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钢骨架聚乙烯塑料复合管的耐低温性能研究
文章作者admin: 时间:2020-11-25 20:08
钢骨架聚乙烯塑料复合管的耐低温性能研究
                                         陈斌,吕雅
               (华创天元实业发展有限责任公司,河北廊坊 065001)
    [摘要]钢骨架聚乙烯塑料复合管集钢骨架的高强度和聚乙烯塑料的耐腐蚀性于一体,同时具有优异的抗环境应力开裂能力,已广泛应用于石油、化工、供水等多个领域。文章主要针对钢骨架聚乙烯塑料复合管在低温条件下的抗冲击性能及周长尺寸的稳定性进行了试验探讨,结果表明,钢骨架塑料复合管具有优异的低温抗冲击性能,周长尺寸收缩程度较小,为工程安装提供有力的数据支持。
    [关键词]钢骨架聚乙烯塑料复合管;低温;冲击;收缩
    [中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2013)16-0042-02
    钢骨架聚乙烯塑料复合管是由低碳钢丝缠绕经点焊成网为骨架、热塑性聚乙烯塑料为基体的复合材料管材,集钢骨架的高强度与塑料的耐腐蚀性于一体,适用于中、低压介质的输送,在性价比方面,与相同规格、相同壁厚的塑料管相比,耐压强度大大提高,其成本较同一材料的塑料管下降30 %以上。目前钢塑复合管以其独特的优势被越来越多的用户所接受,广泛应用于化工、油田、给排水等领域,随着其应用领域的不断扩大,钢塑复合管在新领域的应用则需要进行更多的探索性试验。
    本文主要考察钢塑复合管的低温抗冲击性能及周长尺寸稳定性,为扩大钢塑复合管的应用领域提供理论依据,并为工程安装提供有力的数据支持。
    1· 试验仪器及试样制备
    1.1 试验仪器
    ACS 温度循环试验箱:CH1900TC-15-ESS;热测温度循环试验箱:F-108-CHMV-2;卡尺;卷尺。
    1.2 试样及试样制备
    高密度聚乙烯,7600M,中石化燕山石化公司;
    钢骨架聚乙烯塑料复合管,华创天元实业发展有限责任公司;
    HDPE 样条制备:平板硫化机压制,制样宽为15 mm;
    纯塑封口环试样制备:注塑机注塑;
    钢骨架塑料复合管试样制备:分别截取DN300、DN350、DN600 钢骨架塑料复合管2 根,长度为700 mm,试验前对管材施加10 %、20 %不同程度变形。
    1.3 试验步骤
    温度循环试验:参照标准GJB 150.4A-2009 [1],将试样进行-40~-10 ℃温度循环试验,温变率为5 ℃/min,循环周期为24 h,10 个循环后进行落锤冲击试验;通过冲击试验后在依次进行-50~-10 ℃温度循环试验和-60 ℃恒温静置7 d。高低温循环结束后迅速将试样取出检查试样情况,并记录检查结果。
    落锤冲击性能测试:参照标准GB/T14152-2001[2],经过至少10 个温度循环后,将低温试验箱恒温至低温循环的最低温度20 h,而后,将管材试样取出低温箱,迅速测量管材试样外周长并对其进行冲击。冲击过程为对管材同侧受压端及“自由端”分别进行3次定点落锤冲击试验;若无破坏,则继续进行更低温度循环,之后分别对管材受压端及“自由端”反面进行3 次定点落锤冲击试验;若破坏则停止试验。落锤重5 kg,下落高度2 m(距离试样表面的高度);一个120°角的V 型托板固定管材。
    2 ·试验结果与讨论
    2.1 聚乙烯塑料的低温收缩
    高密度聚乙烯作为钢塑复合管的基体材料,它的结构与性能很大程度上影响着管材的性能。对于注塑制品的收缩主要分为热收缩、相变收缩(结晶收缩)、取向收缩、压缩收缩与弹性恢复[4-5],且塑料的热膨胀系数比钢的大3~10 倍,因而塑料成型后冷却到室温的收缩相应也比钢骨架的收缩大。由于温度的变化,复合管中各相材料的热收缩不能同步进行而相互牵制,由此在管材内部产生热应力,而热应力的松弛规律与应变引起的应力松弛具有都具有时间依赖性[3],因而研究基体塑料与钢骨架的收缩系数对于指导钢骨架塑料复合管的低温收缩则显得愈加重要。
    试验测得,高密度聚乙烯压制样条的收缩系数为10.1E-05K-1,注塑样条的收缩系数为11.7E-05 K-1,钢丝的收缩系数为10.9E-06 K-1。对于高密度聚乙烯的样条的收缩系数测定为压制样条测定的,纯塑封口环为注塑制得的,相比之下,注塑样条的收缩系数11.7E-05 K-1 比压制样条10.1E-05 K-1 稍大,与压制样条对比,在注塑成型过程中,注塑压力大及冷却速度快使制品分子链段快速冻结而来不及恢复卷曲,因而在后收缩过程中,其收缩程度更大一些。
    2.2 钢骨架聚乙烯塑料复合管的低温收缩
    由于环境温度变化及松弛作用,钢塑复合管的使用性能会发生很大变化。一方面,由温度改变引起的尺寸变化会给安装的尺寸配合带来麻烦;另一方面,管材内部会存在由收缩程度不同而引起的热应力,虽然在钢塑复合管中的钢骨架用来承担管材使用过程中的大部分应力[6],但只要外部载荷作用时间足够长,即使在远低于钢塑复合管的瞬时弹塑性临界失稳载荷作用下,聚乙烯材料的粘弹性都将引起复合管的应力重新分布,管材终将发生蠕变失稳而失效[7]。因而,对于钢塑复合管来说,无论是从安装尺寸配合角度还是从力学性能变化来说,测定恒定应力下的钢骨架塑料复合管的低温收缩性能及力学性能都是极为重要的。
    对于管材外周长尺寸变化(见表1),以DN600 为例,-60 ℃温度下的管材无封口部分周长与常温下测量数据相差3 mm,而恢复常温后周长基本恢复,说明钢塑复合管带骨架部分的低温收缩回到常温后基本能够恢复;对于口部周长由于纯塑封口环的存在,在-60 ℃下的周长为1997 mm,相较常温2003 mm 减小了6 mm,而恢复到常温时其周长也未能完全恢复。
    对于钢骨架塑料复合管的外周长尺寸收缩,一方面由于管材封口端纯塑封口环的存在增加了纯塑部分在管材垂直于壁厚方向的比例,使纯塑部分的尺寸收缩影响变大,因而其外周长低温尺寸收缩程度较大,DN300 和DN350 两种型号管材同样存在这样的规律;另一方面,由于钢骨架的支撑作用,使没有纯塑封口环的管材部分尺寸收缩程度较小且恢复到室温后的尺寸基本能够恢复。

    2.3 钢骨架聚乙烯塑料复合管的低温抗冲击性能
    聚乙烯作为复合管的基体材料,其低温脆性影响着钢骨架聚乙烯塑料复合管的低温力学性能。在正常使用压力和环境条件下,蠕变是粘弹性材料的典型特征,聚乙烯管材的破坏主要是由于在应力作用下聚乙烯发生蠕变而产生的分子链缠绕相互脱开造成的[8-9]。在此试验中,将管材分别施加了10 %变形和20 %变形进行温度循环试验及落锤冲击试验,既考察了管材在实际贮存过程中有可能存在的恒定应力引起的蠕变作用,也考察了由蠕变/疲劳交变载荷作用引起的管材的低温破坏[10-12]。
    DN300-10 %变形管材的未变形端端口在经过10 次-10~-40 ℃温度循环后,在-40 ℃冲击过程中发生破坏,因而在搬运过程中应尽量避免对管材端口部磕、砸,易引起破坏;DN350-20 %变形管材在经过22 次10 次-10 ~-40 ℃温度循环后,在-50 ℃冲击过程中管材内部发生破坏,主要原因是由于在变形较大的情况下,管材内侧受压面受到张应力较大,因而在进行落锤试验时,管材易产生应力集中而破坏,因而建议管垛码放高度不宜过高,以免上方管材对底层管材的压力过大而造成较大变形,致使底层管材在后续搬运及安装过程中发生破坏;DN300-20 %变形、DN350-10 %变形、DN600-10 %变形及DN600-20 %变形管材变形端和未变形端都能够耐受-40 ℃、-50 ℃及-60 ℃冲击。
    对 DN300-10 %变形管材未变形端端口出现的裂纹进行裂纹扩展观察,且对裂纹附近区域定点进行了3 次冲击,结果表明管材裂纹向前扩展的方式是首先发展为银纹,再经由银纹缓慢发展为裂纹,且发展速度缓慢,并未出现低温下快速开裂的现象。
    3 ·结语
    高密度聚乙烯的低温收缩系数大约是钢丝骨架的10 倍,而钢塑复合管中聚乙烯基体的低温收缩与膨胀均被钢骨架阻碍,使得其低温收缩程度较小,具有较好的尺寸稳定性;钢骨架聚乙烯塑料复合管具有优良的低温抗冲击性能,且低温条件下裂纹扩展速度缓慢,能够应用于环境温度极低的国家及地区。今后,随着钢骨架聚乙烯塑料复合管管材技术的进一步创新,应用领域的不断扩大,施工规程的日益完善,钢骨架塑料复合管在各个市场都会有很好的应用前景。
参考文献
[1]GJB 150.4A-2009.军用装备实验室环境试验方法第 4 部分:低温试验[S].2009.
[2]GB/T 14152-2001.热塑性塑料管材耐外冲击性能试验方法时针旋转法[S].2001.
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[4]杨凤霞,片春媛.结晶型塑料注射制品收缩率影响因素分析[J].模具工业,2005(11):31-4.
[5]肖作顺,王文广.塑料的收缩性[J].大连轻工业学院学报,1987(1):34-7.
[6]陈斌,杨虹,胡学文.钢骨架聚乙烯塑料复合管在较高温度下使用的讨论[J].化工设备与管道,2010,47(2):49-52.
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[8]何曼君,张红东,陈维孝,等.高分子物理[M].上海:复旦大学出版社,2008.
[9]孙干.钢骨架塑料复合管成型技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2008.
[10]宋之敏,黄婉霞,刘民治.梯形交变加载作用下聚碳酸酯的应变与寿命[J].高分子学报,2004(1):36-9.
[11]宋之敏,黄婉霞,倪海鹰,等.疲劳/蠕变复合作用下聚碳酸酯的交互损伤研究[J].航空材料学报,2003,23(4):44-7.
[12]宋之敏,黄婉霞,刘民治,等.疲劳/蠕变复合作用下聚苯乙烯的交互损伤研究[J].高分子材料科学与工程,2003,19(1):188-91.
(本文文献格式:陈斌,吕雅.钢骨架聚乙烯塑料复合管的耐低温性能研究[J].广东化工,2013,40(16):42-43)


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