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    保温管的PE外套管极化处理工艺(转载)

    2020-09-17  来自: 天津市管道工程集团有限公司保温管厂壬律 浏览次数:652

    保温管的制作过程中,为了增加聚氨酯发泡层 PE外套管之间的粘结力,需要对PE外套管的内 壁进行极化处理。PE管内壁的极化处理是通过高压 放电,微小的电子和正离子轰击PE管内壁,使其表层 的分子获得电子能后,重新排列交联在一起,从而使 中性的聚乙烯表面具极性。聚氨酯泡沫 也是具有极性的物质,当二者接触在一起时就会很容 易粘结。我厂在成立初期,购买了两套极化装置,在 使用过程中我们逐渐发现了一些问题。一是极化处 理效果逐渐减弱,二是原来的内电极在使用过程中也 开始变形,从而导致管材内壁有些部位不能得到有效 的极化处理。若重新购置设备,则价格非常昂贵。为了节省资金,我们从PE外套管的极化处理工艺原理 出发,找到问题的关键所在,开发设计出经济实用的 极化处理装置,并获得了国家专利。

    1问题分析

    极化效果的衰减现象表明在线生产时PE管内 壁的电轰击强度不够;管材内壁的极化处理不均匀 又表明,在现有设备提供的高压条件下,内电极的变 形造成在其与PE管内壁间隙大的地方不能正常放 polarization treatment

    电。为了尽量减少投资额,尽量不更改原有 的极化控制设备,而又解决以上两点极化处理的缺 陷,就必须搞清楚极化过程中的放电原理,设计出有 利于提高电场能转化为电子能的效率的内电极。

    2极化工艺原理

    2. 1高压放电等离子体的产生过程

    正离子和电子空间密度(指单位体积内的粒子 个数)大致相等的电离气体称为等离子体,电极间 气体的绝缘性被破坏的现象称为绝缘击穿,又叫放。如果在电极间没有一个电子,全部是中性粒 子,那么无论在电极间加多高的电压,都不可能发生 放电。因此,种子电子(初始电子)的存在是放电开 始的必要条件。PE管的极化处理过程是在常态的 空气中进行的,而自然界中经常有高能宇宙射线、放 射线、紫外线等,它们入射到放电PE管中会引起电 离,从而产生电子。这种偶然电子成为启动放电的 种子,在电场作用下开始加速、碰撞、电离等连锁反应。这也是极化处理的必要前提条件。

    2. 2影响电轰击效果的因素

    电轰击作用的强弱取决于放电微粒所具有的动 能,这部分动能是由电场对放电微粒做功转换而来 的。在放电微粒具有相同的轰击能量时,轰击效果 与放电微粒的数量有关。而电子的轰击能量和放电 微粒数与放电电压、电极间距、放电频率、电场结构 有关。对PE管内壁作极化处理时应充分利用电场 能,关键是尽量降低放电电压等级,提高单位时间内 的放电微粒数,使放电电流尽可能高。

    ① 放电电压与电极间距

    当阴极和阳极间的电压增加至某一临界值时, 电极间的气体就会发生放电,把这个放电开始的瞬 间电压称为着火电压。着火电压由气体压力和电极 间距的乘积所决定,与阴极材料(它影响着离子 在电场加速作用下轰击阴极时二次电离的出射效 应)也有关系。对于极化处理工艺来说,放电是在 接近标准大气压的条件下进行的,即放电气体压力 已确定。而压力固定时,电极间距越大,着火电压越高。电极间距在mm级以下时,才可能是着火电压。对于平行平板电极形成的电?。?/span>1),很 难实现mm级以下的电极间距。针状电极与平板电 极形成的电?。?/span>2、3),沿线性针状电极不同的 点对应同一平板电极,相当于电极间距在改变。外 加电压时,必须保证内外电极的间距,否则不会产生放电现象。

    +
    I

    保温管 

     

    1平行平板电极电场线分布

    Fig. 1 Distribution for electric field lines of paralleled
    planar electrodes

    ② 放电频率

    在高频交流电场中,粒子运动的振幅与质量成 反比,并随频率的增大而减小。所以在极化处理中 需要釆用高频交流电,这样电场中电离出来的电子 由于质量较轻,很容易抵达PE管内壁表层产生轰 击作用,而正离子由于质量较大,在未到达PE管内 壁表层前就反向运动了,如此在电场中往复运动,结 果电极间出现正电荷空间,这些电荷会增强电场强 度,从而导致放电着火电压下降。若继续提高频率,

    保温管 

     

    2针状电极对平板电极电场线分布

    Fig. 2 Distribution for electric field lines of pinshaped electrode to planar electrodes

     

                        保温管

    3同轴圆筒电极电场线分布

    Fig. 3 Distribution for electric field lines of cylindrical electrodes at same axis 则轻质量的电子也会被电极所约束。这样,由于电 子长时间地滞留在电极之间,所以电离概率变大,着 火电压降低。但是对PE管的极化处理工艺来说, 外加电源频率不能过高,因为如果过高,电离出来的 电子也在内外电极之间来回振动,而不能到达PE 管内表面对其进行轰击来改变表层分子结构。

    ③ 电场结构

    电子的激发直接与电场强度有关。同时放电是在电极间距范围内才会发生,所以应使放电 范围内电场强度尽量大。即在尽量减小外加电压的 情况下,在放电范围内形成局部强电场。下面分析 不同电场结构时气体的放电情况。

    1中在平行平板电极间施加均匀电场,在一个大气压的干燥空气、电极间距为1 cm条件下的绝 缘击穿电压约为30 kV,这个结果得到实验的证实。 但在图2、3的电场结构下,绝缘击穿电压要远低于 相同电极间距的平行平板电极结构时的绝缘击穿电 压。其原因是电场线集中在针状电极附近或者同轴中心导体周围,使得电场较强。在强电场处局 部容易发生电离,可以观察到等离子体的局部发光 现象。这时绝缘击穿后的电流很微弱,会有不稳定 的短脉冲电流流过。

    当外加电压为着火电压时,电极间形成的局部 强电场附近气体已经能电离放电了。若在着火 电压的基础上继续增加外加电压,则电离出的电子 数量增多,电子运动速度加快,放电电流增加,PE 受到的轰击效果越好,即极化效果就会越好。当外 加电压和内电极材料选定时,不均匀电场放电比均 匀电场放电效果好。所以局部强电场的形成,即内 电极合理的结构对放电效果有着极其重要的影响。

    3. 解决方法

    在极化处理工艺中内电极为放电阴极,外电极 为紧箍在PE管外壁上的不锈钢金属圈。在高频交 流放电中,气体电离出来的大质量的正离子在高压 电场中来回以很小的振幅振动,停留在两电极之间, 增加电场强度,降低了着火电压,同时质量相对较大 的正离子也很难被加速,避免了它高速撞击放电阴 极而使电极过热。

    考虑到局部强电场的形成,持续的高压高频放电一般在电极到PE管内壁的间距小于4 mm 区域内发生,我们综合图2和图3两种类型的电极 结构对内电极进行重新设计。由于在放电过程中气 体电离出来的离子与空气中的氧气结合生成臭氧, 而臭氧的氧化性极强,所以内电极要选择抗氧化性 强的材料。根据针状电极并具有抗氧化性两点要求,我们选择不锈钢丝作为内电极的主要材料,外加一些PVC板、不锈钢杆为框架辅助材料。大规格的 PE管从机头挤出成型后,由于自重会导致扁塌。为了避免扁塌位置处内电极与PE管内壁的间隙过大 而造成局部不能正常放电,我们把不锈钢丝制成长 毛刷状,并把其缠在圆柱形的内电极支架上,设计合 理的安装尺寸,让内电极以过盈配合的方式套在PE 管内。这样,只有不锈钢丝与PE管内壁接触上的 那一点处(即零间隙处)不能参与放电,其他小于4 mm区域内都能正 常放电。因为不锈钢丝具有弹性,再加上设 计时已留有过盈量,原先的电极结构造成的 极化效果不均匀的现象就能被很好地避免。

    极化控制设备利用高压变压器实现输出10 kV 以上的高压,再利用可控硅实现高频输出。一般在 生产过程中对于不同规格的管材,极化控制设备输 出频率无须做任何调节,只是当希望极化效果更好 时,输出电压需要更高,所以极化控制设备应该具备 可调输止忠到减少投资费用,没有改动原有的极化控制设备以不同规格的 管材我]又做了大量的试验,总结出输出频率为10 kHz,H要求。如果对完全新投资的项目,可以很电易提高自动 化控制程度。 

    4 结语

    极化处理工艺在保温管的制作过程中不可缺少,制造厂家的极化处理设备也各不相同。我们设 计的内电极制作方便简单,且成本较低,对外加电压 的要求相对不高,生产实践表明极化效果良好。

    关键词: 保温管   PE外套管   极化处理     
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