钢骨架塑料复合管性能和管端失效机理探究与探析

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1、钢骨架塑料复合管性能和管端失效机理探究与探析　　摘要：本文通研究析钢骨架塑料复合管的性能以及管端应力失效及腐蚀破坏形成的机理，分析了管道安装施工对钢塑复合管管端的破坏性影响，为下步研发提供参考依据。关键词：钢骨架塑料复合管失效机理一、引言钢骨架塑料复合管的的特点就是双面防腐、耐压、技术含量高。钢骨架聚乙烯塑料复合管的基体材料高密度聚乙烯具有很好的化学稳定性、机械强度、耐寒度、电绝缘性能、辐射稳定性、无毒性、比重小、强度与重量比值高、脆化温度低和韧性优良、耐冲击、耐蠕变性，是一种具有广阔应用前景的新兴管材。但是，钢塑管在实际工程应用中有时会出现管端塑料层与钢管基层分层、脱

2、落现象，严重时甚至造成管道系统堵塞，影响管路正常运行。这一缺陷既与其特殊的自身结构相关，又与工程应用密切关联。二、钢骨架聚乙烯塑料复合管的性能1.优良的耐腐蚀性能由于网状钢骨架完全包裹在高密度聚乙烯基体中，6其高密度聚乙烯具有良好的耐酸、碱、盐以及绝大部分有机溶剂腐蚀的性能。管道内外壁防腐蚀性能一致，不必做任何防腐处理，适用于酸、碱、盐制造业、石油化工、化肥农药、制药等行业腐蚀介质输送的工艺配管和排放管道及供水管道或环境比较恶劣的地区。2.优良的耐压性能（亦适用于高真空状态）钢骨架聚乙烯塑料复合管及管件以钢骨架为增强相，从而限制了塑料的蠕变，介质的压力除塑料承受一部分外

3、，主要由钢丝网来承受，从而大大提高了管材的承压能力，同时还可在高真空状态下使用。钢骨架聚乙烯塑料复合管的耐压等级从5.0MPa～1.0MPa，耐压安全系数大于1.6。3.优良的耐磨性能由于高密度聚乙烯具有保持原有形状的特性——弹性记忆效应，当高速流动的固体颗粒撞击在塑料内壁上时，其能量被高密度聚乙烯材料本身吸收，即使有小的划痕，由于弹性记忆效应也可愈合。钢骨架聚乙烯塑料复合管的耐腐蚀能力为普通钢管的4～6倍以上，为不锈钢或衬塑管的3倍以上，为玻璃钢管的2～3倍以上。4.内壁光滑、降低能耗钢骨架聚乙烯塑料复合管内壁保持了塑料管表面光滑不易结垢的特点，其内壁绝对粗糙度为0.

4、01mm，摩擦系数小，并且在使用年限内不会随时间改变。在相同流量系统中，达到相同的流量，6所需的管径比其它材质的管内径要小。流损比钢管小三分之一，从而降低了输送介质的能耗。5.耐温性能、绝热性能强钢骨架聚乙烯塑料复合管适用温度范围为-40℃～80℃，绝热性能好。与钢管相比，其表面散热量仅为钢管的三分之一，在热损要求不高的情况下可不做保温处理。6.可示踪性由于钢骨架聚乙烯塑料复合管中有金属网，决定了复合管具有先天的可示踪性，不必另外埋设跟踪或保护标记，即可用磁性金属探测器进行寻踪，能有效避免挖掘破坏，为安全运行及抢修和维护提供了极大的便利条件。三、钢骨架塑料复合管的失效机

5、理研究1.管端应力失效钢骨架塑料复合管由内衬层、黏接层和钢管基层三部分组成，由于黏接层相对于内衬和钢管基层厚度很小，因此本研究中忽略了黏接层自身的厚度，认为内衬与钢管基层直接黏接。由于复合材料的热膨胀系数大大高出钢管基层的热膨胀系数，因此，在环境温度发生变化时，复合层与钢管基层的热变形不一致，导致复合层与钢管基层在结合界面处产生应力变化。由于钢管基层变形量远小于复合层的变形量，当环境温度升高时，界面处复合层受向内的压应力，钢管基层受向外的拉应力；反之，当环境温度降低时，界面处复合层受向外的拉应力，6而钢管基层受向内的压应力。此外，管道内部输送流体介质的状态也会影响钢骨架

6、塑料复合管的受力状态。当流体介质停止输送时，会对管道产生瞬时的负压，改变管道的应力分布和受力状态，影响和加剧复合层失效。根据上述分析可知，钢骨架塑料复合管的复合界面处的受力情况复杂，变量众多，无法通过简单的数值计算给出确定的解析值，因此，通过采用有限单元法模拟分析界面受力状态，当内管受拉时环向应力为第一主应力。采用数值计算总结出界面处内衬环向应力沿轴向（y）的变化规律，借此分析钢骨架塑料复合管的主要应力分布特点和可能出现失效的部位，从而进一步针对性地分析和解决钢骨架塑料复合管失效难点。通过建模，取钢骨架塑料复合管环境温度变化量ΔT=-110℃，管内径r=106mm，管长

7、度L=2m，分析可知，管材主体部分的应力分布较为均匀平稳，在距离管端约10%的区域，应力分布开始出现波动现象，尤其到了管端后，应力呈直线上升趋势。由上述分析可知，钢骨架塑料复合管在不同于制造温度条件下使用时，将会在复合管的内衬与钢管界面上产生正应力和剪应力，且应力的大小和方向随温度的变化发生变化。钢骨架塑料复合管靠近端部的区域最大应力是中间段的数倍，是最易发生损伤的区域。提高端部复合强度及其抗疲劳性能是提高钢骨架塑料复合管整体性能的关键所在。62.管端腐蚀失效根据有限元分析结果可知，钢骨架塑料复合管应力失效的关键所在为管端复合层受到数倍于