投资。究竟是选择双壁波纹管项目风险大,投资回收期长,还是选择中空壁缠绕管项目风险大,投资回收期长,由此则结论不难得出。笔者认为,如本文第一部分所述,只要工程需要的管材口径双壁波纹管能做到,应该首选双壁波纹管;如果工程需要的口径太大(如超过1200mm),则可以考虑选择缠绕管材。那些认为中空壁缠绕管设备“风险小,投资回收快”的厂家,可能“忽视”了一个前提:产品要能销售出去,才会盈利。这一点,对将要上项目的厂家而言,不可不查!鉴于上述的诸多原因,下面的内容主要介绍在选择双壁波纹管时需要注意的一些问题。


  3.3众所周知,在双壁波纹管的生产中,管材的一个重要指标是环刚度。采用相同的原料,生产相同直径的双壁波纹管时,波纹管的波峰结构设计是否科学合理,直接决定了管材环刚度的高低,换句话说,即可在环刚度相同时获得更轻的米重。当然管材的环刚度也不是越大越好,究竟在一个工程是使用SN4,还是SN8的环刚度的管材,这要由市政设计部门根据塑料管材的工作原理,施工条件,管材的埋深,回填层的密实度以及管材铺设完成后,所受的负载(动负载还是静负载)等多个因素,然后按照有关设计标准和规范,选择一个合适的环刚度值。作为双壁波纹管生产企业,这就要考虑一个问题:如何使管材在保证环刚度的前提下,尽可能降低管材的单位米重,也即降低成本?所以,具有市场竞争力的双壁波纹管,一定要有科学合理的波峰,这样才能做到用料越少,单位米重也越小,成本就越低。所以,欲涉足双壁波纹管生产的厂家,在选择生产设备时,一定要注意比较各个生产设备厂家提供的管材波峰形状,即波峰不但要有足够的高度——高环刚度的保证,还要有足够的宽度——降低成本的保证。因为这是使管材具有市场竞争力的基本保证。


  3.4先进合理的设备配置


  科学的管壁结构是生产高质量,低成本的双壁波纹管的基础,最终要靠技术先进,并且运行可靠的生产设备来实现管材的生产。不管是进口双壁波纹管生产线,还是国产双壁波纹管生产线,基本都由下列几部分构成:1、挤出系统。2、波纹成型系统。3、冷却系统。4、切割及下料系统。5、生产线控制系统。在这几大部分当中,波纹成型系统和生产线的控制系统是整个生产线的核心组成部分,欲涉足双壁波纹管生产的厂家应格外留意。


  要进行高质量的双壁波纹管的生产,波纹成型系统起着至关重要的作用,所有生产双壁波纹管的关键技术也集中于此。波纹成型系统细分可分为:波纹成型机,波纹成型模块,挤出模头和冷却定型三大部分。先看波纹成型机,波纹成型机的作用是使安装在其上面的波纹成型模块连续稳定的运行,并且提供波纹成型所必须的抽真空功能和冷却功能。正如前面所述,因为高环刚度、低成本的双壁波纹管必然要求既高又宽的波峰形状,而目前国内基本上采用“内正压、外负压”的波纹成型方法,即双壁波纹管的外壁是靠压缩空气和真空吸附的双重作用成型波纹状的。要使波纹成型模块在成型上连续稳定的运行,成型机的模块运行轨道设计尤为重要,优秀的波纹成型机模块运行轨道设计可大大提高机器的使用寿命,而轨道设计的优劣虽无法直观地看出,但却可以通过成型机模块运行的驱动电机的功率大小间接的反映出来。因为优秀的轨道设计应该是摩擦力很小。摩擦力越小,摩损就越低,寿命就越长。很显然,摩擦力越小,波纹成型机的驱动电机功率越小。所以,判断成型机的模块运行轨道设计是否合理,只需看一下驱动模块运行的电机功率即知。在双壁波纹管的生产中,波纹成型模块也起着至关重要的作用,一是由于波纹成型模块直接决定波峰形状,二是由于波纹成型模块的制造工艺直接影响管材质量,目前,用于大口径波纹管生产的模块基本上都是铝合金材质的,先铸造成型,然后进行机械加工。好的波纹成型模块应该具有足够好的强度,以及良好的散热性,因为熔融的塑料必须在形成特定形状之后,迅速冷却定型,这就要求波纹成型模块的材质具有良好的散热性,从而将塑料释放出的热量及时带走。机头冷却系统(冷却芯棒)的作用也是将管材定型,它的工作要求应该是强度高,散热快。传统的冷却芯棒有铜质和不锈钢材质。铜质的冷却芯棒的导热系数较高,但铜的强度和钢度差,不适合做双壁波纹管的冷却芯棒;不锈钢的强度高,刚度好,但它的导热系数小,冷却效率太低,所以用不锈钢材质的冷却芯棒进行生产时,既影响管材的内壁质量,又影响管材的产量。理想的冷却定型材料应该是与波纹成型模块同样材质的铝合金,因为铝合金材质能同时兼顾高强度,高刚性和高导热系数。前几年进口到国内的设备有的是铜质冷却芯棒,有的是不锈钢冷却芯棒,但现在新引进的设备全部为铝合金冷却芯棒。事实上,这也是为什么不管是国外设备,还是国产设备,波纹成型模块都采用铝合金材料的原因。潍坊中云科研公司凭借领先的铝合金铸造技术和工艺,已成功做到与世界先进技术同步。


  生产双壁波纹管的模头由于工艺原因,与生产实壁管的模头有很大的不同。生产波纹管时,一方面要求模头是双层流道结构,另一方面,由于波纹成型模块回转半径的限制要求模头的长度很长。由于模头是双层流道结构,每层流道的厚度与生产实壁管的模头相比较薄,而且模头的温度和内部压力很高,所以对模头材质的要求较高,理想的材质应该是与挤出机的机筒、螺杆使用同样的材质——38CrMoALA,经过氮化处理后,精度高,强度高,稳定性好,价格虽高,但使用可靠,能确保管材的产品质量。


  3.5要使用生产线的各个组成部分有机的联系起来,一套先进可靠的控制系统必不可少。目前,国内外大多数设备生产厂家都采用了PLC可编程逻辑控制器,作为生产线的控制系统,使用自动化程度和控制精度有了很大的提高。有些厂家更是采用了最新PCC智能控制系统,它与PLC控制系统相比,在配置上多了一台工业PC,从控制结构上讲,由PC作为中央控制器,通过多个PLC控制器来控制整条生产线的各个部分,从而使其具有能从各个PLC控制器收集并处理数据的智能功能,而且PCC智能控制系统的人机界面采用大尺寸彩色触摸屏,极大地方便了操作使用和生产线监控。


  3.6在一套完整的双壁波纹管生产线中,有一部分常常容易被忽视:切割机。切割机乍看起来和波纹管的生产没有必然的联系,一则因为它与波纹的成型没有关系;二则在其他的塑料管材生产中也是常用设备(如PVC和PE实壁管材的生产),似乎是一种普通的设备。但事实上,在双壁波纹管的生产中,切割机的作用非常重要,尤其是当生产在线扩口管材时。由于PE双壁波纹管的扩口是在线制造,如果切割精度不够,或者切割机运行不稳定,必然造成大量废品,从而导致成本过高。有些波纹管生产线正是由于切割机的问题,而出现了在生产现场需要用人工切割管材的这种贻笑大方的被动局面。生产线是一套完整的“流水线”,而不是部分设备的简单拼凑,这一点应该引起注意。


  3.7关于PE双壁波纹管的双层扩口问题


  双壁波纹管连接方式一般有承插连接,哈夫块联接和管件套筒连接几种常见方式。其中采用承插连接方式时,PE双壁波纹管的扩口是在线做成的,而不是像PVC双壁波纹管采用专门的扩口机生产。不论是欧洲标准草案prEN13476,还是我国将要颁布的PE双壁波纹管国家标准,都对双壁波纹管的承口最小厚度有明确要求。以DN/ID500mm为例,二个标准的最小承口壁厚均要大于11.4mm。然而目前不管是国内生产线,还是进口生产线,即使内外壁二层叠加的壁厚也不能达到标准的要求。况且现在国内外有些厂家所宣传的PE双壁波纹管双层扩口技术事实证明还很不成熟,主要是双壁粘接的问题一直没有解决,并且即使在小口径(400mm以下)管材上能勉强做出双层扩口,其成品率也很低,还远远达不到正常连续化生产的要求。所以,从实际的应用来看,对于密封性要求较高的场合,除采用外固哈夫块连接方式外,我们认为用套筒管件连接是一个比较好的解决办法。小口径管件可用注塑成型,大口径管件可用吹塑成型。目前已有一些厂家开始采用玻璃钢套筒管件,并取得了较好的效果。


  综上所述


  当然,对于一条双壁波纹管生产线的其他组成部分,例如挤出系统和下料系统也应与上述关键设备相匹配,毕竟,双壁波纹管的生产是一个连续的过程。这样才能稳定、连续、可靠的使设备运行,又不至于造成浪费。如:就挤出系统而言,目前,双壁波纹管生产线配置的挤出机,在中等口径范围(200~800mm),一般配置一台90/30单螺杆挤出机,一台120/30单螺杆挤出机较为合适,而不必一味追求较大直径的挤出机,从而避免造成能耗过高。因为决定波纹管产量的关键关不在挤出机的排量,而是决定于波纹成型系统的波纹成型效率。同等机型,国外进口设备甚至配置一台75/30挤出机,一台90/30挤出机,直径更小。


  上述几点,是笔者对于几种大口径塑料管的粗浅认识和对如何选购双壁波纹管生产设备的几点浅薄看法,希望能对我国塑料埋地排水排污管材行业的发展起到抛砖引玉的作用。敬请批评指正。