一种无粘结钢绞线的高韧性护套及其挤塑加工方法 |
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| 申请号 | CN202311726514.0 | 申请日 | 2023-12-15 | 公开(公告)号 | CN117702519A | 公开(公告)日 | 2024-03-15 |
| 申请人 | 天津市新天钢中兴盛达有限公司; 天津市新天钢钢线钢缆有限公司; | 发明人 | 张广友; 潘捷; 王莉; 夏清; 李建富; 王齐; 孙立兴; 沈欣; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种无粘结 钢 绞线的高韧性护套及其挤塑加工方法，护套的原料配方按重量比各成分为：HDPE YGH041T 65％～66％、HDPE 5000S和HDPE 049 32％～33％，色母1.7％～2.1％；其中HDPE 5000S和HDPE 049的重量为1:1；方法包括：将原料混合均匀后进行烘干；将烘干的原料输送至加热筒，在加热筒内输送过程中持续升温加热；在加热筒末端将原料输送至挤塑模具中，原料通过挤塑模具包覆成型于裸钢绞线上，形成护套；从挤塑模具输出口输出的包覆有护套的钢绞线进入后序 冷却 水 中进行冷却，冷却后 收线 ，完成护套的挤塑加工过程。本发明产品满足了核电工程使用的高强度、高塑性和高韧性指标要求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种无粘结钢绞线的高韧性护套，其特征在于：护套的原料配方按重量比各成分为： |
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| 说明书全文 | 一种无粘结钢绞线的高韧性护套及其挤塑加工方法技术领域[0001] 本发明属于无粘结钢绞线生产技术领域，尤其是一种无粘结钢绞线的高韧性护套及其挤塑加工方法。 背景技术[0002] 目前，国内预应力钢绞线的高端工程领域开始设计采用“护套保护和涂油的预应力钢绞线”，如核电、风电、光伏发电等工程领域，主要是满足工程技术未来的发展方向‑预应力钢绞线的施工会朝着服役期间可以补张拉，进行钢绞线更换的方向发展。 [0003] 如目前，三代核电站采用“倒U形”布筋，所采用的预应力钢绞线数量大，水平和竖向均采用55束预应力钢绞线，钢绞线布筋超长(140m)，钢绞线密集，孔道小，在预应力钢绞线穿线的过程中，有时会出现部分钢绞线断丝的情况。另外，核电工程的设计寿命是60年，钢绞线在服役期间，钢绞线与锚具之间的预紧力也会随着时间的推移而降低，会对工程寿命产生一定的影响，因此，国内已有核电工程设计采用“护套保护和涂油的预应力钢绞线”，该产品是一种由6条钢丝绕着称为“中心钢丝”的主直钢丝捻制而成，并由高密度聚乙烯(HDPE)护套包覆，钢绞线和HDPE护套之间注有油脂以确保无粘结。该产品结构，可以满足钢绞线服役期间补张拉，进行钢绞线更换的发展方向。可弥补现有技术中预应力的加固和补救方式的不足，因为现有技术的补救加固方式主要是依靠补充钢材的布筋数量进行加固，该方式会改变原结构的截面，增加自重负荷，而且施工周期和施工难度很大。 [0004] 针对核电工程的使用目的，其对“护套保护和涂油的预应力钢绞线”产品性能的设计指标为： [0005] 钢绞线直径：1×7‑Φ15.70mm；钢绞线直径公差:‑0.1mm,+0.2mm；护套层厚度：1.5‑2.0mm；油脂含量：≥40g/m；表面质量：表面应光滑，无气孔、无机械损伤、无裂缝、无明显折皱，无可见钢绞线轮廓；护套拉伸性能：拉伸屈服应力：≥18MPa，断裂标称应变：≥ 500％；护套和钢绞线之间的摩擦：≤60N/m；抗冲击性：30cm高度十次落锤不会撕裂或穿透护套。 [0006] 该产品指标与目前市场上现有的无粘结预应力钢绞线的性能存在差异，主要差异点在于： [0007] 护套厚度：1.5‑2.0mm，而普通无粘结钢绞线产品为≥1.0mm；护套拉伸性能：拉伸屈服应力：≥18MPa了，而普通无粘结产品为≥15MPa；断裂标称应变：≥500％，而普通无粘结产品为≥400％；护套和钢绞线之间的摩擦：≤60N/m；而普通无粘结产品不涉及；抗冲击性：30cm高度十次落锤不会撕裂或穿透护套；而普通无粘结钢绞线产品不涉及；耐温性拉伸强度的变化在100℃和‑20℃下放置3天后，在23℃下的伸长变化率:≤25％，而普通无粘结钢绞线产品不涉及。从该产品与普通无粘结钢绞线产品的性能比对可以看出，本产品要求具有高强度、高塑性和高韧性指标。 发明内容[0008] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可实现高强度、高塑性和高韧性的无粘结钢绞线的高韧性护套及其挤塑加工方法。 [0009] 本发明的上述目的之一通过以下技术方案来实现： [0010] 一种无粘结钢绞线的高韧性护套，护套的原料配方按重量比各成分为：HDPE YGH041T65％～66％、HDPE 5000S和HDPE 049 32％～33％，色母1.7％～2.1％；其中HDPE 5000S和HDPE 049的重量为1:1。 [0011] 本发明的上述目的之二通过以下方法方案来实现： [0012] 一种用于上述无粘结钢绞线的高韧性护套的挤塑加工方法，包括如下步骤： [0013] 步骤1、将原料混合均匀后输送至烘干筒中进行烘干； [0014] 步骤2、将烘干的原料输送至加热筒，在加热筒内通过输送绞龙向前输送原料，并对原料进行持续升温加热； [0015] 步骤3、在加热筒的末端将原料输送至挤塑模具中，原料通过挤塑模具包覆成型于穿过挤塑模具中的裸钢绞线上，形成护套，其中，裸钢绞线在进入挤塑模具前已进行涂油处理； [0017] 而且，步骤1中，烘干温度为70℃，时间1h。 [0018] 而且，所述加热由前后设置的五个加热区构成；第一加热区的温度为：160～230；第二加热区的温度为170～240℃；第三加热区的温度为190～260℃：第四加热区的温度为 200～270℃：第五加热区的温度为215～285℃。 [0019] 而且，步骤3中，挤塑模具包括第一模具段、第二模具段及模具出口；第一模具段的加热温度为：190～260℃；第一模具段的加热温度为：220～290℃；模具出口的温度为：230～300℃。 [0020] 而且，步骤3中，步骤3中，裸钢绞线的表面油脂含量为：53.1‑59.8g/m。 [0021] 本发明具有的优点和积极效果为： [0022] 1、本发明无粘结钢绞线的高韧性护套满足了核电工程使用的高强度、高塑性和高韧性指标要求。 [0023] 2、本发明加工方法通过对挤塑模具、挤塑加热区的各区段的加热温度、涂油量等工艺参数进行优化组合，使生产的无粘结钢绞线从护套厚度、拉伸屈服强度、拉伸断裂应变、抗冲击性能、耐温性拉伸强度等方面均较好的满足了核电用无粘结钢绞线的使用要求。附图说明 [0024] 图1本发明采用的挤塑模具的结构示意图； [0025] 图2是本发明涉及的无粘结钢绞线的外观示意图； [0026] 图3是本发明涉及的护套保护涂油预应力钢绞线检验记录； [0027] 图4是本发明涉及的护套拉伸前后变化比对图片,4a为拉伸前；4b为拉伸后； [0028] 图5是本发明涉及的摩擦阻力试验照片；5a为摩擦阻力试验中；5b为摩擦阻力试验后试样； [0029] 图6是本发明涉及的水密性试验照片； [0030] 图7是本发明涉及的冲击锤的结构示意图；7a为冲击锤整体图；7b为锥棒示意图；7c为锤头示意图。 具体实施方式[0031] 以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。 [0032] 一、本一种无粘结钢绞线的高韧性护套的工艺配方的优选和确定： [0033] ⑴本发明无粘结钢绞线的高韧性护套与普通无粘结钢绞线使用的聚乙烯原料存在的差异 [0034] 目前，国内的无粘结钢绞线普遍使用的聚乙烯原料为5000S，无粘结钢绞线产品对护套所用的原材料要求是符合GB/T 11115中《高密度聚乙烯》，与核电钢绞线对护套所用的原材料要求不同，核电产品用护套原材料性能要求见表1。本发明无粘结钢绞线原料要求与普通无粘结钢绞线护套原料要求的区别见表2。 [0035] 表1：核电钢绞线用护套原料性能要求 [0036] [0037] 表2：两种原料的性能比对 [0038] [0039] 通过对比显示，5000S原料的延伸性好，能够满足核电护套原料高延伸性能要求，但熔体指标不能满足核电用护套原料的要求。 [0040] ⑵选择适宜的原料 [0041] 为满足核电钢绞线护套成品的抗冲击等性能指标的要求，经过选用多种类型的聚乙烯进行无粘结钢绞线的高韧性护套的试制和性能实现试验，最终确定三种较为适宜的选料，性能指标见表3。 [0042] 表3核电对护套原料性能要求及优选的原料性能比对 [0043] [0044] 从优选的以上3种牌号的原料指标看，YGH041T牌号基本满足核电护套用原料的要求；049牌号的原料其热稳定性最佳；CJ297牌号的原料其冲击韧性指标最佳，但以上3种原料的屈服拉伸强度和延伸率不如5000S的性能指标。 [0045] 基于核电的允许条件，先后采用了无粘结钢绞线普通护套原料和以上3种牌号的原料分别进行了样品的试制，其中5000S、049牌号需要和色母混合，其质量比例为聚乙烯原料HDPE94.25％和色母5.75％。CJ297牌号和YGH041T含有炭黑成分，无须和色母混合。试制后护套的力学性能结果见表4。 [0046] 表4不同护套原料生产的成品护套的主要性能比对 [0047] [0048] 通过表4的结果显示： [0049] 经过样品试制，5000S和CJ297原料其中各有3项性能不能满足成品护套性能的要求；049原料和YGH041T原料性能较为符合，但049的抗老化性能和YGH041H的抗冲击性能有待提高，但049、YGH041H的拉伸屈服强度和拉伸断裂应变指标均不如5000S。 [0050] ⑶配方工艺的确定 [0051] 进行了多次优化，最终采用的护套料配方按重量比，各成分为：HDPE(YGH041T)65％～66％，HDPE(5000S:049＝1:1)32％～33％，色母1.7％～2.1％,使用前应进行充分的混匀。 [0052] 二、生产试制过程 [0053] ⑴无粘结钢绞线的包塑生成工艺流程 [0054] 钢绞线→放线→涂敷→挤塑包覆HDPE(高密度聚乙烯颗粒)护套→冷却→牵引→收线→检验→包装→入库 [0055] ⑵挤塑模具的设计 [0056] 由于普通无粘结钢绞线产品的护套厚度为≥1.0mm，其模具的尺寸不满足1.5‑2.0mm厚护套要求，需对现有模芯和挤塑模套尺寸进行重新设计，挤塑模具装配尺寸见图1，模具关键尺寸见表5。 [0057] 表5：模具关键尺寸 [0058] [0059] 在模芯和模套方面都延长定径带尺寸，芯模与模套之间的间隙满足了成品树脂厚度要求。 [0060] ⑶生产试制主要操作过程 [0061] 1、上料 [0062] Ⅰ、本发明产品通过现有无粘结钢绞线生产线设备进行涂覆防腐润滑油和聚乙烯防护护套的生产。 [0063] Ⅱ、用于制作本发明产品预应力钢绞线，应符合GB/T5224‑2014标准的规定，检查钢绞线直径、捻向、外观等质量，符合要求方可使用。本发明产品应由同一根连续的预应力钢绞线组成，生产为连续作业，防腐油脂和护套的制作一次完成。 [0064] Ⅲ、将用于制作本发明产品的钢绞线放入放线架之前，应将钢绞线头部理顺，使其能顺利通过涂油装置，不得出现交叉、打弯等情况。 [0065] 2、涂覆油脂 [0066] Ⅰ、检查使用的润滑脂，核对包装标识，包括润滑脂的生产批号、牌号及生产厂家等信息。 [0067] Ⅱ、操作人员检查涂油压力，油罐内油脂是否充足，涂油模具尺寸是否符合要求，根据油脂的检验结果来调整涂油阀门的角度和涂油压力，确保油脂含量满足要求，通过调整优化，本发明产品生产时，获得了涂油工序的最佳参数，钢绞线表面油脂均匀，量化指标满足要求，见表6。 [0068] 表6涂覆油脂工艺参数 [0069] [0070] 3、挤塑包覆 [0071] Ⅰ、操作人员在生产前检查挤塑模具的尺寸是否符合要求，对模口、过滤网等工装进行清理。调整挤塑机机头，牵引套管等工装，保持与生产线的水平一致性。 [0072] Ⅱ、检查聚乙烯原料，核对包装标识，包括生产批号、牌号、生产厂家等信息。在倒入挤塑机前，提前按照本发明方案的多料进行配比，并进行混合和充分的搅拌直至均匀，搅拌过程中，操作人员应带手套，避免杂质带入搅拌过程。 [0073] Ⅲ、混合好的护套料进行烘干，烘干稳定为70℃，时间1h。 [0074] Ⅳ、调整收线车速、挤出的速度、牵引速度，保持匹配一致性，通过少量的护套产品试制，检查表面质量及厚度，确保护套厚度均匀一致。 [0075] Ⅴ、经过工艺验证，获得挤塑机各区段最佳的温度参数，见表7 [0076] 表7：挤塑加热区段温度 [0077] [0078] 注：机筒区、模具区、模口均具有加热功能。 [0079] 4、冷却、牵引及收线 [0080] Ⅰ、冷却水应保持水流平稳，水温恒定。 [0081] Ⅱ、操作人员应观察在线线径数值是否满足要求，实时调整收线速度、挤出的速度，保持收线稳定。 [0082] 3、产品的检验过程 [0083] ⑴检查产品外观 [0084] 检查本发明产品的护套外观，表面质量光滑，无气孔、无机械损伤、无裂缝、无明显折皱，看不到填充材料的痕迹均匀，无间断，样品实物照片见图2。 [0085] ⑵性能检验 [0086] Ⅰ、取样10组样品，对试制后的本发明产品常规性能，包括：产品直径、护套厚度、拉伸性能等指标进行检测，自检数据记录填写《护套保护涂油预应力钢绞线检验记录》，见图3。 [0087] ①钢绞线直径：1×7‑Φ15.70mm； [0088] ②实际钢绞线直径:15.72‑15.82mm； [0089] ③护套层厚度：1.72‑1.90mm； [0090] ④油脂含量：53.1‑59.8g/m； [0091] ⑤护套拉伸屈服应力：18.2‑21.8MPa，断裂标称应变：542‑722％。 [0093] ⑥护套和钢绞线之间的摩擦：51‑57N/m； [0094] ⑦耐温性拉伸强度的变化在100℃和‑20℃下放置3天后，在23℃下的屈服应力变化：18.0‑21.0％，断裂标称应变变化：18.2‑20.0％； [0095] ⑧抗冲击性：30cm高度十次落锤不会撕裂或穿透护套，经水密性试验验证，符合要求。详细数据记录见《护套保护涂油预应力钢绞线检验记录》。 [0096] (3)对采用上述混合方案后的本发明产品常规性能指标进行统计分析，实施产品性能的工艺验证，见表8。 [0097] 表8：本发明产品常规性能统计 [0098] 项目 护套厚度mm 油脂重量g/m 屈服力MPa 断裂应变％目标值 1.5‑2.0 ≥40 ≥18 ≥500 平均值 1.86 56.4 19.4 643 最大值 1.90 59.8 21.8 722 最小值 1.72 53.1 18.2 542 极差 0.16 9.3 3.6 180 标准偏差 0.07 1.64 0.72 25.15 CPk 1.41 1.73 1.67 1.98 [0099] 经对护套厚度、油脂重量、屈服应力和断裂标称应变的标准偏差和CPK值的统计，可以看出产品生产工序过程能力充分，过程控制有效。试验过程照片见图4～图6。 [0100] (4)抗冲击试验的创新 [0101] 护套的抗冲击性，国内没有试验设备也没有试验方法。本发明借鉴现有的跌落试验机的原理，针对核电工程的设计要求，设计制作了“一种钢绞线护套抗冲击性能检测用跌落试验机”，并参考法国NF A 35‑037‑1‑2021《钢铁产品保护和护套高强度钢绞线》标准，自行制定了试验方法，主要创新点如下： [0102] ①试验设备 [0104] ②环境条件： [0105] 环境温度：15℃～30℃；环境湿度：≤80％。 [0106] ③制样 [0107] 钢绞线试样长度应不小于0.5m，试样数量：1根/60吨。 [0108] ④自行设计制作了可拆卸的冲击锤(国内首创，也与国外标准中的冲击锤不同)[0109] Ⅰ、冲击锤可拆卸为创新点 [0110] 冲击锤由两部分组成，一部分为圆柱形锥棒，下带有螺丝扣，另一部分为T形锤头，T形锤头的水平端有螺纹孔，是与圆柱形的螺丝扣配合，设计为可拆卸的形式意义在于，锤头与钢锤头与钢绞线发生冲击作用，长期使用锤头会损坏，可拆卸方式能够便于锤头更换，见图7。 [0111] Ⅱ、锤头设计为： [0112] 质量为1000g±10g，刀刃长度大于等于40mm，攻角为90°，刀刃倒半径为1mm的圆角，锤头工作部分的硬度应大于等于55HRC。 [0113] 锤头的硬度为洛氏硬度大于55HRC左右，这是考虑钢绞线的硬度，通常钢绞线的硬度是在40HRC～50HRC之间，锤头的硬度要高于钢绞线的硬度值，但硬度过高，锤头会易碎。 [0114] Ⅲ、试验步骤 [0116] ②使用万能夹具将试样固定在可移动的工作台上。 [0117] ③点击控制面板中的启动按钮，电吸铁头吸合功能开启。 [0118] ④将锤头光圆一端吸合在电吸铁头的凹槽内，注意光圆端应与凹槽完全吻合，保持锤头呈竖直状态，转动锤头使锤头刀刃与试样中轴线呈90°，前后移动工作台，使锤头刀刃中心点的垂直投影落在试样中轴线上。 [0119] ⑤点击上升或下降按钮，并用钢板尺测量刀刃到试样的高度，高度范围满足30cm±1cm。 [0120] ⑥按下跌落按钮，进行测试，冲击样品，注意跌落时人员切勿靠近，以免砸伤。 [0121] ⑦按相关标准要求左右移动或更换样品，重复步骤②‑⑥，进行测试。 [0122] Ⅳ、对试验结果的评价方法创新 [0123] 按照核电的设计要求，“抗冲击性：30cm高度十次落锤不会撕裂或穿透护”。 [0124] 该结果没有涉及检测手段，可以目测，对完成冲击试验的试样用目测检查不应破损至可见绞线或露出防腐油脂。 [0125] 为确保核电用产品的安全性，自行设计增加了水密性试验方法，利用油脂的润滑，将护套中的钢绞线抽出，并把护套一侧封住，另一侧注入压力为10kPa的水柱的方法，保持2min±5s，观察冲击位置是否有水或油脂漏出，进一步判定试样的抗冲击试验是否合格。 [0126] 三、本专利产品与单纯原料的主要性能比对 [0127] 针对试验结果，将本专利产品与单纯原料的产品性能进行数据比对，见表9[0128] 表9：不同护套原料生产的成品护套的主要性能比对 [0129] [0130] 从表9可得，本发明产品从护套厚度、拉伸屈服强度、拉伸断裂应变、抗冲击性能、耐温性拉伸强度等方面均较好的满足了核电用无粘结钢绞线的使用要求。 |
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