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鋼絲網骨架聚乙烯複合管中高壓連接

來源:http://www.x5o.net/news11834.html   發布時間:2018/8/20 11:36:00

鋼絲網骨架聚乙烯複合管是在聚乙烯(PE)管的基礎上研發出的複合管道産品,是我國自主研發的新型管材[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,用高性能粘接樹脂将鋼絲骨架與内、外層 PE-HD連接在一起[2]。它結合了鋼材本身高強度、高剛度、低成本的優勢和塑料質量輕、運輸與施工便利、耐腐蝕的特點,具有良好的綜合性能。

目前,鋼絲網骨架聚乙烯複合管采用的産品标準為CJ/T189—2007《鋼絲網骨架塑料(聚乙烯)複合管材及管件》,工作壓力範圍為0.4~3.5MPa,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骨架聚乙烯複合管,可應用于中高壓工業領域。但由于現有中高壓力鋼絲網骨架聚乙烯複合管連接技術方面的“瓶頸”,導緻現有的鋼絲網骨架聚乙烯複合管在中高壓管道領域的應用受到限制,而隻能大多應用于低壓管道領域。因此,迫切需要管道制造企業和專業機構進行創新研究,攻克鋼絲網骨架聚乙烯複合管中高壓連接技術難題,擴大鋼絲網骨架聚乙烯複合管的應用領域。 
1鋼絲網骨架聚乙烯複合管連接技術現狀
  到目前止,鋼絲網骨架聚乙烯複合管材已應用了10年多的時間。目前鋼絲網骨架聚乙烯複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,管道系統内的流體在轉彎、截面突變處會産生很大的軸向推力,因此鋼絲網骨架聚乙烯複合管連接處易集中出現品質問題。
1.1 電熔管件連接
電熔管件連接是把電熱絲預埋在PE管件基體内,焊接時将電熔管件套在待接的管材上,通電使電熱絲發熱,從而熔化管件的内表面和待焊管材外表面,冷卻後使之融為一體 
    當鋼絲網骨架聚乙烯複合管材承受内壓時,鋼絲形成拉應力。在電熔管件連接下,鋼絲網骨架聚乙烯複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。電熔管件連接隻對鋼絲網骨架聚乙烯複合管材的外層進行連接,承壓範圍較低,使用壓力一般限制于1.6MPa以下。
電熔管件生産技術相對複雜,因此産品品質有較大區别。在連接施工過程中,受環境、人員技能、焊接設備、材料、管件結構及工藝參數的影響,電熔管件焊接品質控制難度較大,安裝不好易發生電熔管件連接的虛焊、偏焊、過焊、斷絲等事故,進而可能出現管 道 連 接 的 斷 裂、焊 縫 漏 水 等 品 質 問 題,見圖  。



1.2 金屬扣壓連接

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

鋼絲網骨架聚乙烯複合管采用金屬扣壓連接可以滿足3.5MPa以内的連接技術要求。但這種連接在承壓能力較高時,長期穩定性較差,易發生管道系統金屬扣壓接頭脫落、竄水、竄氣等問題,見圖2。

2連接技術分析與研究

2.1 關鍵技術問題
鋼絲網骨架聚乙烯複合管管壁中帶有雙向成54.7°的纏繞鋼絲,複合管所承受的内、外壓載荷隻有通過PE塑料層傳遞到增強鋼絲網,才能充分發揮鋼絲網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,複合管中約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、防腐和支撐結構的作用[4]。
目前,鋼絲網骨架聚乙烯複合管不論是電熔管件連接,還是金屬扣壓連接,都沒有把複合管材中承壓鋼絲進行有效連接,導緻複合管的耐壓優勢發揮不出來,緻使該産品僅能應用于中低壓管道領域。因此,要解決好鋼絲網骨架聚乙烯複合管在中高壓連接的技術問題,關鍵是要解決好管材中鋼絲的連接。

2.2 解決方案
鋼絲 網 骨 架 聚 乙 烯 複 合 管 在 管 道 壓 力 超 過
1.6MPa時,通常使用金屬扣壓連接。在常規的金屬扣壓連接中,複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複合管材内壁之間夾持力F1及F2,如圖3所示。


由于鋼絲網骨架聚乙烯複合管同其他管材一樣,會根據環境溫度的變化而産生熱脹冷縮現象。如果複合管材内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材質的膨脹系數不一緻,勢必引起鋼絲與PE之間産生滑移。正常情況下,當管材膨脹時,鋼絲端部會縮回到管材内部;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,這種現象發生的機率就越高,見圖4。


從鋼絲網骨架聚乙烯複合管的結構特點可知,隻有将複合管材中兩端的鋼絲連接在一起,才能解決該複合管材在中高壓領域中的應用。因此,我們的解決方案就是采用特制鋼制增強件,将複合管材内每根鋼絲在特制的鋼制增強件端面拐角處産生一個接近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。其連接結構如圖5所示。


複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内壁之間F1及F2對鋼絲的夾持力外,在複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産生長度伸縮變化時,複合管材内鋼絲幾乎不可能發生滑移,确保複合管材連接部位牢靠,其連接強度甚至大于複合管體的爆破強度。鋼絲網骨架聚乙烯複合管這種新式連接技術滿足了中高壓領域的應用要求,産品見圖6。對鋼絲管超強連接進行實驗室液壓實驗,按 GB/T6111—2003對複合管道系統進行靜液壓實驗,如圖7、圖8所示。


從試驗結果來看,DN160、PN9.0鋼絲網骨架聚乙烯複合管進行2 倍靜液壓實驗合格,再繼續升高至21.36MPa,産品仍然滿足要求,更進一步驗證了鋼絲管超強連接技術的可靠性。
2.3 性能特點
(1)滿足中高壓複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,
不會發生後抽現象。因此,可用于更高壓力、更高溫度的介質輸送領域。滿足鋼絲網骨架塑料聚乙烯複合管材不同壓力連接的需求,尤其是在中高壓領域,擴展了産品應用範圍。
(2)提高産品連接品質相比常規的金屬扣壓連接,鋼絲管超強連接長期
穩定性好,克服了金屬接頭脫落及管道竄水、竄氣等故障。
(3)降低生産成本
鋼絲管超強連接強度依靠的是鋼絲産生90°拐角後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,該連接技術不需要鋼絲網骨架聚乙烯複合管封口處理,節省封口環工序環節,整體上降低生産成本。
(4)現場施工快捷方便電熔管件連接和金屬扣壓連接對複合管材的橢圓、壁厚控制要求嚴格,管材連接時對超差的複合管材需要輔助工具調整。鋼絲管超強連接主要是在管材生産企業内部進行加工,現場施工僅僅把管道連接的金屬法蘭或金屬卡箍連接,現場施工快捷方便。
3 工程案列分析
在湖北省恩施三峽大壩的上遊,地處高山深溝地形。當地居民飲水困難,主要在山坡上挖集水池,靠收集山坡上流下的地表水生活。在當地一座垂直高780m多的山上,有一水質較好的水庫,适用于飲用。當地政府部門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780m的水庫取水,靠自流向下,經過山溝最底部,然後再向上730m,為位于另一垂直高為730m的小鎮居民供水。整個供水管路從取水口到用水處有50m左右的落差,供水管路總體走向呈“U”形。供水管路設計為DN160,管道承壓約為8.0MPa。
正常情況下,這種高壓供水管路通常要選用鋼管。但由于當地山高溝深,交通條件有限,運輸困難,而且山坡上管道安裝更困難,當地常年潮濕多雨,管道防腐問題也突出。
高壓力鋼絲網骨架聚乙烯複合管具有耐腐蝕性能好,适于當地潮濕多雨的氣候條件,内壁光滑,流阻小,不結垢,管材柔韌性好,适于當地山高溝深崎岖不平的地形,管材輕便,方便施工等優勢,适于當地的環境。因此,在此供水管路中,最終确定選用高壓力鋼絲網骨架聚乙烯複合管,管材規格為 DN160,壓力等級為9.0MPa,見圖9。

在鋼絲網骨架聚乙烯複合管的連接方式中,普通的金屬扣壓連接難以能達到8.0MPa的要求,所以本項目選用鋼絲管超強連接。在管路設計中,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 結論
(1)通過對目前鋼絲網骨架聚乙烯複合管連接技術的分析,得出複合管材受限于低壓管道領域應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)根據對鋼絲管超強連接實驗結果表明,将鋼絲管連接端部的鋼絲固定,緻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;經過耐壓試驗達到21.36MPa,表明鋼絲管這種超強連接技術是可行的;
(3)通過在湖北恩施山區供水工程中實際應用,驗證了鋼絲網骨架聚乙烯複合管這種超強連接技術可靠的,它能解決了鋼絲網骨架聚乙烯複合管中高壓連接技術難題,助推鋼絲網骨架聚乙烯複合管道行業的健康發展。

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