内衬PE钢塑复合管材耐低温性能实验rev.doc

内衬PE钢塑复合管材耐低温性能实验
杨伟芳* 顾苏民 徐志茹
（浙江金洲管道科技股份有限公司 浙江 湖州 313000）
摘　要：简要介绍了我国内衬复合钢管的应用和技术发展现状，利用高频直缝热浸镀锌钢管为基管，内表预处理后以马来酸酐接技枝聚乙烯为热熔胶，采用电磁中频感应加热加压内衬LLDPE和PE-X塑料管，并在产业化生产线上随机抽取试样，在CJ/T136-2007《给水衬塑复合钢管》行业标准技术指标的基础上，通过参考GB/T 5135.20-2010等标准的耐低温试验，进行了耐冷热循环、耐低温冷热循环和耐低温等等拓展性试验，得出钢塑层复合完好良好的试样其结合力受-40℃范围内环境温度变化的影响很小，为内衬塑复合钢管的扩大应用提供理论依据。
关键词：衬塑 复合钢管 结合力 耐低温 试验
中图分类号：TG174.464 文献标识码：A 文章编号：
0. 引言
衬塑复合管是我国钢塑复合管产品体系中的一个主要品种，其产业化起步于上世纪九十年代末，基于经济社会发展和人民生活水平提高的总体要求和依靠我国大力发展新型建材的产业政策，为衬塑型钢塑复合管的推广应用创造了很好的条件，产品迅速推广并随着整个钢塑复合管行业并和其它新型建筑管道一起广泛应用于城镇建筑给排水、燃气等领域的流体输送，得到了快速的发展[1-5]。近几年，给水衬塑复合钢管在北京奥运场馆、上海世博会、北京地铁、上海地铁、南京地铁和北京延庆长距离城镇供水管线等高标准建筑和重点工程的应用[6-7]，加快了衬塑复合钢管的增长和发展。目前衬塑复合钢管产品的生产应用执行CJ/T136-2007《给水衬塑复合钢管》、CJ/T137-2008《给水衬塑可锻铸铁管件》等2个给水衬塑复合管道产品的主流行业标准和CECS125:2001《建筑给水衬塑复合管管道工程技术规程》、CECS151:2003《沟槽式连接管道工程技术规程》等工程规范，以上产品标准的制订部分参照和采用了日本、美国等发达国家相关协会行业标准，如日本水道协会标准JWWA K140《给水用耐热硬聚氯乙烯内衬钢管》、JWWA K116《给水用硬聚氯乙烯内衬钢管》、美国材料与试验协会ASTM F1545-2003《塑料衬里黑色金属管、管件和法兰规格》，日本、美国等国家具有了20多年的钢塑复合管使用经验，具有代表性和先进性，在未等同采用的前提下并结合我国的实际情况制订而成，这是比较科学的。
与日本标准选用PVC、CPVC等无定型硬塑料内衬材料不同，我国衬塑复合钢管的内衬材料主要选用PE、PP-R、PE-X和PE-RT等聚烯烃材料，众所周知，该些塑料材料与钢材的线膨胀系数比值最高达20倍，钢与塑之间的结合强度理所当然是评价衬塑复合管质量的关键指标，目前CJ/T136-2007《给水衬塑复合钢管》标准规定冷水用衬塑复合管的结合强度为0.3MPa，热水用衬塑复合管的结合强度为1.0 MPa，应该说很好地指导了产品的生产和工程应用。但同时，由于行业也存在着无序竞争、以次充好、安装使用不规范等现象，所引起的质量异议、管道失效直接影响了行业的健康发展，针对该这些出现的问题，钢塑复合管联合会王显功会长、北京塑料集团公司吴念总工等专家先后撰文指出了存在的问题并提出了相关对策[8-9]。2008年开始，浙江金洲管道科技股份有限公司承担了《钢塑复合管》国家标准的制定任务，为推动行业技术进步，拓展衬塑复合钢管的应用领域，在CJ/T136-2007《给水衬塑复合钢管》行业标准技术指标的基础上，项目承担单位进行了产品的耐低温性能等拓展性试验和研究。
1. 试验方案设计
1.1. 试样制备及抽取
本文试样规格为DN65mm×3.8mm（冷水管），DN25mm×3.25mm（热水管）。衬塑复合管试样的基管和内衬塑料管均系项目承担单位生产，基管采用高频直缝焊接热浸镀锌钢管，在线去内毛刺，内表喷砂预处理达到Sa2.5级，冷水管用的内衬塑料为线性低密度聚乙烯（LLDPE）、热水管用的内衬塑料为可硅烷交联高密度聚乙烯（PE-X），复合工艺为电磁中频感应加热至220℃加压复合，热熔胶采用马来酸酐接技枝聚乙烯，试样系在产业化生产线上随机抽取，冷、热水用衬塑复合管试样各五组。
1.2. 试验设备及方法
除试样制取的衬塑复合管专业生产线以外，试验设备包括游标卡尺、UH-F500KNI型万能试验机、DW75NC型弯管机、ESPEC GSL-10K高低温箱，试验方法执行或参考了CJ/T 136-2007《给水衬塑复合钢管》、GB/T 244-2008《金属管弯曲试验方法》、GB/T 246-2007《金属管压扁试验方法》、GB/T 5135.20-2010《自动喷水灭火系统第20部分：涂敷钢管》等标准规定。
1.3. 试验项目设计
按现行的CJ/T136-2007《给水衬塑复合钢管》行业标准规定进行的尺寸、外观、力学性能（结合性能、弯曲或压扁）、耐冷热循环试验（对热水管）外，增加了以下试验项目：
（1）耐低温冷热循环性能（非标准试验，对冷水管和热水管试样）测试流程：
-40℃（12h）→常温(1h)→观察内衬塑料变化情况→50℃（12h）→常温(1h)→观察内衬塑料变化情况→结合强度测试
（2）耐低温性能（非标准试验，参考GB/T 5135.20-2010《自动喷水灭火系统第20部分：涂敷钢管》国家标准，对冷水管和热水管试样）测试流程：
-40℃（1h）→常温(4~7h)→观察内衬塑料有无分层→结合强度测试
-30℃（1h）→常温(4~7h)→观察内衬塑料有无分层→结合强度测试
-20℃（1h）→常温(4~7h)→观察内衬塑料有无分层→结合强度测试
-10℃（1h）→常温(4~7h→观察内衬塑料有无分层→结合强度测试
0℃（1h）→常温(4~7h)→结束→结合强度测试
2. 实验结果
2.1. 试样尺寸、外观结果见表1。
表1 衬塑复合管试样外观、尺寸测试结果
试样
外观
复合管外径(mm)
塑层厚度(mm)
塑层颜色
类型
编号
热水用衬塑复合钢管(DN25)
1#
光滑无缺陷
33.71
1.52
红色
2#
光滑无缺陷
33.78
1.51
红色
3#
光滑无缺陷
33.79
1.52
红色
4#
光滑无缺陷
33.75
1.52
红色
5#
光滑无缺陷
33.83
1.50
红色
冷水用衬塑复合钢管(DN65)
1#
光滑无缺陷
76.19
1.48
白色
2#
光滑无缺陷
76.25
1.49
白色
3#
光滑无缺陷
76.21
1.49
白色
4#
光滑无缺陷
76.21
1.50
白色
5#
光滑无缺陷
76.27
1.51
白色
CJ/T 136-2007标准要求
光滑无缺陷
/
1.5±0.2
/
2.2. 结合性能
衬塑复合钢管结合性能见图1，冷水用衬塑复合钢管结合力平均值为5.19MPa，热水用衬塑复合钢管的结合力平均值为6.08 MPa，测试结果分别是标准规定指标值的17.3、6.08倍。
2.3. 弯曲或压扁试验
按CJ/T136-2007《给水衬塑复合钢管》标准规定要求，热水管进行弯曲试验，试样外径的8倍作为弯曲半径，弯曲角度为10度；冷水管试样进行压扁试验，焊缝合与载荷呈90度，压缩量为管径的1/4。试验结果均未发现肉眼可见的钢与塑离层或分离现象。
2.4. 耐冷热循环和低温冷热循环试验
热水管试样按CJ/T136-2007《给水衬塑复合钢管》标准规定进行3次冷热循环周期，单次冷热循环周期条件为95ºC(保温30min)→常温(保温10min)→5ºC(保温30min)→常温(保温10min)，并在同一试样上取样进行耐低温冷热循环试验，试验条件见本文第1.3条（1）所述，试验结果见表2、表3。
表2 耐冷热循环性能测试结果
编号
塑层有无分层
离拆压力(kN)
结合强度(MPa)
结合强度平均值(MPa)
1#
无
10.438
5.72
5.80
2#
无
10.750
5.84
3#
无
10.719
5.77
4#
无
10.250
5.44
5#
无
11.094
6.24
CJ/T 136-2007
标准要求
无
/
≥1.0
≥1.0
表3 耐低温冷热循环性能测试结果
试样
-40ºC,12h后塑层有无分层
50ºC,12h后塑层有无分层
结合强度(MPa)
结合强度平均值(MPa)
类型
编号
热水用衬塑复合钢管(DN25)
1#
无
无
6.28
5.94
2#
无
无
5.68
3#
无
无
6.03
4#
无
无
5.93
5#
无
无
5.78
冷水用衬塑复合钢管(DN65)
1#
无
无
3.90
4.48
2#
无
无
5.17
3#
无
无
5.01
4#
无
无
3.97
5#
无
无
4.36
CJ/T 136-2007
标准要求
DN25
无
无
≥1.0
≥1.0
DN65
无
无
≥0.3
≥0.3
2.5. 耐低温性能试验
参考GB/T 5135.20-2010《自动喷水灭火系统第20部分：涂敷钢管》国家标准并按本文第1.3条（2）进行对热水管、冷水管试样耐低温试验，试验后试样均未发现钢塑离层和肉眼明显发现的内衬塑料管收缩现象，之后再进行的结合力测试指标值分别见图2、图3，结合力平均值见图4。
图2 热水衬塑复合钢管耐低温试验结合性能测试结果 图3 冷水衬塑复合钢管耐低温试验结合性能测试结果
图4 耐低温试验结合性能试验平均值
3. 结果分析
本文采用行业中常规应用的可硅烷交联高密度聚乙烯（PE-X）热水用衬塑复合管和线性低密度取乙烯（PE），实验的结果是在确保钢塑不分层的情况下其结合力受-40℃范围内环境温度变化的影响很小。同样，采用材料热应力（或称温度应力）公式经计算可以得出内衬钢塑复合管的受环境温度变化而引起的变形张力，客观地评估钢塑间的相互结合力。
F=σ•A =α•E•△t•A┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈(1)
式（1）中，F为热变形张力，σ为热应力，α为塑料管材的线膨胀系数，E为塑料管材的弹性模量，△t为环境差异温度，A为塑料管材的截面积。
以此实验温度、塑料材料和规格口径为条件经计算，我们发现经计算而得的热变形张力要远低于结合强度实验时得到的离拆压力。不仅如此，按现行CJ/T136-2007《给水衬塑复合钢管》标准规定，以高弹性模量的高密度聚乙烯、-40℃环境温度作为条件进行结合强度与热变形张力的对比验算，仍发现管材具有1.2以上的安全系数。当然，实际生产应用中，低温环境应用的内衬塑复合钢管还是选用低弹性模量的塑料材料为宜。
通过以上实验和理论模型分析，我们认为热复合良好的衬塑钢管，不仅能承受压弯和弯曲时塑料和钢之间的滑移力，而且能承受在温度变化时塑料和钢管之间的滑移力，低温环境对内衬塑复合钢管的结合性能影响较小。
4. 结束语
本文仅以焊接钢管内衬热塑性材料作为试样进行耐低温及其综合性能的研究，衬塑复合钢管应用的质量保证是一个系统性问题，不仅取决于企业所采用的材料设计和整个生产工艺是否先进科学，同时还与工程应用的施工处理密切相关。
根据其输送的流体和使用环境因素不同，什么样的应用场合应选用何种材质和技术指标是一个系统性的问题，应由专业的工程技术人员进行设计确定。随着国内衬塑复合管加工和管件配套以及工程施工技术的进步，内衬塑复合钢管一定会在更加苛刻环境中得到更为广泛的应用。

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