一種高阻隔多層復合熱塑性塑料管及其生產(chǎn)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高阻隔多層復合熱塑性塑料管及其生產(chǎn)方法，本發(fā)明可用于油田地面油氣輸送管線非開挖修復領域，用于防止氣體小分子滲透后管線負壓坍塌。
【背景技術】
[0002]在石油行業(yè)的地面油氣輸送生產(chǎn)管線的使用過程中，對于服役時間長、腐蝕嚴重、泄漏事故頻發(fā)、無法進行及時更換的地面油氣輸送生產(chǎn)管線，通常采用高密度聚乙烯(Highdensity polyethylene，簡稱為“HDPE”)管內(nèi)穿插修復技術將HDPE管經(jīng)過等徑壓縮后由牽引機拉入待修復管道內(nèi)，形成“管中管”的復合結構，達到有效延長管線使用壽命目的。在這類管線使用過程中，若輸送介質(zhì)中含有較多的CH4、0)2和H2S等小分子氣體，小分子可通過滲透進入內(nèi)穿插管和鋼管之間的夾層，夾層內(nèi)壓力等于管線內(nèi)壓力時達到平衡狀態(tài)。當管線在停輸時，夾層內(nèi)壓力大于管線內(nèi)壓力，HDPE管坍塌失效，帶來安全生產(chǎn)隱患。
[0003]HDPE結構式為〔-CH2-CH2_〕n，是乙烯經(jīng)聚合制得的一種熱塑性樹脂，也包括乙烯與少量α-烯烴的共聚物；其熔點約為130°C，相對密度為0.94g/cm3?0.96g/cm3。研宄表明:熱塑性樹脂的聚合物普遍存在氣體滲透性，即在一定壓力作用下小分子氣體(CH4、CO2和H2S等)向聚合物內(nèi)部移動，再從聚合物的另一側表面離開聚合物；微觀上氣體滲透過程是由于聚合物中的分子存在孔穴，在壓力條件下，氣體小分子在濃度梯度的驅動下由一個孔迀移到另一個孔穴，最終從聚合物中滲透過去。
[0004]原鋼管管線采用HDPE管內(nèi)穿插修復后，若輸送介質(zhì)中含有較多CH4、0)2和H2S等小分子氣體時，在運行壓力工況下，小分子可通過滲透進入內(nèi)穿插管和原鋼管管線之間的夾層，當管線停輸時，在夾層滲透壓力大于管線內(nèi)壓，負壓條件下HDPE內(nèi)穿插管存在坍塌風險。國外油田已存在HDPE內(nèi)穿插管失效，導致整個管道變形、不能繼續(xù)使用的案例。
[0005]為降低HDPE管的小分子氣體滲透率，避免HDPE內(nèi)穿插管負壓條件下坍塌失效，有效提高HDPE聚乙烯樹脂的氣體阻隔性能，降低滲透速率是關鍵。
[0006]目前，EVOH(乙稀/ 乙稀醇共聚物 Ethylene-vinyl alcohol copolymer)和 HDPE的共混成為高阻隔材料研宄的熱點之一。陳永芬等研宄認為EV0H/HDPE共混體系中，當采用EVOH/增容劑為4/1的阻隔母粒，所得材料的結構為大而均勻的片狀形態(tài)，具有優(yōu)異的阻隔性。李連貴等采用HDPE接枝馬來酸酐(MAH)或甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)作為增容劑，當質(zhì)量比HDPE: EVOH: HDPE-g-GMA = 80: 20: 8時，共混物氧氣透過率比HDPE降低約96%。孟俊等細致考察了 EV0H/HDPE共混生產(chǎn)工藝參數(shù)對管材阻隔性能的影響。
[0007]由于EVOH與HDPE的在熱力學上具有不相容特性，無論是二者簡單共混體系還是加入相容劑的共混體系都呈兩相結構，管材較難實現(xiàn)穩(wěn)定的阻隔性能質(zhì)量控制，因此解決EVOH阻隔樹脂與HDPE聚乙烯樹脂的有機結合是關鍵。
[0008]如何研發(fā)一種阻隔性能穩(wěn)定，適用油田腐蝕嚴重的天然氣集輸管線PE內(nèi)穿插修復專用管材是本領域技術人員亟需解決的技術問題。
[0009]目前常用層狀共混技術制備高阻隔管，層狀共混技術是通過控制聚合物共混物的形態(tài)結構，使材料的阻隔層與基體形成多層狀的結構，從而獲得層狀結構聚合物復合材料的方法。研宄表明:層狀共混技術阻隔性能依賴于共混物中各相的形態(tài)結構，當阻隔性樹脂在基體聚合物中形成層狀分散，則能大大提高共混物的阻隔性能；若阻隔性樹脂在基體中呈球狀或纖維狀形態(tài)分散，則不能提高共混物的阻隔性能。EVOH樹脂在HDPE基體聚合物中形成層狀分散受擠出機轉速、牽引速度、加工溫度、增容劑等生產(chǎn)條件影響較大，較難實現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量控制。
[0010]故此，為滿足現(xiàn)場油田現(xiàn)場生產(chǎn)需要，消除內(nèi)穿插管坍塌失效帶來安全生產(chǎn)隱患，改進生產(chǎn)工藝獲得穩(wěn)定質(zhì)量的高阻隔管勢在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明解決的技術問題是提供一種高阻隔的多層復合熱塑性塑料管。具體來說，本發(fā)明提供一種油田腐蝕嚴重的天然氣集輸管線PE內(nèi)穿插修復專用管材。該管材可以從根本上消除天然氣集輸管線修復用內(nèi)穿插管在輸送介質(zhì)含有CH4、0)2和H2S等小分子氣體時負壓條件下產(chǎn)生的坍塌隱患，保障了修復管線的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行。
[0012]為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn):
[0013]本發(fā)明提供一種復合熱塑性塑料管，由外而內(nèi)依次為阻隔外層，中間層和阻隔內(nèi)層O
[0014]其中，所述阻隔外層占管材厚度3 %?7 %，中間層占管材厚度86 %?94%，阻隔內(nèi)層占管材厚度3%?7% ;優(yōu)選所述阻隔外層占管材厚度5%，中間層占管材厚度90%以及阻隔內(nèi)層占管材厚度5%。
[0015]其中，阻隔外層的材料為EVOH、PVDC(聚偏二氯乙稀Polyvinylidene chloride)、PA (聚酰胺Po I yami de)中的一種或多種；中間層的材料為HDPE、PE-RT (耐熱聚乙烯，Polyethylene of raised temperature resistance)、PE-X(交聯(lián)聚乙稀 Crosslinkedpolyethylene)、UHMWPE (超高分子量聚乙稀Ultrahigh molecular weight polyethylene)中的一種或多種；阻隔內(nèi)層的材料為EV0H、PVDC、PA中的一種或多種；優(yōu)選阻隔外層和阻隔內(nèi)層的材料為EVOH ;中間層的材料為HDPE。
[0016]本發(fā)明還提供一種所述復合熱塑性塑料管的生產(chǎn)方法，從不對稱分布的三臺擠塑機分別擠出阻隔外層，中間層和阻隔內(nèi)層，之后在多層共擠模具中擠壓熔成一體，然后經(jīng)冷卻得到產(chǎn)品；優(yōu)選在冷卻后進一步包括打碼和切割工序。
[0017]本發(fā)明還提供一種復合熱塑性塑料管的生產(chǎn)方法，從不對稱分布的三臺擠塑機分別擠出阻隔外層，中間層和阻隔內(nèi)層，之后在多層共擠模具中擠壓熔成一體，然后經(jīng)冷卻得到產(chǎn)品復合熱塑性塑料管，該產(chǎn)品由外而內(nèi)依次為阻隔外層，中間層和阻隔內(nèi)層；優(yōu)選在冷卻后進一步包括打碼和切割工序。
[0018]其中，所述復合熱塑性塑料管的阻隔外層占管材厚度3%?7%，中間層占管材厚度86%?94%，阻隔內(nèi)層占管材厚度3%?7% ;優(yōu)選所述阻隔外層占管材厚度5%，中間層占管材厚度90 %以及阻隔內(nèi)層占管材厚度5 %。
[0019]其中，阻隔外層的材料為EV0H、PVDC, PA中的一種或多種；中間層的材料為HDPE、PE-RT、PE-X、UHMWPE中的一種或多種；阻隔內(nèi)層的材料為EV0H、PVDC、PA中的一種或多種；優(yōu)選阻隔外層和阻隔內(nèi)層的材料為EVOH ;中間層的材料為HDPE。
[0020]其中，所述擠出阻隔內(nèi)層和阻隔外層的擠塑機的擠出工藝參數(shù)如下:機頭壓力控制在6MPa?8MPa之間，機筒區(qū)分為4段，第I段溫度為150°C?160°C，第2段溫度為180°C?190°C，第3段溫度為215°C?225°C，第4段溫度為220°C?230°C ;模頭區(qū)分為4段，第I段溫度為215°C?225°C，第2段溫度為220°C _230°C，第3段溫度為225°C?235°C，第4段溫度為230°C?340°C ;擠出機轉速為20rad/min?30rad/min，牽引速度為90cm/min ?110cm/min ；
[0021]中間層擠塑機擠出工藝參數(shù)控制如下:機頭壓力控制在7MPa?1MPa之間，機筒區(qū)分為4段，第I段溫度為155°C?165°C，第2段溫度為165°C?175°C，第3段溫度為185°C?195°C，第4段溫度為180°C?190°C ;模頭區(qū)分為4段，第I段溫度為220°C?230°C，第2段溫度為220°C?230°C，第3段溫度為225°C?235°C，第4段溫度為225°C?235°C ;擠出機轉速為 15rad/min ?25rad/min，牽引速度為 90cm/min ?110cm/min。
[0022]其中，所述擠出阻隔內(nèi)層和阻隔外層的擠塑機的擠出工藝參數(shù)如下:機頭壓力控制在6MPa?8MPa之間，機筒區(qū)分為4段，第I段溫度為155°C，第2段溫度為185°C，第3段溫度為220°C，第4段溫度為225°C ;模頭區(qū)分為4段，第I段溫度為220°C，第2段溫度為225°C，第3段溫度為230°C，第4段溫度為235°C ;擠出機轉速為25rad/min，牽引速度為lOOcm/min ;中間層機頭壓力控制在7MPa?1MPa之間，機筒區(qū)分為4段，第I段溫度為160°C，第2段溫度為170°C，第3段溫度為190°C，第4段溫度為185°C ;模頭區(qū)分為4段，第I段溫度為225°C，第2段溫度為225°C，第3段溫度為230°C，第4段溫度為230°C;擠出機轉速為20rad/min，牽引速度為100cm/min
[0023]其中，所述冷卻為在真空度為0.2MPa?0.3MPa、溫度為20°C?30°C—次真空水冷定徑后，在常壓下經(jīng)20°C?30°