（机械制造及其自动化专业论文）钢骨架塑料复合管性能分析与研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 钢骨架塑瓣复合管是一种将钢丝骨架与高密度聚乙烯塑料有机复合在一起、集钢管与塑 料管优点于一身的新型管材。本文针对钢骨架塑料复合管的强度性能，系统地做了分析与研 究。 第一章是对管道工业概述、国内外管道业现状与发展趋势，指出了复合管到是当今管道 业的发展方向。对钢骨架塑料复合管的结构、制造工艺、性能和应用进行了分析。 第二章是根据传统的钢丝和塑料的强度理论以及静液压爆破试验、短期静液压强度试验 结果，对钢骨架塑料复合管进行强度计算及工作压力的初步确定。 第三章利用高温下管材短时间的静液压应力破坏试验结果，对钢骨架塑料复合管的长期 静液压强度进行s e m 标准回归分析，分析结果力管材的进一步确定管材的许用压力以及安全 使用提供了可靠的依据。 第四章针对静液压条件下管材的应力一应变分布及变形情况进行了有限元分析。分析 结果为该种新型管材的安全使用提供了重要的理论参考依据，也为管材更全面、更深刻的强 度理论分析奠定的基础。 第五章是对本文的总结和展望。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e lf r a m e dp o l y e t h y l e n ep l a s t i cp l p ei sak i n do fn e wp l p et h a t o r g a n i c a l l yi n t e g r a t es t e e lw i r e f r a m e dw i t hp l a s t i c ，w h i c hw i t ht h e v i r t u e so fp l a s t i cp i p ea tt h es a m et i m ew i t ht h ea d v a n t a g e so fs t e e lp i p e a n a l y s i sa n ds t u d y a l ea i m e da tt h e s t r e n g t ho f p i p e s i nt h i sp a p e r i nc h a p t e r1 ，o u t l i n eo f p i p e l i n eo f i n d u s t r yi sd e s c r i b e da tf i r s t ，a n dt h e nw e i n t r o d u c e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n d d e v e l o pt e n d e n c yo f p i p e l i n ei n d u s t r yi nc h i n a a n d f o r e i g nc o u n t r y t h es t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o no f s t e e lf r a m e dp o l y e t h y l e n ep l a s t i cp i p ew a s a n a l y z e d i nc h a p t e r 2 , a c c o r d i n g t ot h et h e o r y o f s t r e n g t ho f s t e e lw i r ea n d p l a s t i ca l o n g w i t ht h er e s u l t o f h y d r a u l i cp r e s s u r eb u r s tt e s ta n ds h o r t - t e r mh y d r a u l i cp r e s s u r e s t r e n 9 4 d a t e s t ，w ec a l c u l a t e d t h es t r e n g t h o fs t e e l f l a m e d p o l y e t h y l e n ep l a s t i cp i p e a n dd e t e r m i n e dt h ep r i n c i p i a lw o r k i n gp r e s s u r e i n c h a p t e r 3 ，m a k eu s eo f t h er e s u l th i g ht e m p e r a t u r el o n g t e r m h y d r a u l i cp r e s s u r es t r e n g t ht e s tt oa n a l y z el o n g t e r mh y d r a u l i cs t r e n g t hb ys e m ( s t a n d a r de x t r a p o l a t i o nm e t h o d ) ，r e s u l to fa n a l y s i sc a l lb eu s e dt od e t e r m i n et h i sp i p e r e a s o n a b l e p e r m i t t e dp r e s s u r ea n d t h eb a s i cr e a s o no fs a f eu s e i nc h a p t e r4 f e a ( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) i sa i m e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ep i p e s s t r e s sa n dt r a n s m u t a t i o nu n d e r h y d r a u l i cp r e s s u r e ，t h er e s u l tb e c o m eb a s i cr e a s o no f t h e p i p es a f eu s e ，a n dl a yac o m p r e h e n s i v ef u r t h e raf o u n d a t i o no f s t r e n g t ht h e o r y i nc h a p t e r5s u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ko f t h i sp a p e ra n df u r t h e ri s 】o o k e df o r w a r d 塑望查兰堡圭兰垡笙壅 一一 第一章：绪论 1 1 管道的种类、特点与发展趋势 在现代工业化社会，管道就象人的血管一样，纵横交错、源源不断地输送着各种工业化 介质。管道一般分为金属管道，非金属管道和复台管道三种。金属管道是由金属材质制造的 管道，如钢管道、铸铁管道和不锈钢管道等。非金属管道是由非金属材料制成的管道，如聚 乙烯( p e ) 塑料管道、聚氯乙烯( p v c ) 塑料管道、玻璃钢管道等。复合管道就是把两种 或两种以上不同的化学物质或不同的组织物质以宏观形式制造而成的新型复合管道，如金属 骨架复合管道和非金属玻璃纤维丝增强骨架复合管道等。 金属管道具有强度高、刚性好等优点，所以一直被广泛应用，但是随着管道工业的发 展，人们也日益认识到了金属管道的缺点：抗腐蚀性能不好；防腐费用高；运行维护费用高； 使用寿命短；制造过程中消耗能源多、污染环境。致使金属管道的应用领域受到一定的局限 性。 非金属管道一般具有防腐、不结垢、光滑低阻、质轻耐磨等优点，但是其缺点是强度低， 刚性差。由于非金属管材的突出优点，同时随着非金属材料科学的进步，非金属管道材料的 性能的提高，使非金属管材的应用领域和数量也迅速增加。所以世界各国都在积极推进非金 属管道的应用，使非金属管材产业得到了迅速发展。 复合管道由于是把两种以上不同组织的物质以宏观的形式组合而成的新的管道，因而一 般既具有金属管材的强度高、刚性好的优点，同时又具有非金属管材的防腐、不结垢、光滑 低阻、质轻耐磨等优点。由于复合管道集金属管道和非金属管道的优点于一身，具有良好的 综合性能，因此越来越多的应用于工业管道的各个领域。 金属管材主要是钢管和铸铁管，是产生较早和广泛应用的管材。由于现代工业化程度高， 所输送介质有的含酸碱或其它化学物质，使金属管道易腐蚀、易结垢、易磨损。而金属管道 抗腐蚀性能不好；防腐费用高；耐磨性能差；运行维护费用高；使用寿命短；制造过程中消 耗能源多、污染环境等缺点。与金属管道相比较而言，非金属管道的性能与特点能够更好的 适用于大部分现代工业管道领域，所以世界各国都在积极推进非金属管道的应用。 塑料管材是目前非金属管材增长最快的一个品种，这是其本身的一些优点所决定的。作 为主要的非金属管材的塑料管材产业近年来在国内外得到了迅速发展。 特别是随着塑料材料科学的进步，塑料管道材料性能的提高，塑料管材制造技术的提 浙江大学硕士学位论文 高，以及相应的塑料管材检测和施工技术的完善，使塑料管材的应用领域和数量得到了迅速 增加。目前部分发达国家与我国塑料管材应用情况如下： 德国：用于城市燃气输送的聚乙烯管已占全部燃气管的4 0 ； 加拿大：塑料管占全部燃气管的8 0 ； 美国：是全球塑料管产量最大的国家，1 9 9 9 年产量为3 2 3 万吨； 欧洲：目前翅料管年产量已达3 0 0 万吨； 中国：截止到2 0 0 0 年末，塑料管材年生产能力已达1 5 0 万吨，年产量达8 0 万吨。 我国与发达国家相比，塑料管材的生产与应用较晚；原料生产技术相对落后，目前我国 的各大石化厂家还没有专业生产管材专用料，高性能的原料还需要进口；相对金属管材来说， 塑料管材的应用的领域和数量的比例相对较小。 在国外。塑料管材虽经过了近5 0 年的发展，但目前与金属管材的耐压强度还有较大差 距，制约了塑料管材的应用。管材原料本身的性能提高也不会短时间实现，并且性能的提高 可能同时伴随着成本的大幅提高，导致性能价格比的下降，所以人们从几种材料的复合方面 做努力，使管材结合几种材料的优点，提升管材的整体性能，这也是行业内普遍看好的一个 方向。 管道输送技术在一定程度上标志着一个国家的能源与化工工业发展水平。随着管道工业 的迅速发展，对耐蚀油气及化工管道材料的要求也越来越高。由于复合管综合了金属管材和 非金属管材的优良性能，近年来世界各国各种高性能的复合管材应运而生，复合管材的应用 领域和数量也在迅速提高，所以复合管道代表着当今管道业的发展方向。 1 2 国外复合管道开发与应用现状 复合管道是以硒静以上的不同组织物质以宏观的形式制造丽成的薪型管道，其目的是通 过复合来提高单一管道材料所不能发挥的各种性能。复台管道一般是以加强骨架、合成树脂 粘结剂和塑料制品经过一定的成型方法制作而成的新型复合管道。 这种复合管道材料通常具有良好的机械性能、阻热性能、耐酸、碱、盐等腐蚀性能，以 及耐多种油类和有机溶剂的性能。由于复合管道生产工艺先进、成本较低、性能优良、施工 费用低且技术易配套，因此深受世界各国普遍重视，复合管的应用领域也越来越广泛。欧、 美、日、俄等管道工艺发达的国家早在上世纪7 0 年代就开始研究复合管生产技术，目前已 经进入工业化生产阶段，并大量应用于石油、化工和市政工程建设等领域。以前那种金属管 道一统天下的局面正在被性能优良、功e 综合的复合管道所打破，同时也受到非金属管材的 2 浙江大学硕士学位论文 冲击。 复合管道生产工艺与技术不仅在发达国家发展迅速、应用广泛，而且在许多发展中国家 也都相继获得了快速发展。因为复合管道具有良好的内外防腐性能，所以在石油、化工等领 域中的应用尤其广泛。复合管适用于这些领域输送原油、含水及硫的天然气、油田污水等介 质，能够满足防腐需要，几乎不被强腐蚀介质腐蚀，同时复合管道在输送这些介质时也不结 垢，可以确保管道3 0 年以上的设计寿命，并展示了复台的良好应用前景。 由于管道腐蚀，每年都给世界各国带来巨大的经济损失，美国约2 0 亿美元，英国约1 7 亿美元，德国和日本约3 3 亿美元。在中国，每年有大量的金属管道因腐蚀而报废，造成的 经济损失多达数百亿元人民币，特别是一些大油田的输油管道平均4 至5 年就要因腐蚀而更 换。因此，近年来人们一直在寻找一种新型管道来代替现有的防腐保温金属管道，以便从根 本上解决管道的防腐和结垢问题。复合管道的开发与应用，已成为现代石油、化工管道中不 可缺少的一部分，对今后世界各国的管道工业发展具有十分重要的意义。 1 3 复合管道的种类、结构与特点 复合管道是由两种以上不同组织物质以宏观形式制造而成的新型管道，其所组合的原材 料应该是相容和互补的。原材料的性能相补效应是复合管道的最大优点，既各自原材料经过 互相补充而弥补各自的弱点，从而使复合管道产生优异的综合性能。 根据复合管道的结构和特点，复合管道一般可分为金属骨架复合管道和非金属玻璃纤维 丝增强树脂复合管道两种类型。金属骨架塑料复合管道是金属骨架层、粘结剂层和塑料制品 层组成的；非金属玻璃纤维丝增强树脂复合管道是由玻璃纤维丝骨架层、热同性树脂( 如聚 脂树脂、环氧树脂和酚醛树脂) 层组成的，复合管道的种类如图1 一l 所示。 复合管材与金属管材相比具有许多优点，主要是由于复合管利用增强骨架来提高管材的 强度与刚度，同时采用内外防腐材料来减少介质对管材侵蚀与磨蚀，从而发挥了复合管的优 越性。 目前，国内外对复合管的结构与生产工艺做了大量的研究与开发，这些复合管材如钢骨 架塑料复合管、钢骨架水泥复合管、金属板骨架塑料复合管、非金属玻璃纤维丝增强树脂复 合管等。典型的金属骨架复合管和非金属玻璃纤维丝增强树脂复合管的结构如图1 - - 2 。 浙江大学硕士学位论文 金属骨架复台管m ，自日m r 口目 复合管_ j l 非金属玻璃纤维丝 增强树脂复台管 钢丝网骨架塑料复合管 钢丝网骨架混凝土管 金属板骨架塑料复合管 璃纤维丝增强骨架复合管 玻璃纤维丝增强骨架 树脂沙浆复合管 图1 1 复合管的种类 内袁陋 i 、 金属骨架复合管结构 当盘煎接触西 非金属玻璃纤维丝增强树脂复合管结构 内表面 = 丛自塞画 结控星 堕控! 塞亘 国卜一2 金属骨架复台管和非金属玻璃纤维丝增强树脂复合管 4 霸i 浙江大学硕士学位论文 金属玻璃纤维丝增强树脂复合管 金属骨架复合管结构的内表层和外表层都是防腐层，其材料通常是塑料( 如高密度聚乙 烯、聚丙烯等) ，塑料层光滑坚硬，可以抵抗自然环境和化学物质的侵蚀，并且耐酸、碱、 盐等介质，在相当长时间内无老化现象。与输送介质接触的内表面光滑、耐磨、不结垢。金 属骨架复合管的中间层为金属骨架( 如钢丝网、钢板、铝板、铜板等) ，金属骨架的作用就 是增加复合管的强度和刚度。 非金属玻璃纤维丝增强树脂复合管的结构是有内表面、次内层、结构层和最外层组成的。 内表面也就是防腐层，是合成纤维和增强树脂层，厚度一般在o 2 5 咖川5 m m 范围内，由 于内表面直接与输送介质接触，所以要求表面光滑，不得出现针孔、气泡、龟裂或凹痕等。 次内层是中间防腐层，由短切玻璃纤维毡组成，厚度2 m m 左右，这层的作用是防止内 表面产生裂纹，并起到阻止和延缓裂纹延伸的作用。 结构层是增强骨架层，是瑗璃纤维丝徽增强骨架的。其主要功能是承受载荷，满足管材 强度和刚度的要求。最外层是外防腐保护层，是为了保护管材不受外界自然环境的侵蚀、老 化和机械损伤，通常是由细玻璃纤维织物和树脂组成的。 金属骨架复合管道和非金属玻璃纤维丝增强树脂复合管道在国内外都属于高新技术产 品，其最大特点是克服了钢管耐压不耐腐，非金属管耐腐不耐压的弱点，并具有强度高、刚 性好、耐温性能好、尺寸稳定、复合均匀可靠、不结垢、易加工、安装和维修方便等优点。 随着复合管材的进一步开发与应用，在石油和化工领域，将会逐渐取代目前大量应用的内外 防腐的钢管，以便提高管道的综合使用性能。 综上所述，复合管道与金属管道及非金属管道相比较，主要特点表现如下： i ) 、机械强度高。通过测试证明，其拉伸、抗弯、抗冲击指标比非金属管材高得多，可 满足在低压和中压条件下使用。 2 ) 、耐腐蚀、耐老化。复合管道能很好的抵抗酸、碱、盐、未经处理的污水众多的化学 流体和腐蚀性土壤的侵蚀与腐蚀。使用寿命长达3 0 _ _ 5 0 年，而金属管材使用年限一般为1 0 一1 5 年。 、 3 ) 、施工方便、效率高、成本低。复合管与金属管相比，施工操作简单，安装费用低， 质量可靠，外表面也不需要防腐措施，重量轻，运输效率高，劳动强度低，一般不需要大型 施工机械。 4 ) 、应用广泛。复合管可广泛应用于石油、化工、以及市政工程的各个领域，并充分体 现出其优越的性能。 浙江大学硕士学位论文 5 ) 、工程综合效益好。也就是建设投资、安装维修、使用寿命、节能环保等多因素形成 的总成本长远效益。综合考虑复合管的各种使用性能和使用的长期性，复合管具有优越的综 合效益。1 4 钢骨架塑料复合管 1 4 1 聚乙烯塑料( p e ) 与聚乙烯塑料( p e ) 管材 近年来，非金属管材增长速度最快、应用最广的就是聚乙烯塑料( p e ) 管材。聚乙烯 塑料( p e ) 管材是由聚乙烯塑料在加热塑化后，通过挤出机挤出后再冷却成型而制造出的 管材。 聚乙烯是一种热塑性高分子物质，可分为高密度聚乙烯( h d p e ) 、中密度聚乙烯( m d p e ) 和低密度聚乙烯( l d p e ) 。一般情况下，高密度聚乙烯强度高、刚性好；而低密度聚乙烯强 度低、塑性好。 通常情况下，聚乙烯的大分子不是某些特定的值，而是分布在一个范围内，这样就有利 于聚乙烯的强度、刚度和塑性之间的性能互补，提高聚乙烯的整体性能。有的发达国家生产 的聚合物树脂分子分布出现双峰曲线，如德国生产的g m s o i o t 3 、北欧化工生产的h e 3 4 7 0 、 h e 3 4 9 0 等，其大分子量可分布在一个很宽的范围内。 聚乙烯结构与性能就决定了聚乙烯管材的性能。聚乙烯的结构是由大分子链相互穿插缠 结而成的，如图1 3 所示。 分子链 图1 3 聚乙烯结构示意图 分子之间穿插分子 聚乙烯的破坏通常是由于分子链的断裂或解缠而造成的。对于聚乙烯管材，在正常使 用压力和环境条件下，破坏的原因主要是由于在应力作用下聚乙烯发生蠕变而产生的分子链 缠绕相互脱开。因此，只要控制在应力作用下聚乙烯发生蠕变的速度，就可以提高聚乙烯管 材的使用性能。 根据研究表明，影响影响聚乙烯蠕变速度的主要因素： 6 浙江大学硕士学位论文 内因：分子缠绕程度。分子缠绕程度越高、越合理，聚乙烯蠕变速度越慢。 外因：温度和应力。温度越高、应力越大，聚乙烯蠕变速度越快。 聚乙烯管材具有耐腐蚀、耐磨损、；f 保无毒、质轻、易加工、施工方便等优点，那么如 何提高聚乙烯管材的使用性能呢? 首先是合理选用聚乙烯原料，改善提高聚乙烯塑料本身的性能。如采用德国赫斯特、 比利时菲纳、北欧化工、亚洲等国际知名大公司的聚乙烯管材专用原料，以确保原材料的高 品质，提高分子之间的合理穿插缠绕程度。但是这种原材料的性能的提高是有限的，并且原 材料的性能的提高往往带来了价格的大幅度上升。 其次是通过降低聚乙烯内部应力水平来提高聚乙烯管材的使用性能。管材及管件聚乙 烯塑料层中间引入增强相钢骨架，用来承担管材及管件使用过程中的大部分应力，极大 的降低了聚乙烯塑料内部的应力；同时钢骨架作为增强相也进一步抑制并约束了聚乙烯塑料 的蠕变。从而提高了管材、管件的耐压等级，提高了抗快速开裂性能，使管材的耐压及耐温 性能大大提高，并且保持了聚乙烯管材的优点，使聚乙烯管材的应用领域明显扩大。 这种管材产品就是钢骨架塑料复合管，被美国塑料管道协会( p p i ) 称其为“二十一世 纪的绿色管道”，倡导在美国市场推广使用。 1 4 2 钢骨架塑料复合管材的产品结构 钢骨架塑料复合管是哈尔滨工业大学星河实业公司研制开发的并获得多项专利新型管 道产品，是以缠绕并焊接成管状钢丝网为加强骨架( 管件的加强骨架是用薄钢板均匀冲孔卷 筒焊接制成) ，嵌入进口高密度聚乙烯塑料管壁中间复合而成的新型复合管材。 钢骨架塑料复合管材产品主要包括钢骨架塑料复合管材和钢骨架塑料复合管件。 钢骨架塑料复合管材是由低碳钢丝缠绕焊接成管状钢丝网作为增强骨架，镶嵌在热塑 性聚乙烯塑料管壁中间构成的，钢骨架塑料复合管材结构如图l 4 所示。 钢骨架塑料复合管件是由优质薄钢板经冲压卷焊成形的增强骨架，经注塑成型，使钢骨 架镶嵌在热塑性聚乙烯塑料管壁中间构成的，钢骨架塑料复合管件结构如图l 5 所示。 由于钢骨架靼料复合管是以低碳钢丝为增强相，进口高密度聚乙烯塑料为基体，通过对 钢丝缠绕点焊成网与塑料挤出填注同步进行，在生产线上连续拉膜成型制造而成，钢丝网与 塑料在成型机连续复合，因而使钢丝网与聚乙烯塑料形成了一种结构复合体。 7 浙江大学颈士学位论文 。苎跫 钢丝 塑料冲孔钢板 图l 一4 钢骨架塑料复合管材结构 图1 5 钢骨架塑料复合管件结构 1 4 3 钢骨架塑料复合管材的制造工艺 钢骨架塑料复台管的原料由两种成份组成： 1 ) 、作为基体的塑料( 聚乙烯、聚丙烯) e 聚乙烯具有良好的低温性能及耐芳香烃性能 8 塑堡查堂堡主堂堡堡茎一 用其制造的管道可输送腐蚀性介质，更适用于输送石油、天然气及油气水混合物c 聚丙烯有 良好的高温性能及抵抗化学介质环境应力开裂性能，更适用于化工热腐蚀性液体、气体及市 政采暖管网、生活热水的输送。 2 ) 、作为增强相的骨架钢丝。钢丝经过缠绕、焊接而成为一个固定的网状结构，然后 使其充分地融合在塑料内部，这样既有效的承受管材的应力，又有利于制约塑料的蠕变性， 从而达到大大的增强了复合管的强度和刚性。 钢骨架塑料复合管的制造，采用了先进的生产设备，每道工序都由计算机控制，以确保 产品质量。钢骨架塑料复合管制造工艺流程如图1 6 所示。 图1 5 钢骨架塑料复合管制造工艺流程图 钢骨架塑料复合管的制造过程为：首先将经线钢丝与纬线钢丝经过高频电阻焊点焊成管 网状结构。纬线钢丝是按一定螺距缠绕于经线钢丝上的，焊接时与筒型支持电极对应的滚式 电极随纬线钢丝的缠绕而旋转，当其与支持电极发生电接触时产生焊接脉冲电流，从而将纬 线钢丝焊接到经线钢丝上。与此道工序同步进行的是将塑料加入挤出机内加热成熔融状态， 再将管状钢丝骨架网与从挤出机得到的熔融状态塑料一起连续地送人复合管成型模腔，钢丝 网与塑料复合后进行冷却定型。冷却定型后得到的复合管由牵引机引出，根据长度需要由定 长切割机进行切割。最后是将切害4 后的复合管送至旋风车床，在旋风车床上对复合管的端部 及外圆进行车削，在注塑机上对切割后暴露钢丝的端面进行二次注塑封口，至此复合管制造 9 浙江大学硕士学位论文 工序结束。 1 4 4 钢骨架塑料复合管材的特点与应用 由于钢骨架聚乙烯塑料复合管材是一种集钢材与热塑性塑料两种材料于一身的新型管 材，是聚乙烯管材的一种增强结构，所以它继承了聚乙烯管材的以下优点： 1 ) 、重量轻，运输安装方便快捷。 2 ) 、保温性能好，有效减少输送介质热量的散失。 3 ) 、耐腐蚀性能好，不需任何防腐措施，可有效抵御大多数酸、碱、盐及氧化荆的侵蚀， 节省了工程的防腐费用。 4 ) 、内壁不结垢，流量不会随使用时间的增加而减小。 5 ) 、耐磨性好，耐磨性约为碳钢管的4 倍。 6 ) 、流动阻力仅为钢管的1 ，同样输送压力下，输送能力提高 3 0 一4 0 ，同样的流量时可以比钢管采取更小的管材e l 径。 7 ) 、卫生性能好，不会对水质产生污染，可以输送纯净水、饮料、牛奶等。 8 ) 、使用寿命长达5 0 年以上，防止了多次施工、修补所造成的人力、物力、时间的浪 费。 9 ) 、生产能耗低。 lo ) 、绝缘性好。 1 1 ) 、易着色。 1 2 ) 、施工、安装及维修方便。 同时钢骨架塑料复合管又克服了聚乙烯管材的一些缺点，如：持久强度低，使用温度 低，刚度低，大日径时价格高，易产生快速开裂等，这样就形成了钢骨架塑料复合管自身独 特的优势： i ) 、抗蠕变性能好，持久机械强度高 钢骨架有效地约束了塑料的蠕变，耐温性能明显提高，使用温度提高到7 0 。c ： 钢骨架承担了大部分应力，使塑料本身的应力水平大幅降低； 钢骨架塑料复合管的许用环应力比塑料管材提高了近1 倍。 2 ) 、钢骨架的加强作用使钢骨架塑料复合管的刚性、耐冲击性及尺寸稳定性明显优于纯 塑料管材； 网状钢骨架本身是一种螺旋缠绕结构，在轴向上是一种柔性结构， 1 0 浙1 扛大学硕士学位论文 从而使复合管具有径向刚、轴向柔、剐柔相济的特点。 3 ) 、普通碳钢线膨胀系数为1 0 ，6 1 2 2 x1 0 - 6 1 ) ； 纯塑料管材线膨胀系数为1 7 0 x1o - 6 ( 1 ) ； 钢骨架塑料复合管膨胀系数为3 5 4 35 9 1 0 6 ( i 。c ) ，仅是普通碳钢管材3 3 倍， 是? e 管的! 5 。 埋地安装时一般可不用热补偿装置，管材采用蜿蜒状铺设即可起到吸收( 或释放) 膨胀 的作用，从而使安装成本低。 4 ) 、塑料与钢的弹性模量相差极大，对应于钢丝的弹性模量极限，塑料的应力水平仅为 o 8 5 m p a ，远未达到其许用应力。 作为钢塑复合管材，受力后塑料与钢丝变形一致，在正常使用压力下，塑料的应力水平 极低，不可能出现快速开裂 5 ) 、普通钢塑复合管由于钢、塑之间的复合面是连续规则的界面，长期使用时，在交变 应力的作用下易脱层，导致连接处泄漏，内部出现瓶颈状收缩堵塞而失效。 钢骨架塑料复合管是网状结构，与塑料互相交织在一起，复合十分可靠，杜绝了脱层现 象发生。 6 ) 、钢骨架复合在塑料之中，管材内外表面具有相同防腐性能，耐磨，内壁光滑输送阻 力小，不结垢，不结腊，节能效果明显，用于埋地及有腐蚀性环境条件下十分经济方便。 7 ) 、性能调整方便、易于加工制造 工艺简单、稳定，质量易控翻，可通过变换塑料品种、改变钢丝缠绕螺距来灵活地改变 产品性能，以满足不同温度、不同压力的使用要求。 8 ) 、自示踪性好 由于钢骨架的存在，使埋入地下的钢骨架塑料复合管可以用通常的磁性探测的办法寻找 定位，避免由于其它挖掘工程而造成的破坏。 9 ) 、优良的综合性价比 材料成本是管材制造成本的主体，钢骨架塑料复合管的钢丝与塑料用量比为! 2 ：l 左 右，所以较大直径钢骨架塑料复合管制造成本低于塑料管材。与其它管材价格相比较如表 1 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 女驻皇mw。自 e ，m )r 月，m 4 “f m ， k m l 一 l2557 女# 赞 q 均毋 ft #“# ( * ，m ) hn 一 i k m 3 024 3l 一 。 9 2 】3 *n*d n3 0 0 表i l 各种管材价格比较表 由于钢骨架塑料复合管兼备了塑料管的重量轻、防腐、绝缘、不结垢及钢管的刚性、耐 温性、抗嫡变性等方面的优点，因此可广泛应用于石油、天然气、化工、煤炭、冶金、制药、 火力发电及市政建设等许多领域。 i ) 、油气田、化工管道市场。由于油田集输管道中大量的水和某些腐蚀性的物质，使钢 质管的使用寿命只有几年，而使用钢骨架塑料复合管就可输送油水混合物、油水砂混合物、 油气母污水、驱油聚合物等，大大延长管道使用寿命。现有的输送天然气、液化石油气等燃 气管道大多采用具有防腐和保温作用的保护层的钢管，普遍存在易老化、成本高等缺点，而 纯塑料管道使用压力低。而钢骨架塑料复台管能弥补这些方面的不足，使用更可靠、更安全。 2 ) 、煤炭、冶金等其它市场。钢骨架塑料管可广泛应用在火力发电厂的粉煤灰、灰渣和 煤携的输送；钢铁行业的铁矿、尾矿及铁精矿耪的输送；造纸厂纸浆的输送；纤维板厂纤维 浆料的输送等领域。 3 ) 、市政工程和建筑用管道市场。钢骨架塑料复合管与传统的铸铁管、镀锌管、水泥管 等相比具有许多优点，特别是作为供水管，不会对饮用水造成二次污染，作为排水管，不会 泄漏污水。 钢骨架塑料管的研制与应用是对塑料管材业及金属管材业的一次革命，它卓越的综合 性能和很好的性能价格比，代表了今后管道行业的发展方向，因此有着巨大的发展前景。 由于钢骨架塑料管的研制开发只有短短几年时间，目前国内外还没有比较完善的性能 分析理论，也没有在学术刊物上发表相关的论文。针对管材性能的分析与研究也只是在企业 内部探讨性的进行。在2 0 0 1 年德国召开的新型管材会议上，哈工大星河实业公司曾经针对 部分规格的管材，采用第三强度理论进行了强度计算和工作压力确定，本文第二章在此基础 浙江大学硕士学位论文 上，采用两种方法，做了比较系统的分析与研究。 为了对镪骨架塑料管性能做较系统的研究，本文首先在传统的理论和试验的基础上对 钢骨架塑料复合管进行强度计算方法及工作压力确定；二是根据管材的长期静液压强度的试 验结果，利用外推法对管材的长期使用性能进行评定。三是对静液压条件下管材的应力应 变分布及变形情况进行了有限元分析，为该种新型管材的安全使用提供理论参考依据。 】5 本论文的主要目的和研究内容 钢骨架塑料复合管是用塑料为基体、低碳钢丝为增强相的复合式管材。该产品结构新颖 独特，是一种综合性能突出、实用性强、应用范围广，发展前途大的高新技术产品。由于开 发时间短，目前还没有一套完整的钢骨架塑料复合管强度计算方法及工作压力确定的方法， 同时也需要对管材的长期使用性能进行评定，从而为管材的安全使用提供可靠的依据。 本文针对这些问题，莒先在传统的理论和试验的基础上对钢骨架塑料复合管进行强度计 算方法及工作压力确定；二是根据管材的长期静液压强度的试验结果，利用外推法对管材的 长期使用性能进行评定。三是对静液压条件下管材的应力一应变分布及变形情况进行了有限 元分析，为该种新型管材的安全使用提供理论参考依据。具体内容如下： 第一章对管道工业、国内外管道业现状与发展趋势进行分析评述，指出了复合管道是当 今管道业的发展方向。对钢骨架塑料复合管的结构、制造工艺、性能和应用进行了分析。 第二章根据传统的钢丝及塑料的强度理论和静液压爆破试验、短期静液压强度试验结 果，对钢骨架塑料复合管进行强度计算及工作压力的瑰定。 第三章利用高温下管材短时间的静液压应力破坏试验结果，屑外推法对钢骨架塑料复合 管的长期静液压强度进行了测定，确立了管材输送介质温度t 、压力o 、管道破坏时间t 之 间的关系式。根据此关系式可预测管道5 0 年甚至更长时间的抵抗静液压应力的能力，为进 一步确定管材的合理许用压力和安全使用提供了可靠的依据。 第四章针对静液压条件下管材的应力一应变分布及变形情况进行了有限元分析。分析 结果为该种新型管材的安全使用提供理论参考依据，为管材更全面、更深刻的强度理论分析 奠定的基础。 第五章是对本文的总结和展望。 塑望奎兰堡主兰垡笙塞 一 第二章：钢骨架塑料复合管强度计算 2 1 钢骨架塑料复合管材静液压强度试验与分析 2 1 1 钢骨架塑料复合管材静液压强度试验 钢骨架塑料复合管( 以下简称s p e 管) 是一种筒状钢丝网骨架与高密度聚乙烯塑料( p e ) 以镶嵌融合而成的复合材料管材。其具有钢管耐压及塑料管耐腐蚀的优点。 s p e 管中的筒状钢丝网，是由经线钢丝与纬线钢丝缠绕焊接而成的。经线钢丝与s p e 管中 心线平行，而纬线钢丝贝0 缠绕在经线钢丝的外层。经线钢丝与纬线钢丝均为巾2 4 m 的q 2 i 5 低碳钢丝，高密度聚乙烯塑料则在热熔状态下将钢丝网包容在管壁中间。 由于s p e 管材料构成及性能的独特性，其强度分析与计算目前尚元成熟的方法可遵循。 为了确定已开发的产品压力等级以及安全使用可靠性的理论依据，同时也为了s p e 管的新产 品的研究与开发，必须探索这种新型管材的强度分析与计算方法。为此对s p e 管的性能进行 了全面的测试。 尽管目前尚无完全适合用于s p e 管的试验方法与标准，但是因其在结构上是钢丝与塑料 的复合，应同时具有钢和塑料的特性，所以于s p e 管的试验方法与标准应包括钢材与塑料两 种材质所要求的内容。只有对于s p e 管材进行这样的试验与测试，才能全面、科学、准确的 反映出该产品的性能。 根据于s p e 管材的这些特点，在充分地分析与研究了钢与塑料两种管材试验与测试方法 的基础上，对于s p e 管材进行了静液压( 内压) 爆破试验、8 0 短期静液压试验和长期静液 压试验。 一、静液压( 内压) 爆破试验： 静液压( 内压) 爆破试验是根据s p e 管材具有钢管的特性而进行的试验。试验是在国家 化学建材测试中心帮助和支持下进行的，试验结果也由该中心确认。 由于s p e 管材耐压强度比普通高密度聚乙烯高，所以试验所用的工装与g b t 6 1 1 1 - - 1 9 8 5 ( 长期恒定内压下热塑性塑料管材耐破时间的测定方法) 标准所用的工装比较，在工装加压 系统的密封部位做了相应的改进与加强，以便更适合于测试s p e 管材；同时采用更精确的测 量方法与工具。 塑垄奎堂堡主兰堡笙奎 试验测试的内容主要有三方面： 1 ) 、绘制出管材载荷( 应力) 一应变曲线； 2 ) 、观察管材爆破情况及应力性质； 3 ) 、初步选定管材许用载荷( 应力) 。 二、8 0 短期静液压试验： 8 0 短期静液压试验主要是针对s p e 管材具有的塑料管材的特性而进行的高温蠕变性能 的测试，用以确定由爆破试验所选定的许用载荷对塑料在使用过程中的安全性与可靠性。 短期静液压试验测试的内容是在预定温度与载荷条件下，绘制出s p e 管材的时间一应变 曲线。该试验是委托国家化学建材测试中心做的。 三、长期静液压试验： 长期静液压试验是在s p e 管材的静液压( 内压) 爆破试验、8 0 短期静液压试验两项试 验的基础上，进行的不同温度条件下的长期静液压测试，目的为了取得以输送介质温度2 3 、 管材使用寿命5 0 年为基本条件下管材的许用应力值，进一步修正管材的许用载荷值和管材的 安全使用提供理论依据，并可正确的制定管材的压力等级。 长期静液压试验委托美国芝加哥布鲁特迈( b r o u t m a n ) 独立试验室，按照美国试验与材 料学会的a s t md 2 8 3 7 - - 1 9 9 2 、a s t md 1 5 9 8 - - 1 9 9 2 标准进行的。 长期静液压试验分析与研究将在第三章进行，本章只对s p e 管材的静液压爆破试验和8 0 。c 短期静液压试验的结果进行分析与研究。 2 1 2 钢骨架塑料复合管材静液压爆破试验分析 静液压爆破试验要对试验样件按预定格式记录外径、壁厚、试验温度、半径和周长变化、 加压、保压时闯、爆破压力及破坏形式等内容。爆破试验的加压过程缓慢、均匀，压力升高 分级为0 5 m p a ，每提高一级压力，应根据管径大小，保压时间1 0 3 0 分钟后才能周长的数值， 以保证管壁有充分的膨胀时间。 对s p e 管材进行静液压爆破试验的目的是： 1 ) 、通过对管材的爆破实验的测试，确定管材破裂时的应力大小与种类。 2 ) 、根据对管材试验测试的数据，绘制出载荷周长变形量曲线，以确定管材的弹性变 形范围，从而为管材许用载荷的选定提供可靠依据。 3 ) 、管材的爆破实验，可为短期静液压试验和长期静液压试验提供可靠的应力分级标准。 塑翌查兰塑主兰堡堡苎 一 一 4 ) 、管材的爆破实验的结果，可用来初步确定合理的安全系数及许用载荷。 5 、通过对管挂的爆镀实验，可初步验证管材爆破强度计箕方法的准确性。 6 ) 、通过对管材爆破测试数据的分析，为产品的安全使用提供必要的理论依据，也为新 产品的开发提供结构参数。 对s p e 管材试验祥俘的试验结果整理后，可绘制成管材的压力周长变量曲线图，管材 的压力一周长变量曲线图如图2 一】所示。 图2 1s p e 管材压力一周长变量曲线图 从曲线图和试验测试现象可以得出以下结论： 1 ) 、s p e 管材与其它钢质压力管材破裂情况基本相同，s p e 管材的爆破也是由于管材匏环 向应力超跟所致。管材破口处的纬线钢丝全部断裂，且所有试样的爆破压力大致相同。 2 ) 、在不同规格试样的载荷周长变形量曲线上，都有一个明显的转折点拐点。 在这点之前，曲线大体上是斜率有差异的直线，在这一壹线段范国内，管材交j l 三卸压后，其 残余变形极小；而在拐点之后，管材的变形急剧增加，直到管材出现纬线钢丝断裂的“劈啪” 声音后，管壁随即迅速破裂。 3 ) 、s p e 管材酶载萄镯长变形量曲线与低碳辆和塑料的载荷变形量曲线不同 s p e 管材的载荷周长变形量曲线没有明显的屈服阶段。 4 ) 、在不同规格的管材试验曲线上，厚壁测量点的半径都在加压初期出现了负值，这一 现象也是与钢质管材和塑料管材有所不同， 经研究分析认为，出现这种现象的原因是由于管壁的厚薄差异造成的。当管壁受到内压 i6 塑垩查堂堕主茎些丝兰 一 载荷后，必然引起管壁横断面内各处应力分布的不均匀，使薄壁点的应力较大，造成了对厚 壁点的弯矩，使此处的半径收缩而形成负值。但是随着管材载荷的增加，其压力分布差别逐 渐减小，变形趋于一致，直至管材破裂。 由此，可以得出这样的结论：s p e 管材的破坏过程，所体现出来的主要是钢质管材的特 性。 2 1 3 钢骨架塑料复合管许用载荷的确定 对于钢管和塑料管许用载荷的确定，国内外已有标准可遵照。而对与s p e 管这种新型复 合管材，由于其结构特殊，目前国内外尚无标准及计算公式或是数据可以采用。 为了准确合理地选定许用载荷，根据s p e 管同时兼有钢管和塑料营性能这一特点，拼一参 照钢管与塑料管两种材质管材的试验方法与标准，有针对性地制定了适应s p e 管试验程序和 试验参照标准。 s p e 管试验程序：由于该管材具有钢管的特性，首先对管材进行常温下的静液压爆破试验。 试验参照j b 4 7 3 2 - 1 9 9 8 钢制压力容器分析设计标准附录b 实验应力分析中b 5 条 所述的准则，用分析试验的方法，确定各种规格管材的弹性极限载荷。并将此载荷作为负载 能力的极限值，再以不大于这个值的2 3 ( 相当于安全系数n s 1 5 ) 作为许用载荷。 由管材静液压爆破试验得到的弹性极限载荷而确定的许用载荷，再以接近2 倍的该许川 载荷，在7 0 c 8 0 c 的高温条件下按照g b 6 1 i i 一1 9 8 5 、g b l 5 5 5 8 1 - 1 9 9 5 标准对管材进行塑 料蠕变性能测试，用以验证所选定的许用载荷的安全性与可靠性。这就是短期静液压试验。 在管材静液压爆破试验和短期静液压试验程序的基础上，以选取的许用载荷为参照值， 按照美国试验与材料学会( a s t mb 2 8 3 7 1 9 9 2 、a s wd 1 5 9 8 1 9 9 2 ) 标准进行以塑料性能为主 的长期静液压试验，以取得管材更合理的许用应力值，再以此值为准对前两项试验所选定的 许用载荷做必要的修正。 为了确定常温下s p e 管材的许用载荷，依据j b 4 7 3 2 1 9 9 8 钢制压力容器分析设计标 准附录b 实验应力分析的规定，必须先计算出管材的试验极限载荷值。 试验极限载荷的计算方法： 首先用常温管材爆破试验所测定的载荷变形曲线，在管材弹性变形范围内对所测得 的数据进行统计分析，按照最小二乘法原则，绘制出该段的擐佳拟台直线。 其次，经过该直线与横坐标( 周长变形量) 的交点，做一极限载荷直线，此载荷壹线与 新扛大学硕士学位论文 纵坐标( 载荷) 夹角的正切值，为最佳拟合直线与纵坐标夹角正切值的2 倍。这一极限载荷 直线与载荷一变形曲线相交点的载荷值即为试验极限载荷，试验极限载荷值作为s p e 管材 的负载能力极限( 见图2 1j 。 这样，我们在确定s p e 管材的许用载荷值时，不得超过这个试验极限载荷值的三分之二， 也就是所选取的安全系数n s 1 5 。这样就确定了s p e 管材的许用载荷。 2 1 4 钢骨架塑料复合管短期静液压试验 按照j b 4 7 3 2 1 9 9 8 钢制压力容器分析设计标准附录b 实验应力分析中塑性分 析准则，确定了s p e 管材的许用载荷后，就可以针对管材的塑料材质，按照g b 6 1 1 1 1 9 自5 、 g b l 5 5 5 8 2 - 1 9 9 5 标准，以d n 6 5 管材为试样，委托国家化学建材测试中心，做短期静液压高温 试验。对管材在有钢丝网约束状态下，进行塑料蠕变性能试验。 根据g b l 5 5 5 8 2 - 1 9 9 5 标准，对聚乙烯( p e ) 管材长期静液压测试标准载荷不小于8 m p a ， 而在温度为8 0 时管材破坏时间不小于i 0 0 0 小时的载荷仅为4 m p a ，仅为管材长期静液压载 荷应力的一半。 为此，如果将s p e 管材按照j b 4 7 3 2 1 9 9 8 标准选定的试验极限载荷等同于g b l 5 5 5 8 2 - 1 9 9 5 标准的破坏载荷，即认为是该管材长期静液压载荷强度值，那么该管材在温度为8 0 时管材 破坏时间不小于i 0 0 0 小时的载荷也应为试验极限载荷( d n 6 5 的s p e 管材的试验极限载荷为 8 3 2 m p a ) 的一半，为4 1 6 m p a 即可。 但是，为了试验能在更恶劣的条件下观察钢丝网对塑料蠕变性能的约束作用，所以在试 验时将载荷提高了2 3 ，使试验载荷实际达到了6 m p a 和7 m p a 。从国家化学建材测试中心提供 的试验报告看出，当试样在载荷为6 m p a 、温度为7 0 、测试时间为3 1 2 0 小时情况下，其应 变还在线弹性范围内，应变仅为1 1 5 ；而当载荷提高到7 m p a 、温度提高到8 0 。c 、又继续试 验时间超过i 0 0 0 小时情况下，试样应变仅为1 9 ，其变形也是在弹性范围内。 由此我们可以得出这样结论：对于s p e 管材，通过在常温下静液压爆破试验得到了试验 极限载荷，再以不超过试验极限载荷的三分之二作为许用载荷，经过7 0 和8 0 温度条件下 的短期静液压试验，测定该管材在有钢丝网约束状态下塑料的蠕变性能，其变形完全在弹性 范围内。通过短期静液压试验，说明了以不超过试验