鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管中高壓連接技術(shù)的研究與應(yīng)用

孔令輝，王立凱

(山東東宏管業(yè)股份有限公司，山東 曲阜 273100)

鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管中高壓連接技術(shù)的研究與應(yīng)用

孔令輝，王立凱

(山東東宏管業(yè)股份有限公司，山東 曲阜 273100)

簡要介紹了鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管連接技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管在中高壓連接技術(shù)的研究情況。通過湖北恩施山區(qū)供水管道工程的實際案例，介紹了鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管高壓力連接技術(shù)的成功應(yīng)用經(jīng)驗，為鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管在中高壓力管道工程中推廣應(yīng)用起到積極的促進作用。

鋼絲網(wǎng)骨架；聚乙烯；復(fù)合管；電熔； 雙密封連接；應(yīng)用

0 前言

鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管是在聚乙烯(PE)管的基礎(chǔ)上研發(fā)出的復(fù)合管道產(chǎn)品，是我國自主研發(fā)的新型管材[1]。這類管材是以高強度鋼絲左右螺旋纏繞成型的網(wǎng)狀骨架為增強體，以高密度聚乙烯(PE-HD)為基體，用高性能粘接樹脂將鋼絲骨架與內(nèi)、外層PE-HD連接在一起[2]。它結(jié)合了鋼材本身高強度、高剛度、低成本的優(yōu)勢和塑料質(zhì)量輕、運輸與施工便利、耐腐蝕的特點，具有良好的綜合性能。

目前，鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管采用的產(chǎn)品標準為CJ/T 189—2007《鋼絲網(wǎng)骨架塑料(聚乙烯)復(fù)合管材及管件》, 工作壓力范圍為0.4～3.5 MPa，多采用電熔管件連接或金屬扣壓式連接。如果采用多根高強度鋼絲分層纏繞制造直徑較大且壓力較高的鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管，可應(yīng)用于中高壓工業(yè)領(lǐng)域。但由于現(xiàn)有中高壓力鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管連接技術(shù)方面的“瓶頸”，導(dǎo)致現(xiàn)有的鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管在中高壓管道領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，而只能大多應(yīng)用于低壓管道領(lǐng)域。因此，迫切需要管道制造企業(yè)和專業(yè)機構(gòu)進行創(chuàng)新研究，攻克鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管中高壓連接技術(shù)難題，擴大鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管連接技術(shù)現(xiàn)狀

到目前止，鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管材已應(yīng)用了10年多的時間。目前鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管材的連接方式主要有電熔管件連接和金屬扣壓連接2種類型。一般情況下，管道系統(tǒng)內(nèi)的流體在轉(zhuǎn)彎、截面突變處會產(chǎn)生很大的軸向推力，因此鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管連接處易集中出現(xiàn)品質(zhì)問題。

1.1 電熔管件連接

電熔管件連接是把電熱絲預(yù)埋在PE管件基體內(nèi)，焊接時將電熔管件套在待接的管材上，通電使電熱絲發(fā)熱，從而熔化管件的內(nèi)表面和待焊管材外表面，冷卻后使之融為一體[3]。

當鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管材承受內(nèi)壓時，鋼絲形成拉應(yīng)力。在電熔管件連接下，鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管的端部鋼絲端頭并沒有固定到管件上，鋼絲是依靠鋼絲和周圍粘接樹脂之間的粘接力固定的。也就是說鋼絲中承受的拉力是依靠鋼絲和粘接樹脂之間的粘接拉住的。電熔管件連接只對鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管材的外層進行連接，承壓范圍較低，使用壓力一般限制于1.6 MPa以下。

電熔管件生產(chǎn)技術(shù)相對復(fù)雜，因此產(chǎn)品品質(zhì)有較大區(qū)別。在連接施工過程中，受環(huán)境、人員技能、焊接設(shè)備、材料、管件結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的影響，電熔管件焊接品質(zhì)控制難度較大，安裝不好易發(fā)生電熔管件連接的虛焊、偏焊、過焊、斷絲等事故，進而可能出現(xiàn)管道連接的斷裂、焊縫漏水等品質(zhì)問題，見圖1。

(a)斷裂 (b)偏焊漏水 (c)焊縫漏水 (d)虛焊漏水圖1 電熔管件連接事故圖例Fig.1 Electrofusion fittings connection accident legend

1.2 金屬扣壓連接

金屬扣壓連接是將所有配套的金屬接頭通過扣壓機的模具施加收口力，將其牢固地扣壓在所配套的鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管上。這種管件連接使用標準的活套法蘭或金屬卡箍，將管路直接連接，可顯著節(jié)省時間，降低管接頭操作成本，提高效率，可廣泛應(yīng)用在石油開采、天然氣輸送、礦山、化工、民用輸水等工程中。

(a)脫落 (b)開裂 (c)漏點竄水 (d)裂縫竄水圖2 金屬扣壓連接事故圖例Fig.2 Metal buckled and connected accident legend

鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管采用金屬扣壓連接可以滿足3.5 MPa以內(nèi)的連接技術(shù)要求。但這種連接在承壓能力較高時，長期穩(wěn)定性較差，易發(fā)生管道系統(tǒng)金屬扣壓接頭脫落、竄水、竄氣等問題，見圖2。

2 連接技術(shù)分析與研究

2.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管管壁中帶有雙向成54.7 °的纏繞鋼絲,復(fù)合管所承受的內(nèi)、外壓載荷只有通過PE塑料層傳遞到增強鋼絲網(wǎng)，才能充分發(fā)揮鋼絲網(wǎng)的增強作用和承載能力。研究表明，由于鋼和塑料的彈性模量相差幾乎200倍，復(fù)合管中約70 %的載荷由鋼絲承擔，而PE塑料層除了承擔小部分載荷外，主要起到密封、防腐和支撐結(jié)構(gòu)的作用[4]。

目前，鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管不論是電熔管件連接，還是金屬扣壓連接，都沒有把復(fù)合管材中承壓鋼絲進行有效連接，導(dǎo)致復(fù)合管的耐壓優(yōu)勢發(fā)揮不出來，致使該產(chǎn)品僅能應(yīng)用于中低壓管道領(lǐng)域。因此，要解決好鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管在中高壓連接的技術(shù)問題，關(guān)鍵是要解決好管材中鋼絲的連接。

2.2 解決方案

鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管在管道壓力超過1.6 MPa時，通常使用金屬扣壓連接。在常規(guī)的金屬扣壓連接中，復(fù)合管中鋼絲與鋼制增強件之間的連接，靠的是鋼制增強件與復(fù)合管材內(nèi)壁之間夾持力F1及F2，如圖3所示。

圖3 金屬扣壓連接結(jié)構(gòu)Fig.3 Metal buckling connection structure

由于鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管同其他管材一樣，會根據(jù)環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。如果復(fù)合管材內(nèi)的鋼絲兩端沒有固定，當管材承壓、卸壓或溫度變化引起膨脹或收縮時，由于鋼絲與PE材質(zhì)的膨脹系數(shù)不一致，勢必引起鋼絲與PE之間產(chǎn)生滑移。正常情況下，當管材膨脹時，鋼絲端部會縮回到管材內(nèi)部；當管材收縮時，鋼絲端部會重新伸出到管材端面。但由于鋼絲的硬度遠大于PE，并且尖銳，鋼絲頭往往會改變方向，插入到PE層中。管材承壓卸壓的頻率越高，溫度變化越頻繁，這種現(xiàn)象發(fā)生的機率就越高，見圖4。

(a)鋼絲內(nèi)插 (b)鋼絲外插圖4 鋼絲插入PE層Fig.4 Steel wire insert PE layer

從鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管的結(jié)構(gòu)特點可知，只有將復(fù)合管材中兩端的鋼絲連接在一起，才能解決該復(fù)合管材在中高壓領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，我們的解決方案就是采用特制鋼制增強件，將復(fù)合管材內(nèi)每根鋼絲在特制的鋼制增強件端面拐角處產(chǎn)生一個接近90 °的拐彎，從而使鋼絲與特制的鋼制增強件之間的連接牢固性增強。其連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 改進的連接結(jié)構(gòu)圖例Fig.5 The improved connection structure legend

復(fù)合管材中鋼絲與特制鋼制增強件之間的連接除受到特制增強件與管材內(nèi)壁之間F1及F2對鋼絲的夾持力外，在復(fù)合管材接頭端面部位，還受到端面PE與特制增強件之間的F3夾持力。當管道承壓、管材因溫度變化或壓力變化而產(chǎn)生長度伸縮變化時，復(fù)合管材內(nèi)鋼絲幾乎不可能發(fā)生滑移，確保復(fù)合管材連接部位牢靠，其連接強度甚至大于復(fù)合管體的爆破強度。鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管這種新式連接技術(shù)滿足了中高壓領(lǐng)域的應(yīng)用要求，產(chǎn)品見圖6。對鋼絲管超強連接進行實驗室液壓實驗，按GB/T 6111—2003對復(fù)合管道系統(tǒng)進行靜液壓實驗，如圖7、圖8所示。

(a)鋼絲管靜壓測試裝置 (b)鋼絲管超強連接試驗裝置圖7 鋼絲管超強連接耐壓試驗Fig.7 The steel wire pipe super connection pressure test

圖8 鋼絲管超強連接耐壓曲線圖Fig.8 The steel wire pipe super connection product diagram

從試驗結(jié)果來看，DN160、PN9.0鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管進行2倍靜液壓實驗合格，再繼續(xù)升高至21.36 MPa，產(chǎn)品仍然滿足要求，更進一步驗證了鋼絲管超強連接技術(shù)的可靠性。

2.3 性能特點

(1)滿足中高壓復(fù)合管連接的需求

鋼絲管超強連接由于鋼絲在端部有一個90 °拐角，不會發(fā)生后抽現(xiàn)象。因此，可用于更高壓力、更高溫度的介質(zhì)輸送領(lǐng)域。滿足鋼絲網(wǎng)骨架塑料聚乙烯復(fù)合管材不同壓力連接的需求，尤其是在中高壓領(lǐng)域，擴展了產(chǎn)品應(yīng)用范圍。

(2)提高產(chǎn)品連接品質(zhì)

相比常規(guī)的金屬扣壓連接，鋼絲管超強連接長期穩(wěn)定性好，克服了金屬接頭脫落及管道竄水、竄氣等故障。

(3)降低生產(chǎn)成本

鋼絲管超強連接強度依靠的是鋼絲產(chǎn)生90 °拐角后與特制鋼制增強件之間的連接，對特制鋼制增強件的長度要求不高。另外，該連接技術(shù)不需要鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管封口處理，節(jié)省封口環(huán)工序環(huán)節(jié)，整體上降低生產(chǎn)成本。

(4)現(xiàn)場施工快捷方便

電熔管件連接和金屬扣壓連接對復(fù)合管材的橢圓、壁厚控制要求嚴格，管材連接時對超差的復(fù)合管材需要輔助工具調(diào)整。鋼絲管超強連接主要是在管材生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部進行加工，現(xiàn)場施工僅僅把管道連接的金屬法蘭或金屬卡箍連接，現(xiàn)場施工快捷方便。

3 工程案列分析

在湖北省恩施三峽大壩的上游，地處高山深溝地形。當?shù)鼐用耧嬎щy，主要在山坡上挖集水池，靠收集山坡上流下的地表水生活。在當?shù)匾蛔怪备?80 m多的山上，有一水質(zhì)較好的水庫，適用于飲用。當?shù)卣块T為改善居民的飲水條件，計劃利用山上的水庫為附近居民提供水源。

該供水工程需從高約780 m的水庫取水，靠自流向下，經(jīng)過山溝最底部，然后再向上730 m，為位于另一垂直高為730 m的小鎮(zhèn)居民供水。整個供水管路從取水口到用水處有50 m左右的落差，供水管路總體走向呈“U”形。供水管路設(shè)計為DN160,管道承壓約為8.0 MPa。

正常情況下，這種高壓供水管路通常要選用鋼管。但由于當?shù)厣礁邷仙?，交通條件有限，運輸困難，而且山坡上管道安裝更困難，當?shù)爻Ｄ瓿睗穸嘤?，管道防腐問題也突出。

高壓力鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管具有耐腐蝕性能好，適于當?shù)爻睗穸嘤甑臍夂驐l件，內(nèi)壁光滑，流阻小，不結(jié)垢，管材柔韌性好，適于當?shù)厣礁邷仙钇閸绮黄降牡匦?，管材輕便，方便施工等優(yōu)勢，適于當?shù)氐沫h(huán)境。因此，在此供水管路中，最終確定選用高壓力鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管，管材規(guī)格為DN160,壓力等級為9.0 MPa，見圖9。

圖9 DN160鋼絲管超強連接產(chǎn)品圖Fig.9 Steel wire pipe super connection product diagram of DN160

在鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管的連接方式中，普通的金屬扣壓連接難以能達到8.0 MPa的要求，所以本項目選用鋼絲管超強連接。在管路設(shè)計中，配套一定的排氣閥、安全閥等配件，保證整個管道安全可靠。該供水管道工程項目已于2015年正式通水使用。

4 結(jié)論

(1) 通過對目前鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管連接技術(shù)的分析，得出復(fù)合管材受限于低壓管道領(lǐng)域應(yīng)用的主要原因是管材中起承壓作用的鋼絲沒有有效地連接；

(2) 根據(jù)對鋼絲管超強連接實驗結(jié)果表明，將鋼絲管連接端部的鋼絲固定，致使鋼絲管在承壓時不被抽動，有效地解決了鋼絲管材中鋼絲的連接的問題；經(jīng)過耐壓試驗達到21.36 MPa，表明鋼絲管這種超強連接技術(shù)是可行的；

(3) 通過在湖北恩施山區(qū)供水工程中實際應(yīng)用，驗證了鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管這種超強連接技術(shù)可靠的，它能解決了鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管中高壓連接技術(shù)難題，助推鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管道行業(yè)的健康發(fā)展。

[1] 甘國工.螺旋纏繞鋼絲增強體的鋼塑復(fù)合管：中國, CN2550090Y[P].2011-09-05.

[2] 王艷茹，高慧東.鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管在給水工程中的應(yīng)用[J].中國西部科技,2011，(8): 18-19. Wang Yanru, Gao Huidong. Application of Steel Wire Frame Plastic Composite Pipe in Water Supply Enginee-ring[J]. Science and Technology of West China,2011,(8):18-19.

[3] 侯中伏.淺談鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管在給水管道安裝中的應(yīng)用[J].安裝，2012，(1)： 51-52. Hou Zhongfu. Discussion on the Application of Steel Mesh Skeleton Plastic Composite Pipe in Water Supply Pipeline Installtion[J]. Installtion, 2012，(1)：51-52.

[4] 郝宇杰.鋼絲纏繞增強塑料復(fù)合管阻水性能研究[D].杭州：浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，2011.

全新Moldex3D R15.0提供更流暢的仿真流程加速塑料產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)

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如需獲得更多科盛科技相關(guān)的信息，請參閱：www.moldex3d.com。

Research and Application of Middle- and High- Pressure Connection Technology for Steel Wire Mesh Skeleton Polyethylene Composite Pipes

KONG Linghui, WANG Likai

(Shandong Donghong Pipe Industry Co, Ltd, Qufu 273100, China)

This article briefly introduced the current situation of connection technology and applications in steel wire mesh skeleton polyethylene composite pipes and also analyzed their technical developments in the middle- and high-pressure connection technology. Taking the water supply pipeline project in the Enshi mountain area of Hubei Province as a typical example, the successful application of this high-pressure connection technology was introduced. This project promoted the application of steel wire mesh skeleton polyethylene composite pipes in the construction of middle- and high-pressure pipelines.

steel wire mesh skeleton; polyethylene; composite pipe; electro fusion; double seal connection; application

2017-01-30

TQ327

B

1001-9278(2017)04-0070-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.0013

聯(lián)系人，konglh2256@163.com