钢骨架聚乙烯塑料复合管在较高温度下使用的讨论.doc

钢骨架聚乙烯塑料复合管在较高温度下使用的讨论陈斌 杨虹 胡学文（华创天元实业发展有限责任公司 ，河北廊坊 065001中国航天工程咨询中心，北京 100048）摘要钢骨架聚乙烯塑料复合管是以低碳钢丝为增强相、高密度聚乙烯为基体，通过对钢丝点焊成网与塑料挤出填注同步进行，在生产线上连续挤出成型的新型双面防腐压力管道。既防腐又耐压是这种管材的突出特点，同时，与纯聚乙烯塑料管相比，钢骨架聚乙烯塑料复合管的使用温度范围有了较大拓宽。但由于其基体为聚乙烯材料，这种管材的最高使用温度究竟可以达到多少度？本文针对这一问题从不同的角度进行了一定范围的讨论。关键词：钢骨架;复合管;高温使用 Discussion on Steel reinforced polyethylene plastic pipes used under high temperature CHEN bin，YANG hong，HU xue wen(Huachuang Tianyuan Industrial Developing CO., LTD , HeBei LangFangChina Aerospace Engineering Construction Center，BeiJing)Abstract: Steel reinforced polyethylene plastic pipes is a new kind of PE pipe reinforced by steel wire mesh skeleton, with HDPE as stuffing material and the steel mesh as reinforced part, this product is characterized with double-side anticorrosion performance and better withstanding to the medium working pressure, it is manufactured continuously on extrusion line. Both anticorrosion and anti-pressure are the outstanding properties of the pipe. At the same time, compared with pure PE pipes, its working temperature is much higher. However, because the stuffing material is PE material, how high used temperature is available for this pipe? This article focuses on this point making some discussions from different aspects.Key words: steel mesh skeleton; composite pipes; used under high temperature1钢骨架聚乙烯塑料复合管的结构图1.钢骨架聚乙烯塑料复合管结构钢骨架聚乙烯塑料复合管是以低碳钢丝为增强相，高密度聚乙烯为基体，通过对钢丝点焊成网与塑料挤出填注同步进行，在生产线上连续挤出成型的新型双面防腐压力管道1。聚乙烯通过金属网孔连接在一起，结构类似于钢筋混凝土，见图1。2钢骨架聚乙烯塑料复合管的耐温性能分析2、1聚乙烯材料的耐温性能一般钢骨架聚乙烯塑料复合管及管件采用PE80等级高密度聚乙烯作为基体原材料。高密度聚乙烯的软化温度在120左右，热变形温度为802。（软化温度是指将塑料置于液体传热介质中，在一定的负荷下，以一定的等速升温条件下，试样被1mm2的压针头压入1mm时的温度，它是塑料由高弹态转变为粘流态的温度，是整个分子链开始运动的温度；热变形温度，即弯曲负荷热变形温度，是指将塑料试样浸在一种等升温的适宜传热介质中，在简支梁式静弯曲负荷的作用下，测出试样弯曲变形达到规定值时的温度。）一般认为，塑料的最高使用温度应低于其软化温度20，也就是说，对于高密度聚乙烯，其最高使用温度不应超过1003-6。实际上由于它的热变形温度为80，在80以上，聚乙烯的承受载荷能力很低，也就是说，在80以上，聚乙烯管道的承压能力很低。当输送介质的温度在20以上时，聚乙烯管道可输送的最高压力随着温度的升高会有一定程度的下降。2、2钢骨架聚乙烯塑料复合管的环向应力分配钢骨架聚乙烯塑料复合管是由钢骨架与聚乙烯塑料两种材料以结构形式复合而成的，复合后各自的力学性能不变，因此复合管的强度应当是两种材料强度以某种形式的迭加。在介质载荷的作用下管材产生一定的形变，由于弹性模量的巨大差异，两种材料的应力相差也是悬殊的。在管材的实际内压不超过公称压力的情况下，钢骨架和塑料两种材料的应力也在其弹性变形范围内，由于在管材横截面上钢丝环与塑料环的中径相近，所以可以粗略地认为两种材料的平均应变相同，根据材料力学应力与应变的关系式成立： (1) (2)式中： 钢骨架的平均应变聚乙烯塑料的平均应变聚乙烯塑料的平均应力，MPa聚乙烯塑料的平均应力，MPa钢骨架的弹性模量，MPa聚乙烯的弹性模量，MPa公式（2）说明在弹性范围内管材的钢骨架与聚乙烯塑料所承担的应力有固定的比例关系，等于两者的弹性模量之比。由于钢材的弹性模量至少是聚乙烯塑料的200倍以上，所以塑料的应力水平很低，远达不到其许用应力。对于一般钢骨架聚乙烯塑料复合管所选用低碳钢丝及PE80等级聚乙烯来说：=2105MPa =850MPa K=1/235按相关钢质容器设计规范取用的钢丝的许用应力为143 MPa（1/3的抗拉极限）时，根据公式（2）可得对应的PE80聚乙烯的应力仅为0.6 MPa，这一值远远小于PE80等级聚乙烯塑料的HDB（长期静水压设计基础值Hydraulic Design Basis）或MRS(最小要求强度 Minimum Require Strength)值8 (PE80 的MRS为8 MPa) 。对钢骨架聚乙烯塑料复合管系列所有规格管材计算表明，在公称压力下，管材塑料部分所承担的强度份额平均为8%，即管材在弹性范围内主要表现为钢管的机械性能。2、3钢骨架聚乙烯塑料复合管的失效模式1）破坏特征大量的长短期静液压试验证明，无论是在常温还是高温，载荷是高是低，失效的时间是长是短，管材规格是大是小，管材试样表现出的破坏特征是完全一致的，均是环应力作用所致，包括纬线钢丝在内，管材轴向截面局部屈服断裂。钢丝与塑料的断裂明显呈现先后次序，裂口处钢丝及塑料呈显著屈服缩径及减薄现象。这一破坏形式的两个实例照片见图2：图2.钢骨架聚乙烯塑料复合管失效形式2）失效机理当管材承受的压力使纬线钢丝的应力在弹性范围内时，由于聚乙烯的应力极低，可以认为其蠕变性对管材强度几乎没有影响，管材强度是稳定的，不会因承载时间的增长而降低。实际上，管材许用压力就设计在此范围内。当管材承受的压力提高使纬线钢丝承受的应力超过了其屈服极限后，管材的强度进入不稳定状态，管材会因载荷作用时间长而强度降低乃至被破坏，其破坏机理如下：钢丝的屈服会导致管材变形增大及PE的应力增加，PE的应力增加会导致其蠕变，PE的蠕变会使钢丝及管材进一步屈服变形，从而造成PE的应力进一步增加，蠕变速度加快。当钢丝的屈服变形达到极限时突然断裂，载荷全部过渡到PE上，由于该载荷远大于PE的极限承载能力，因此PE也随之迅速屈服开裂。总之，钢骨架聚乙烯塑料复合管在短期及持久载荷作用下的失效模式，均是环应力所致轴向局部屈服开裂。管材的机械强度在钢丝处于弹性范围内是十分稳定的，工程上可以认为不受承载时间的影响。管材的许用应力设计必须保证使钢丝工作在弹性范围内。2、4钢骨架聚乙烯塑料复合管的耐温性能产品的性能取决于它所选用的材料及其结构。钢骨架聚乙烯塑料复合管与相似规格的纯聚乙烯塑料管道相比，由于增加了钢丝网骨架，管道具有明显的承压能力高、耐温性能好的特点。在深入分析复合管钢、塑两种材料不同特性、管材复合结构特点及受力应变的基础上，已从理论上确定了钢、塑两种材料的应力分布规律，复合管强度设计（公称压力）的理论计算公式及方法。通过理论计算，在一定压力下工作时，这种管材的钢丝承担了绝大部分的压力，这样，在塑料材料本身可承受的应力一定的情况下，钢骨架聚乙烯塑料复合管的承压能力和纯塑管相比就有了大幅的提高。这种管材的塑料部分通过钢丝的网孔连接在一起，管材的结构类似于钢筋混凝土。当温度升高时，塑料的强度有所下降，但钢丝的强度基本上不会有什么变化，由此，随着温度的升高，钢骨架聚乙烯塑料复合管的承压能力也有一定的下降，但其受温度影响的程度会大大低于纯塑料管道。编号为CJ/T123-2004的建设部行业标准给水用钢骨架聚乙烯塑料复合管中规定的温度折减系数1见表1：温度t，0t2020t3030t4040t5050t6060t7070t80公称压力折减系数10.950.900.860.810.700.60表1实际上，塑料压力管道的设计使用寿命、管壁内的环向应力（取决于管材的尺寸与工作压力）、使用温度、安全系数四者间具有非常密切的关系。因此，在未明确其他三者规定的前提下，仅谈使用温度的范围是一个粗糙的、经验性的作法，但它具有一定的参考意义。3试验数据3、1短期静液压强度测试国家化学建材测试中心对DN50DN500规格的管材及管件进行了全面的测试，其中包括短期静液压强度测试，测试分别在20和80下进行。具体测试结果表明：钢骨架聚乙烯塑料复合管的耐压性能明显优于纯聚乙烯管道。以DN50的钢骨架聚乙烯塑料复合管为例，其常温爆破压力在12Mpa以上（采用PE80等级原材料），而与其内径基本一致的SDR11的De63规格的纯塑料管道的常温爆破压力不高于5Mpa（采用PE100等级的原材料）。3、2温度折减系数对比钢骨架聚乙烯塑料复合管受温度的影响程度明显低于纯聚乙烯塑料管，通过在不同温度下对管材进行爆破压力实验，可以得到这两种管材在不同温度下压力折减系数。具体对比见图3：图3.不同温度下不同管材压力折减系数对比从图3中可以看出，随着测试温度的提高，无论是纯聚乙烯管道还是钢骨架聚乙烯塑料复合管道，它们的爆破压力均呈现下降趋势，但钢骨架聚乙烯塑料复合管的爆破压力下降的速率远低于纯聚乙烯管道，在实验数据的基础上，考虑一定的安全系数后，ISO标准ISO4427和建设部行业标准CJ/T123-2004分别给出了关于纯聚乙烯管和钢骨架聚乙烯塑料复合管在不同温度下的公称压力折减系数。以4050度之间为例，纯聚乙烯管道的折减系数为0.5，也就是说，在这一温度下，管材的承压能力为其公称压力(20)下的50%，而钢骨架聚乙烯塑料复合管的这一系数仅为0.86，也就是它在这一温度下的承压能力为其公称压力(20) 下的86%。由此可知，钢骨架聚乙烯塑料复合管受温度的影响远小于纯聚乙烯塑料管。3、3长期静液压强度测试为了验证复合管强度设计方法的正确性，从1998年起，国芝加哥Bodycote实验室按照ASTM D1598、ASTM D1599、ASTM D2837标准先后对DN50、DN100、DN150、DN500管材进行了PDB（Pressure Design Basis 基本设计压力，相当于纯塑管的HDB）长期静液压强度试验。DN50管常温试验累计时间已达45000多小时，并已获得美国塑料管学会（PPI）的公开列表认定。上述长期静液压强度试验结果既证明了复合管结构的长期稳定性及与短期静液压强度测试结果的一致性，也验证了所建立的钢、塑两种材料的应力分布规律与据此所制定的复合管强度设计计算公式的正确性。4应用实例自1996年研制成功并投入生产以来，钢骨架聚乙烯塑料复合管已广泛应用于给水、燃气、化工等领域，其中用于温度较高的工程数量也不少9-11。这种管道的高温用户也有了一定数量及较长时间的使用实例，如1999年钢骨架聚乙烯塑料复合管应用于宁夏银川铁路分局房地产开发公司的温度为70的地热水的输送，至今使用情况良好；又如，这种管材在2002年应用于福建融桥房地产开发公司的温度接近80的地热温泉水的输送，用户反映较好。5总结由于钢材在100以下不会发生蠕变，所以钢骨架的存在有效地限制了PE随温度变化和压力变化产生的蠕变；同时，钢、塑两种材料的弹性模量相差很大，使得管壁在内压下的环向应力分配与纯PE管有很大的不同，塑料承担的份额远远小于其最小要求强度MRS。这样，就使复合管的长期耐压能力更多地取决于钢骨架的贡献。这种结构和工作的应力状态使得管材的耐温能力相对于纯PE管材有很大的提高。近年来实践表明，钢骨架聚乙烯塑料复合管在70左右的温度下工作时，结构稳定，寿命远超过按纯PE管推算的结果。在理论分析、试验研究、应用实践的基础上，给水用钢骨架聚乙烯塑料复合管CJ/T123-2004中关于该管材可输送介质的最高温度由CJ/T123-2000中的不超过70修订为了不超过80。新的标准于2004年12月2日批准发布，并已于05年6月1日起实施。总之，钢骨架聚乙烯塑料复合管应用于较高温度的低压介