应用旋塑技术的钢塑复合中空材料

应用旋塑技术的钢塑复合中空材料

钢塑复合中空材料的概念及工艺

钢塑复合中空材料是一种结构型的复合材料，具有钢的优良物理

机械性能和塑胶的优良化学性能，克服了钢铁不耐腐蚀、塑胶刚性强度

不足的缺点，并且可避开冷热收缩、膨胀而脱层的弊端。

按塑胶与基体结合的工艺，钢塑复合中空材料包括钢涂塑或钢衬

塑。钢涂塑指塑胶喷涂在钢构件的外表面，层厚较厚，一般在1—5mm

之间；钢衬塑指钢构容器内表面添加一层塑胶，层厚在5—10mm以上。

工艺有塑板（塑管）胶粘复合、喷涂、滚塑涂等。

埋塑防腐技术是应用於钢构件外表面的涂塑防腐技术。它的工艺

是这样的：将一钢构件用火均匀加热，大致整体温度达到18（TC,把它

埋在塑胶粉末堆，由钢铁放热吸附塑胶粉末，约非常钟接，在钢构件表

面形成一层约与钢板等厚的塑胶层；取出工件，表面有一层未熔融粉粒,

用火对其扫描式加热，使之熔融成光滑的表面层。

对与产品配套的管道、管件内衬塑也可用此法。把工件均匀加热

到18CTC,把塑胶粉末灌满内腔，数分钟彳及把未熔塑胶粉末倒出来，在

工件外表用火把加热，让它全部熔融，形成内表光滑的塑胶层。

上述以防护为目的的涂、衬塑，对小工件适用，但对大口径管道、

大容积容器的内衬就不适合，重要原因是塑胶层在冷却收缩时产生的内

聚应力，往往大於塑胶与钢铁的粘结力，会显现钢塑介面分别。而钢塑

复合材料加添钢网，把整体塑胶层的收缩内聚应力分散限制在网格小范

围内，加上钢网焊接在钢板上，就不会因塑胶收缩而引起钢塑介面分别。

钢塑复合中空材料的制作

钢塑复合中空材料是中式旋塑制造大型钢塑复合容器（如储罐

等）、钢塑复合化工设备、大口径多层钢塑复合管的材料。作为钢塑复

合制品壁的材料，其制造工艺为中式旋塑制造钢塑复合制品的生产工艺。

以大口径钢塑复合管为例，生产工艺流程如下:

一、钢桶体制作：1.钢管卷制；2.承啬口、滚圈制作；3.钢网铺

设、焊接；4.承插口焊接、胀圆；5.上滚圈。二、塑胶预处理：1.塑胶

原材料领取过秤；2.筛选、去粗、混合、补足（补足筛选过程中的除去

部分）；3.入模（管）；4.合模。三、上机热成型：1.气路检查；2.±

机；3.机械检查；4.调整火把距离；5.试转；6.点火；7.随时观测火力

及模内情况，适时调整到最佳状态；8.确认、停火。四、冷却：1.停火

不停机、保温流平；2.吹风冷却；3.喷淋冷却；4.常温冷却、停机。五、

下机开模：L下机；2.去滚圈、开模；3.打磨修整产品。六、外表面喷

涂聚腺防腐七、成品入库场。

这一新技术具有三个特点：

1.从复合方法看，运用旋塑工艺复合是新方法，不用胶粘剂，不

用现成的管、板材料。

2.从材料的复合结构形式来看，采纳多层钢塑整体复合，是一种

钢、网、塑通过焊接结构，滚塑形成的新型钢塑复合材料。

3.从材料性能夹看，属强韧型新复合材料，具有革命意义的更新

换代性能，能促进相关行业的进展。如，既耐压又耐腐蚀的大口径钢塑

复合管道被看作是世界级的难题，大口径多层钢塑复合管的专利获国际

金奖。

钢塑复合中空材料的性能讨论

这一结构型钢塑复合材料是我们首创的一种新材料，它的力学性

能没有现成的数据可查。为了科学、合理、经济地设计各类钢塑复合材

料的容器壁厚，我们自制样块、自行测试、讨论得出以下结论。

化学性能：因内面是复合的聚乙烯塑胶层，外面喷涂聚版，它在

使用过程中的耐腐蚀性与纯聚乙烯等效。

拉伸、压缩力学性能：经测试，其拉伸强度和压缩强度与纯钢铁

等效。聚乙烯塑胶的强度与钢铁的强度差距一个数量级，因此在复合材

料拉伸、压缩时，塑胶的强度不影响整体强度。

弯曲力学强度：从对比数据看，其弯曲强度值小於钢板，大於塑

胶板；值的大小取决於复合体内钢的含量百分比。钢含量高，强度值大。

但塑胶层改善了钢的受力情形，钢塑复合板的弹性、韧性是纯钢板不可

比拟的。

弯曲强度计算

◎钢塑复合材料板的弯曲强度测试规范及计算公式：依据

ASTMD790（英国A.B.格兰维尔着，《塑胶工程手册》）。

o=3XWXs/2XaXt

式中：。一弯曲强度（kg/m2）W—施压荷载（kN/kg）s—计算参

数，其值为弯心加2t,弯心为tcmt一样板的厚度（cm）a一样板的宽度

（cm）（现a统一为6cm。）

◎钢塑复合材料的强度计算公式：参照一般复合材料强度计算公

式一混合法公式如下：

0=0lvlel+o2v2e2

式中：。一钢塑复合材料板的强度（Mpa）。1一钢板的强度

（Mpa）,取370；vl一钢占体积百分数%;el—钢板厚（cm）。2—塑胶

的强度（Mpa）,取34；v2一塑占体积百分数％；e2一塑层厚（cm）

◎经23样块测试计算和公式计算，发觉测试压距为0.5cm时的强

度数值，与混合法公式计算所得数值基本一致，其差数都在±596以内。

因此混合法可作为钢塑复合材料的强度计算公式。

钢塑复合材料板的受力情况

以3号板为例。它的公式计算弯曲强度，比测试计算弯曲强度仅

负2.4%。从它的应力一应变曲线走向看，它没有屈服点，但形变达到厚

度的百分之三十接，强度的加添率明显减缓，整个线形与高聚物的应力

一应变曲线接近。对比高聚物五种类型的应力一应变曲线图，介於强硬

（初始直线夹角70°）和强韧（初始直线夹角75°）之间，它为72°o

近年来，旋塑（滚塑）成型技术进展快速，在材料、成型技术等

领域都有飞速进展。图片摄於无锡市海溪防腐设备有限公司。

表13号板应力一应变曲线数据，该板厚3.1cm（钢1.1,塑2.0）

作基准

从上述情况可见，钢塑复合中空材料的力学性能趋近高聚物的力

学性能。从样块强度数据分析，最佳钢塑比的样板的强度数据为113—

135Mpa之间，与压力容器钢材许用强度114Mpa一致。也就是说，钢塑

复合中空材料可制造压力容器。

由此可见钢塑复合材料既具有钢铁的强度、硬度，像钢那样能承

受压力；有塑改善钢的受力情形，使它具有塑胶样的弹性、韧性、耐腐

蚀性，是一种理想的新材料。

钢塑复合材料钢、塑最佳配比

从23块的力学性能测试、计算、分析之彼得出以下结论：

1、钢塑复合材料的强度与钢含量的百分比有关。钢含量高，强度

大；当荷载超过钢的屈服点接，塑胶含量高，弯曲反弹力大。

2、钢含量的重量百分数，体积数，厚度百分数的数值是一致的。

因此，从简便、应用角度考虑，可实行厚度百分比计算。

3、钢、塑含量的体积比，截面积比，厚度比的比值是一致的，因

此，可采纳厚度比。

4、钢、塑含量的体积比，与重量比的数值不一致。23块样决的钢、

塑体积比从50：50到10:90,重量比从89.7：10.3到49.2：50.8。

经分析，钢、塑最佳体积比为25—30：75—70；重量比为75—70：

25—30o

5、产品配方确定钢、塑比，要以理论计算为基础，结合可加工性

和必要性两方面的实际而定。如，钢板的可焊接加工厚度要求在4nlm以

上，塑胶层厚在lOmm以上。一般在15nmi左右，或钢网厚的三倍。钢网

厚不是指制作钢网的钢板厚，而是指平放在两平面之间钢网的相对厚度。

钢塑复合制品的成本讨论

钢塑复合中空材料钢塑含量的基础计算

由于取定长a、定宽b的钢塑复合板，只有钢的层厚el,塑的层

厚是变数。因此，在钢塑复合板钢塑体积比abel：abe2,钢塑截面

积比bel：be2,钢塑层厚比61：e2的比值是相等的。它们的百分含量

值也是相等的。

公式为：钢、塑各自厚6・钢塑板总厚txioo%

钢塑复合制品的壁厚e(6)设计及定价

钢塑复合中空材料的存在形式是实在的钢塑复合容器或其他物体

的壁。以容器为例，钢塑复合中空材料必需既耐腐蚀又耐压。在使用中，

以钢承受工作压力；以塑防腐蚀、防渗漏、增韧改善钢材的力学性能。

因此，设计钢塑复合容器壁厚，第一步：按容器的使用压力计算钢板厚

(8)；第二步：按钢、塑最佳比确定钢、塑各厚多少；第三步：以钢、

塑当时的市场价计算成本、确定销售价格。

下面以口径DN为3000mm的钢塑复合管为例，进行计算：设：

DN—3000mm,工作压力0.3Mpa,设计压力P—1.OMpa,钢许用应力

—235Mpa,焊缝系数中一0.9。

求：该管的壁厚3(e)—mmo

代入公式：

6二PXD/2[o]X0=1,0X3000/2X235X0.9=3000/423=7.1

(mm)

按计算结果，该管道用7mm钢板，15mm厚的塑层就可以。下面换

个角度思考，【。】取钢塑复合材料的测试平均强度一114即a,①取1,

代入公式：

6=PXD/2[O]X=1.0X3000/2X114X1=3000/228=13.1(mm)

按计算结果，该管道用13mni钢板，15nlm厚的塑层就可以。钢占

46%,实际【。】可达140Mpao

假如再以【。】一140Mpa代入公式，6=PXD/2【。】

X①=1.0X3000/2X140X1=3000/280=10.7(mm)

从上述三次计算结果看，该管可以钢板取10mm,塑层厚18nl%

以上是从内压的角度考虑的理论计算，有了设备还要整体做压扁

试验，进行环刚度计算与看它的耐外压试验情况，然彳爰进一步完善钢塑

复合管的管壁设计公式。

按上面管壁结构和成本、定销售价，先求1m长的成本。

钢的重量(kg)/m=7.8(g/cm3)X钢板厚elcmX总面积

abcm24-1000=7.8XlX(300X3.1416X100)

・1000=7.8X1X94248・1000=73513+1000=735(kg)钢成本yl(元，

下同)口-钢单价nl(元/kg)义钢重量wl(kg)=5X735=3676(元)塑

的重量(kg)/m=0.895(g/cm3)义塑层厚e2cmX总面积

abcm24-1000=0.895X1.8X942484-1000=1518334-1000=152(kg)塑成

本y2(元)m=塑单价n2(元/kg)X塑重量w2(kg)=13X152=1976

(元)

合计1m管成本：3676+1976=5652(元)，以25%毛利计，1m钢塑

复合管售价7065(元)。可以报的市场平均接受价为1万元/米。

钢塑复合管的环刚度讨论

管道环刚度是承受外压力的紧要数据。关於管道环刚度测试计算

公式有二个：

IS09966S=(0.0186+0.025y/d)F/Ly全塑的S二

(0.1488+0.02y/d)F/Ly

S一环刚度kN/m2D—内径my—变形量mF一压力荷载kNL一受压管

圈长m

DINI6961s=F/dLXk

S一环刚度kn/m2D—内径mF—压力荷载knL—受压管圈长m4—变

形系数，

查表得(一般以内径5%的变形率为准，8取值0.1568,结果与

ISO法的计算结果不一致，由於测试设备陈旧，因变形率与变形系数相

对应不很精准，计算结果也不精准。)

在2023年10月，作了六个样管到西塘色机厂理化室作压力测试,

现将情况列於表2。表2六个样管的压力测试

说明：1、该批样管的钢管均为无缝钢管。壁厚5mm的内径为

130mm,壁厚3mm的内径为154mm。本次测试计算采纳ISO法。

2、y—变形量明标准为内径的5机也就是测试压距，内径的肯

定变形量。

3、纯塑指纯的LLDPE；白塑指白色改性料；黑塑指黑色改性料。

4、这批试验有多个项目，分析情况见下文。

环刚度试验计算、对比、分析情况：

1、1号与2号比。结构材质一样，壁厚不一样。壁厚加添40%,

而环刚度加添63.5%。2、4号与1号比。钢管壁厚一样，衬塑比不衬塑,

环刚度加添39.6%。3、3号与2号比。钢管壁厚一样，焊钢网的比不焊

的，环刚度加添19.遥。4、3号与5、6号比。钢管壁结构一样，衬塑

的比不衬塑的,环刚度分别加添44.3%、23.7%05、2号与5、6号比。

钢管壁结构一样，有网塑的环刚度分别加添71.8%、47.3机6、4号与5、

6号比。钢管壁结构一样，纯塑比改性料环刚度分别加添55.1%、61.5%。

7、5号与6号比。管壁结构一样，白色改性料比黑色改性料环刚度加添

14.3968、从平均1mm壁厚的ISO值来看，含钢量高，ISO值大，与1一

致。

从上述分析可以得出几点结论：

1、从加添环刚度的角度看，加添塑胶层厚不是好方法。加添钢板

厚的效果比较好。

2、钢塑复合的目的在於解决塑胶不耐压的弱点。塑胶层在钢塑复

合材料的功能，只能定位於防腐蚀、防渗漏、加添钢材的弹性、韧性，

即改善钢板的受力情况。

3、钢网在钢塑复合材料有加强作用，更紧要的作用在於维持塑胶

层的完整性和保持钢塑层面的粘结性。

4、从测试样管看，压到两壁面相碰钢塑介面没分裂脱开，塑层没

裂缝。因此钢塑复合管无论怎样破坏都不可能把它彻底破坏掉。

管子埋地接的综合力学特性，即管顶受到的垂直压力计算公式。

F=DLKd（Fsv.k+^vkDo）

式中：

F一埋地每延米管道管顶上的垂直总压力（kn/m2）DL一变形之彳爰

效应系数，依据管道胸腔回填密度可取L2—1.5Kd一管道变形系数，通

常可取0.083—0.1（本公式是塑胶管的）Fsv.k—每延米管道管顶上的

垂直

Fsv.k=Ys.Hs.Do

Ys一回填土重力密度（带砂黄土可取Y（伽马）=18kN/m3）Hs—

管顶至设计地面的覆土高度（m）Do一管道外径（m）中q—管顶上动载

荷准允系数可取0.5qvk一地面车辆载荷传至管顶单位面积上的竖向压力

标准值（kN/m2）（注：该值的实在计算公式参见"CECS164：2023"标

准。）

试算假设：外径Do——4m；覆土高度Hs——5m：贝心

Fsv.k=rs.Hs.Do=18X4X5=360kN/m2

/.F