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1、沈阳工业大学本科生毕业设计第1章 总 论1.1 概述PVC管材作为科技发展的产物之一，在日常生活中触目可及。 聚氯乙烯(PVC)管材问世于上世纪三十年代，到五十年代已具有相当的规模，至今其产销量一直处于各种塑料管的首位。PVC管材的优异性能及显著的经济效益，使它在建筑、矿山、农田、污水排放等众多领域内广泛的应用，特别是八十年代以来，PVC管材的加工技术水平进一步提高，使各种PVC管材不断涌现，应用领域不断扩大。1.1.1 PVC管的发展历程上世纪四五十年代，欧洲人开始推广塑料管材的使用。在欧洲，1980年到1990年塑料管产量的增长率为8%，1986年欧洲塑料管总需求量为213.4万吨，199
2、8年增长到346.5万吨，年均增长率为5.2%，超过同期国民经济增长速度。到2001年，产量已达360万吨，其中PVC管材约占60%。截止到2009年底，欧洲塑料管的需求量居世界首位1。美国也是推广塑料管材较早的国家之一，1985年塑料管材的产量约为160万吨，1999年产量已达360万吨，其中PVC管材约占78%。到2009年，美国的塑料管产量已超过400万吨，其中PVC管材占总产量的75%以上。我国聚氯乙烯管道系统起步于20世纪50年代，但是在改革开放前一直和国际上有很大差距。80年代以后开始引进国外先进技术，逐步建立起UPVC管道系统的完整体系。我国第一根UPVC扩口管材是于1983年在
3、沈阳诞生。1983年到1994年，我国PVC管材、管件的发展速度极慢，其产量仅为19.5万吨；1996年的产量为24万吨，PVC管材在“九五”期间真正开始得到迅猛的发展，期间一些年生产能力在5万吨以上的工厂陆续建成投产，万吨以上生产规模的PVC管材工厂已达30多家2。规模在0.5-1万吨的厂家也有60余家。到1999年底，全国塑料管生产线约有2000余条，其中引进设备约占15%。此时，我国各种塑料管材的生产能力超过165万吨/年，而其中PVC管材占50%以上。这些生产厂家由于设备配套较齐全，技术力量较强，产品质量和管理体系也比较完善，管材、管件能够自己配套，产品质量也比较稳定。市场需求比较旺盛
4、，这些厂家生产的管材、管件占总生产量的85%以上。在过去10年中，中国塑料管市场年均增长率为13%，2000年、2002年及2003年产量分别达到75万吨、130万吨及150万吨，增长率为15%，其中PVC管材占55%以上。2004年国内管材的产量为200万吨，而PVC管道产量约达到120万吨，占各类塑料管材的首位。到2007年塑料管道的年生产能力为250万吨，到2009年，塑料管的年生产总量已达350万吨。年平均增长率在15%左右。1.1.2 PVC管材的生产现状从本世纪初开始，世界范围内PVC管材生产能力不断增强，到2000年增至3000万吨。在美国，一半以上的UPVC管道用于非压力管网，
5、其中用量最大的品种是给水管，其次是市政工程排污管、工业下水管、电工穿线管和滴灌管。在日本，UPVC管材最大应用领域是设备排水，其次是下水管、上水管等。大量的高压、无压UPVC管在工农业和化学工业中的应用是其它塑料品种所无法相比的。 目前我国塑料管的应用不仅在数量上而且在品种和规格上得到了很大发展。如PVC管材在一些城市建筑排水应用上已达到90%以上，塑料管的推广应用主要以PVC管材为主。到2005年，在全国新建、改建、扩建工程中，建筑用排水管道50%采用塑料管，城市排水管道20%采用塑料管，建筑给水、热水供应和供暖管道60%采用塑料管，城市供水管道50%采用塑料管，村镇供水管道60%采用塑料管
6、，城市燃汽管道（中低压管）50%采用塑料管，建筑电线穿线护套管80%采用塑料管。其中绝大部分为PVC管材。2008年中国塑料管市场年增长率达15%，居世界首位。2009年我国塑料管的生产能力已达380万吨。目前，中国塑管年产能力已接近400万吨。其中，PVC 管材产量最大，占据了约 70% 的管材市场份额。中国现有万吨以上年产规模的PVC管企业达30多家，年产能力达250万吨以上，年产量达120万吨以上。1.1.3 PVC管的性能特点PVC管材中，应用最广的是UPVC管。PVC-U管材是以PVC树脂为主料加入相应的加工助剂通过特定的挤出模具，在管材管壁纵向方向上均匀分布椭圆形或其他形状小孔的一
7、种结构性管材，具有质轻、 消音、隔热、 并具有和同口径PVC实壁管相同的刚度等特点，主要适用于建筑排水、排污等场所。PVC-U管材重量很轻仅为金属管的1/5左右，搬运、装卸、安装方便,施工周期短；可节约施工费用。PVC管道由于其施工简易、水力条件好，在供水管网中得到了广泛应用。PVC管材有很好的力学性能，且具备极好的耐腐蚀性，使用过程中重量轻，安装方便，不需要维护，而使用钢铁作公用工程的下水管道，在使用过程中由于易腐蚀，必须经常涂敷涂料，维护费用高。一般建筑及公用工程用金属管道20年就需更换，而用加工良好的PVC管道，使用寿命长达50年以上3。因此，PVC管材是一种生产成本低、强度高、耐腐蚀的
8、良好塑料制品。其主要特点主要体现在：（1） 质量轻：塑料管的密度是铸铁管的1/5，是混凝土管的1/3，可以套装，便于运输，安装方便，施工费用与传统管相比，可降低30%-50%的费用。（2） 耐腐蚀性能好：塑料管道不需做任何防腐处理，可用做含有盐碱土的给水管道，可用于化工管道输送带有酸、碱、性质的介质。（3） 流体阻力小：塑料管道的粗糙系数0.008；铸铁管的粗糙系数是0.013，混凝土管的粗糙系数是0.014。（4） 使用寿命长：铸铁管的使用寿命为30年，塑料管的使用寿命为50年，一条塑料管道几乎等于两条铸铁管的寿命。（5） 管材卫生性能提高，PVC管材采用无铅配方环保型稳定剂进行生产，产品经
9、中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所卫生权威部门检测，卫生性能符合GBT17219-1998和卫生部颁发的生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范4。（6） 外观美观大方：UPVC排水管外观为白色、光亮平滑、美观、色泽明快、可给建筑室内环境气氛添整洁轻快的时代感。 施工简易: PVC管及管件采用溶剂性胶粘剂接驳，接合施工迅速容易，施工费用低廉。（7） 综合造价低，环保性、隔音效果好好：其造价比使用同样规格的铸铁管道系统的综合造价低20-30%。PVC 属环保产品，可回收重复利用，不会对环境造成任何污染。隔音降噪性好：具有良好的消音特性，能显著降低噪音污染。消音效果达10dB以上。
10、1.1.4 PVC管材的发展前景塑料材料作为传统材料的代替品，在20世纪初开始被大量生产和应用，进入50年代以后塑料工业在原料生产、加工、研究等方面都进入新的发展阶段，其应用领域也迅速扩大，在国民经济中与钢铁、木材、水泥一起并成为四大基础材料，被认为是推动社会生产力发展的新型材料。塑料材料不仅丰富了材料家族的品种，使人们的生活更加方便，多彩，给众多的工业产品带来了新面貌，而且在科技尖领域占有一席之地，就像发明塑料一样，人类同样可以找到解决塑料材料所存在问题的最佳途径，使它在人类日常和经济生活中发挥越来越重要的作用。塑料管材是新材料，它的市场不但随着国民经济的发展而增长，而且会由于替代传统材料而
11、额外增长，因此国内外塑料管的发展速度均超过了本国国民经济的增长速度，预计今后20年仍将快速增长。我国塑料管产业面临巨大的发展机遇，产业基础已经建立，市场需求明显扩大，技术进步在不断推进。在今后20年内，预计我国塑料管总量的年均发展速度为20%。 在综合经济性方面，塑料管的优势正在被越来越多的用户所认识。PVC管材与金属管材相比，生产每立方米PVC和生产每立方米钢及铝计算，钢的能耗为316KJ/m3，铝的能耗是619KJ/m3，PVC的能耗为70KJ/m3，即钢的能耗是PVC的4.5倍，铝的能耗是PVC的8.8倍。而生产PVC管的加工能耗也仅为同口径金属管材的三分之一。同时由于PVC管壁光滑，不
12、结腐蚀瘤，输水效率高，用于输液可节电20%左右。 一般来讲，在排污、废水和通风管道方面，PVC管道比使用铸铁管节约安装和劳务费用约16-37%；作导线管比使用金属导线套管节约费用30-33%；而作用氯化聚氯乙烯管在冷热水方面，比使用相同尺寸的铜管节约费用为23-44%。因此，由于PVC管材的优势，各国均在积极发展和推广PVC管材。随着我国住宅产业现代化的推广，塑料管材的市场前景逐渐趋好。建设部等四部委已明令规定，在城镇新建住宅中，禁止将铸铁管和冷轧镀锌钢管用于室内给排水管道，推广应用塑料复合管等新型管材。这为塑料管材发展提供了新的契机，也为塑料管材的应用领域扩大提供了良好的发展空间。我国塑料管
13、材的发展 进入新世纪以来，经济发展中有几大热点问题引起管材业内人士的高度重视：水资源匮乏、环境污染、住宅需求量逐渐扩大等。人们普遍认为，这几大经济发展的主题给塑料管材的快速发展带来了新的机遇。因此，聚氯乙烯给排水管或聚氯乙烯通风管等很快成为发展的热点产品。目前，包括各类复合管在内的聚烯烃管材生产厂已达六百余家。 经过多年努力，我国从原料、机械设备、加工和应用技术等方面都获得长足的进步。目前形成的聚乙烯塑料管材热与人们对未来市场的预期有关，也可以说主要是靠市场需求来带动的。从总体情况看，其发展前景非常好 。1.2 设计原则、依据和范围1.2.1 原则（1）本设计每一环节都遵循国家政策、法律、法令
14、及行业规范；（2）在结合国情的前提下，采用国内外先进科学技术、先进工艺、先进工艺设备，力求做到经济上合理、技术上先进、生产上安全可靠，三废处理合理；（3）采用国内现有生产的成套设备；（4）成品标准按国家标准、行业标准执行。1.2.2 依据（1）依据学校下达的设计任务书；（2）依据实习厂家的有关资料；（3）依据图书馆及网上查阅的有关资料。1.2.3 设计产量及产品规格（1）产量：3000吨/年（2）生产班组运行形式：采用四班三运转，全年开工300天。1.2.4 设计范围及深度（1）设计范围本设计生产流程是从原料的筛选输送计量捏合挤出成型成品包装。（2）设计深度扩大初步设计。第2章 原料选择及配方
15、设计2.1 配方设计2.1.1 配方设计的重要性塑料制品几乎充满了我们生活的方方面面，我们所生产的管材只是其中的一部分。但要满足其各种特殊性能要求，也不是一件简单的事情。除了要研究产品的结构设计、制造工艺外，产品的配方设计也是其中很重要的一个方面。对于管材来说，在进行配方设计之前，一定要对塑料制品所用的树脂及各种添加助剂的型号，性质有充分的认识和了解，然后再对成型加工设备和工艺条件及其适应性有足够的了解，最后对用户提出的制品性能要求及使用环境，也应充分了解。配方设计的重点是考虑助剂的类型和用量与制品使用性能之间的关系。这样才能设计出物美价廉的塑料制品。2.1.2 配方设计的依据（1）满足性能要
16、求。在既定的配方体系和加工工艺中，所加入的助剂能充分发挥其预计功效，并达到规定指标。（2）保留原有性能。在设计配方时，一定要全面考虑，尽可能不影响其他方面的性能。（3）不影响其它助剂，所加入的助剂应能不劣化或最小限定地影响其它助剂功效的发挥，最好与其它助剂有协同作用。（4）具有可加工性，所加入的助剂应能保证配方体系具有适当的可加工性能，以保证制品的成型，并对加工设备和使用环境无不良影响。（5）与树脂相容性好，所添加的助剂与树脂的相容性要好，这样才能保证助剂与树脂按设计的思路进行混合，保证设计指标的完成5。（6）环境卫生性好，具体要求为对操作者无害，对设备无害，对使用者无害，对接触环境无害。（7）不影响制品的颜色。（8）
