一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具技术

本发明专利技术涉及非金属管道及管件领域，旨在提供一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具。该模具包括注塑型芯、注塑动模和注塑定模，三者共同合围形成注塑型腔；注塑型腔包括浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域，浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心。本发明专利技术充分考虑短纤维增强塑料电熔管件中短纤维会沿着注塑熔体的流动方向取向并在管件各位置产生纤维取向差异，以及不同方向上收缩率差；采用该改进模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件尺寸更加准确，能够解决传统模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件内外径偏大及存在较大不圆度的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具
本专利技术涉及非金属管道及管件领域，用于燃气、氢气、掺氢天然气、油气、核电重要厂用水输送，特别涉及一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具。
技术介绍
与传统金属管道相比，聚乙烯和聚丙烯等非金属管道具有柔韧性好、耐腐蚀、使用寿命长的优点，且同等体积生产能耗仅是钢铁的1/3～1/4，是公认的“绿色”管道。随着非金属管道的不断发展，其在国家重大工程中有着广泛的运用。如在燃气领域，我国新铺设的中低压城市燃气管90%以上采用聚乙烯管；在氢气领域，目前全球已建设输氢管道约4500公里，荷兰格罗宁根海港已成功将增强热塑性管道应用于氢气输送；为了解决氢气输送需要重新铺设专用管道的高额成本，英国等国家通过在天然气中掺入氢气，利用已有的燃气管道输送掺氢天然气；在油气领域，以玻纤、聚酯纤维、钢丝等增强聚乙烯非金属管道逐渐开始用于油气田注水管及油田集输管道；在核电领域，非金属管道已经开始应用于冷却水循环管道。随着我国能源结构的调整和城市化进程的加速，我国已成为塑料及其复合材料管道产量和需求量最大的国家，应用前景十分广阔。在塑料及其复合材料等非金属管道的连接技术中，电熔管件焊接技术具有施工效率高、操作标准化高、性能可靠等优点，是目前最常用的管道连接技术。电熔管件焊接的原理是采用管件内布置的电阻丝通电发热，利用产生的热量将管材的外壁与电熔管件内壁熔融，并利用加热产生的膨胀力将两者连接在一起，形成具有一定强度的电熔接头。随着钢丝网骨架（PSP）和增强热塑性（RTP）复合管的发展，在塑料管道中引入钢丝及纤维带增强层的方法显著地提高了塑料管道的强度，部分大口径塑性复合管材的承压能力已经突破6.4MPa。而电熔管件的增强方式有限，其强度已经成为限制高压复合管发展的瓶颈。据美国燃气协会（AGA）统计，约65%非金属燃气管道失效来自接头与管件。由此可见在非金属管道系统中，由于电熔接头改变了管材自身的一体性，电熔接头已经成为管道系统的薄弱环节。为提升复合管道系统的安全性，申请人针对电熔接头这一薄弱环节，详细研究了其可能存在的缺陷、失效模式以及安全检测方法，包括：基于超声相控阵检测方法（CN105259252A，CN103512954A），研究发现电熔接头内部的缺陷可以分为熔合面缺陷、孔洞、结构畸变、过焊以及冷焊缺陷（CN102285120A，CN102009474A），总结了电熔接头存在的三种典型失效模式，即沿电熔管件壁面贯穿裂纹失效、熔合面失效以及沿电阻丝所在平面的贯穿裂纹失效。由于电熔接头结构（内冷焊区存在应力集中）及受载方式（管件承受内压和轴向拉伸载荷，应用于埋地及架空管线）的复杂性，以往的管件增强方式存在局限性。如内置钢板增强层的增强方式由于金属钢板是极性材料，而聚乙烯和聚丙烯等塑料基体大多是非极性材料，两种材料之间的粘接效果差，导致无法协同承载，降低了钢板的增强效果。而在电熔管件外壁缠绕纤维增强层的方式主要是提升管件的环向强度，考虑到实际应用中电熔管件主要承受轴向载荷而发生失效，该方法对管件最终承压能力提升不明显。为了解决上述电熔管件的强度和安全检测问题，申请人首次提出了具有应变自监测功能的短碳纤维增强塑料电熔管件（CN109827014A），该专利技术通过在塑料基体中填充碳纤维以增强该材料的力学强度，由于碳纤维具有高强度和高模量的特点，均匀分布在塑料基体中的碳纤维能够承担塑料基体传递的载荷，从而实现电熔管件的强度提升。同时，由于碳纤维具有良好的导电性，当碳纤维的含量达到渗流阈值附近时，基体中的碳纤维由于相互之间接触形成导电网络，使得材料具有导电性。采用该材料制备电熔管件，管线内部的压力会产生管件材料的变形，使得管件材料内部的碳纤维导电网络发生破坏，管件材料的导电性降低，电阻率增加，通过测试管件材料电阻变化实现电熔管件的内压、应变及损伤等安全监测。由此，获得了具有自增强自传感功能的智能电熔管件。然而，申请人在注塑纤维增强电熔管件的实验过程中，发现采用目前的电熔管模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件存在内径偏大且不圆度较大的问题。目前的电熔管件注塑模具均是基于纯塑料材料设计的，采用目前的模具无法注塑得到尺寸合格的短纤维增强塑料电熔管件。主要原因有两个：第一个原因是，纤维的填充会降低塑料材料的体积收缩率。申请人实际测试发现，采用型芯外径为165mm的纯聚乙烯电熔管件注塑模具注塑得到的碳纤维增强聚乙烯电熔管件的内径最大尺寸为164.5mm，大于设计尺寸的158.5mm，导致该注塑管件无法用于焊接。北京化工大学蔡天泽的研究也表明，聚合物基体中加入10%的碳纤维后，材料的体积收缩率从9.07%降低到了7.24%。因此，采用目前的电熔管件注塑模具注塑短纤维增强塑料电熔管件时，会导致注塑的管件尺寸偏大。更重要的一个原因是，纤维增强塑料材料在注塑过程中由于纤维取向会导致材料的收缩率不一样。而目前的管件模具是按照纯塑料设计的，模具型腔的尺寸是按照材料在在各个位置的收缩率一致设计的，因此，使用现有模具注塑得到的短纤维增强塑料电熔管件存在内外径不圆度较大问题。申请人深入研究发现，纯塑料管件的不圆度是因为大分子链冷却时会发生回弹，导致材料在平行于流动方向收缩率大，而垂直于流动方向收缩率小；而短纤维增强塑料电熔管件的不圆度是因为短纤维限制了塑料材料在冷却时的收缩，材料在平行于流动方向收缩率小，垂直于流动方向的收缩率大。经实际测试，采用型芯外径尺寸为165mm的纯聚乙烯电熔管件模具注塑得到的短碳纤维增强聚乙烯电熔管件的内径不圆度最大可以达到5mm，导致注塑管件无法用于焊接。可见，纤维取向对材料的收缩率影响很大，在平行于纤维取向方向材料收缩率约为0.1%，无明显收缩，而垂直于纤维取向方向的收缩率最高可以达到4.5%。目前有针对纯塑料管件不圆度问题的改进方法，如采用内衬尼龙套定型（CN107214981A）以及基于反变形量设计型芯和型腔尺寸（广东工业大学钟健灵）。上述技术中前者需要在注塑电熔管件中增加定型套，增加了工序和生产时间；后者是针对纯塑料电熔三通，而塑料管件和纤维增强塑料电熔管件不圆度产生的原因是不一样的。因此，上述方法无法用于解决短纤维增强塑料电熔管件不圆度问题。因此，解决纯塑料和短纤维增强塑料电熔管件不圆度问题时，必须采用不同的技术手段。目前尚无能够解决短纤维增强塑料电熔管件不圆度问题的注塑模具的相关报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种自增强自传感电熔管件不圆度改善方法与注塑模具。为解决上述技术问题，本专利技术采用的解决方案是：提供一种自增强自传感电熔管件不圆度改善的注塑模具，包括注塑型芯、注塑动模和注塑定模，三者共同合围形成注塑型腔；在注塑定模或注塑动模上设有贯通连接注塑型腔的注塑流道，其内侧端部作为待加工电熔管件的浇注口；注塑型腔用于容纳来自注塑流道的注塑熔体，并经冷却塑型获得电熔管件；所述注塑型腔包括浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域，其中：浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自增强自传感电熔管件不圆度改善的注塑模具，包括注塑型芯、注塑动模和注塑定模，三者共同合围形成注塑型腔；在注塑定模或注塑动模上设有贯通连接注塑型腔的注塑流道，其内侧端部作为待加工电熔管件的浇注口；注塑型腔用于容纳来自注塑流道的注塑熔体，并经冷却塑型获得电熔管件；其特征在于，/n所述注塑型腔包括浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域，其中：/n浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，其长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸为浇注口直径的1~4倍；/n熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心；该区域的长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸为待加工电熔管件标准内径尺寸的5~20%；/n处于浇注口区域和熔接面区域的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大1~3%；处于正圆注塑区域的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大0~1%，且不等于0；/n所述待加工电熔管件的标准内外径尺寸是指，按国家标准GB 15558.2中规定的电熔管件标准内外径尺寸。/n

【技术特征摘要】
1.一种自增强自传感电熔管件不圆度改善的注塑模具，包括注塑型芯、注塑动模和注塑定模，三者共同合围形成注塑型腔；在注塑定模或注塑动模上设有贯通连接注塑型腔的注塑流道，其内侧端部作为待加工电熔管件的浇注口；注塑型腔用于容纳来自注塑流道的注塑熔体，并经冷却塑型获得电熔管件；其特征在于，
所述注塑型腔包括浇注口区域、熔接面区域和正圆注塑区域，其中：
浇注口区域由浇注口形成并沿注塑型腔的轴向布置，其长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸为浇注口直径的1~4倍；
熔接面区域位于浇注口区域的相对侧，且以注塑型腔中轴线为对称中心；该区域的长度与注塑型腔的轴向尺寸相等，其环向尺寸为待加工电熔管件标准内径尺寸的5~20%；
处于浇注口区域和熔接面区域的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大1~3%；处于正圆注塑区域的注塑型腔，其内外径尺寸比待加工电熔管件的标准内外径尺寸大0~1%，且不等于0；
所述待加工电熔管件的标准内外径尺寸是指，按国家标准GB15558.2中规定的电熔管件标准内外径尺寸。


2.根据权利要求1所述的注塑模具，其特征在于，所述浇注口位于浇注口区域的轴向中间位置。


3.根据权利要求1所述的注塑模具，其特征在于，所述注塑型腔的径向截面形状为非正圆的环形；当浇注口位于注塑型腔的轴向中间位置时，浇注口及其对面熔接面处的注塑型腔径向尺寸为最大。


4.根据权利要求1所述的注塑模具，其特征在于，所述注塑型腔的截面形状为椭圆形。


5.基于权利要求1所述注塑模具改善自增强自传感电熔管件不圆度的方法，其特征在于，是...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪奉尧，施建峰，姚日雾，孔智勇，葛周天，郑津洋，
申请(专利权)人：浙江大学，山东东宏管业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33