伍金奎 倪奉堯 孔濤 孫之狀 孔德彬 劉樹(shù) 劉智博

摘 要：通過(guò)力平衡法設(shè)計(jì)了增強(qiáng)層的鋼絲配置，以EN312添加50%和70%的管道料作為粘接樹(shù)脂，制備了dn315的鋼絲纏繞增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管（簡(jiǎn)稱鋼絲管）。結(jié)果表明，EN312添加50%、70%的管道級(jí)聚乙烯使用，對(duì)鋼絲的剪切強(qiáng)度影響不大。2個(gè)配方應(yīng)用于dn315×1.6 MPa鋼絲管，管材的剝離強(qiáng)度、爆破壓力、20 ℃、3.2 MPa、1 h靜液壓、60 ℃、1.92 MPa、165 h靜液壓均滿足GB/T 32439標(biāo)準(zhǔn)要求。EN312稀釋使用表現(xiàn)出良好的抗高低溫沖擊穿絲能力。

關(guān)鍵詞：鋼絲纏繞增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管；粘接樹(shù)脂；稀釋使用

中圖分類號(hào)：TQ32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0042-04

Introduction and performance testing of dilutable adhesive resin in the preparation of dn315 steel wire tube

WU Jinkui1，2，3， NI Fengyao1，2，3，KONG Tao3， SUN Zhizhuang2，3，KONG Debin，LIU Shu1，3，LIU Zhibo1，3

（1.NationalEnterprise Technology Center of Shandong Donghong Pipe Industry Co.，Ltd.，Qufu 273100，Shandong China；

2.ShandongPolymer Composite Pipeline Engineering Research Center，Qufu 273100，Shandong China；

3.Shandong Donghong Pipe Industry Co.，Ltd.，Qufu 273100，Shandong China）

Abstract：The steel wire configuration of reinforced layer was designed by force balance method.Cross helically wound steel wires reinforced polyethylene composite pipe（SCP） was prepared by adding 50% and 70% of pipeline grade polyethylene into EN312 as bonding resin.The results show that the addition of 50% and 70% polyethylene in EN312 has little effect on the shear strength of steel wire.The two formulations are applied to SCP of dn315×1.6 MPa，and the peel strength，burst pressure，20 ℃，3.2 MPa，1h hydrostatic pressure，60 ℃，1.92 MPa，165 h hydrostatic pressure of the SCP meet the requirements of GB/T 32439 standard.The diluted EN312 shows good anti-penetration of steel wire from pipes end surface after high and low temperature cycling.

Key words：cross helically wound steel wires reinforced polyethylene composite pipe；adhesive resin；diluted use

鋼絲纏繞增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管［1-9］（簡(jiǎn)稱鋼絲管）是通過(guò)鋼絲在塑料芯管左旋纏繞、右旋纏繞后用馬來(lái)酸酐接枝改性的粘接樹(shù)脂對(duì)鋼絲進(jìn)行固定而得到的高性能多層復(fù)合管道，其結(jié)合了金屬和塑料各自的優(yōu)點(diǎn)，因而具有更高的耐壓能力。

粘接樹(shù)脂［10-14］對(duì)增強(qiáng)體鋼絲的粘接固定效果至關(guān)重要，直接影響鋼絲管的耐熱、耐壓等性能。由于聚乙烯接枝馬來(lái)酸酐過(guò)程中存在交聯(lián)副反應(yīng)，基體聚乙烯的熔體質(zhì)量流動(dòng)速率一般大于2 g/（10 min）；而具有耐壓能力的PE80或PE100管道級(jí)聚乙烯因流動(dòng)性差，用于馬來(lái)酸酐接枝改性易發(fā)生交聯(lián)副反應(yīng)導(dǎo)致擠出加工困難。用于鋼絲管中的粘接樹(shù)脂層以非管道級(jí)原料為主，因而不利于鋼絲管的承壓能力的提升。前期研究［15-16］開(kāi)發(fā)了可添加60%～80%聚乙烯管道料稀釋使用的粘接樹(shù)脂EN312，并探索了其在dn160鋼絲管的應(yīng)用。在前期的基礎(chǔ)上，本研究通過(guò)力平衡法［1］設(shè)計(jì)了dn315×1.6 MPa鋼絲管的鋼絲配置，研究了EN312添加50%和70%管道料使用的2個(gè)配方管材的性能，為粘接樹(shù)脂添加管道料使用在鋼絲管的應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

主要材料：PE100級(jí)高密度聚乙烯（P600）：工業(yè)級(jí)，大韓油化株式會(huì)社；PE80級(jí)高密度聚乙烯（2480）：工業(yè)級(jí)，中國(guó)石油大慶石化公司；粘接樹(shù)脂（EN312）、黑色母（EM105G，炭黑含量42%），山東東宏管業(yè)股份有限公司；鍍銅鋼絲（直徑0.9 mm）：工業(yè)級(jí)，山東大業(yè)股份有限公司。

主要儀器：WDS-W型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，河北承德精密有限公司；XLB25-D型平板硫化機(jī)，湖州雙力自動(dòng)化科技裝備有限公司；GDW-1500型高低溫試驗(yàn)箱，無(wú)錫科隆實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；dn630鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管生產(chǎn)線，四川金石東方新材料設(shè)備股份有限公司；XGNB-N-B型耐壓爆破試驗(yàn)機(jī)，河北承德精密有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 不同稀釋比粘接樹(shù)脂與鋼絲剪切強(qiáng)度試樣制備

將粘接樹(shù)脂（EN312）與PE80級(jí)高密度聚乙烯（2480）按照50∶50、30∶70的質(zhì)量比混合后，用開(kāi)煉機(jī)在溫度190 ℃條件下混煉均勻，壓成2 mm厚的板，用切刀切成2 mm×2 mm的小塊備用，按照GB/T32439附錄A制備剪切強(qiáng)度測(cè)試樣品。

1.2.2 鋼絲管的制備

鋼絲管芯管及外層采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的P600、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的2480、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的黑色母混配使用，芯管及外層擠出機(jī)的加工溫度為195 ℃；粘接樹(shù)脂（EN312）與PE80級(jí)高密度聚乙烯（2480）按照EN312/2480為50∶50（配方1）、30∶70（配方2）的質(zhì)量比復(fù)配稀釋使用，擠出溫度為230 ℃；管材型號(hào)為dn315，管材公稱壓力為1.6 MPa，控制管材的壁厚為13～14 mm。

1.3 測(cè)試表征

（1）鋼絲抗拉強(qiáng)度的測(cè)試。按照GB/T228.1測(cè)試所用鋼絲的抗拉強(qiáng)度；

（2）粘接樹(shù)脂與鋼絲剪切強(qiáng)度測(cè)試。按照GB/T32439，以50 mm/min的速率測(cè)試的最大拉力，計(jì)算剪切強(qiáng)度，以10 組樣品的平均值為剪切強(qiáng)度；

（3）管材剝離強(qiáng)度的測(cè)試：按照GB/T 32439附錄B，以100 mm/min對(duì)管材進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試。

（4）管材高低溫交變循環(huán)試驗(yàn)：將長(zhǎng)度為1.2 m、端面磨平、不用封口環(huán)封口的鋼絲管放入高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱，以-20 ℃×12 h、60 ℃×12 h為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)14次，在3、7、14個(gè)循環(huán)后測(cè)試鋼絲從端面穿出的長(zhǎng)度；

（5）管材的爆破：將長(zhǎng)度為1.2 m、端面磨平、用聚乙烯封口環(huán)對(duì)管端進(jìn)行封口，按照GB/T32439進(jìn)行爆破壓力測(cè)定；

（6）靜液壓測(cè)試：將長(zhǎng)度為1.2 m、端面磨平、用聚乙烯封口環(huán)對(duì)管端進(jìn)行封口，按照GB/T 32439進(jìn)行20 ℃、3.2 MPa、12 h以及60 ℃、1.92 MPa、165 h靜液壓測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 增強(qiáng)層鋼絲配置的設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 32439—2015要求，dn315鋼絲管應(yīng)該選用直徑0.6～1.3 mm的鋼絲；本研究選用直徑為0.9 mm的鍍銅鋼絲為增強(qiáng)材料。根據(jù)文獻(xiàn)［1］提出的力平衡法，纏繞鋼絲的總根數(shù)N可以由以下公式計(jì)算：

N=4ri（ri+ro）cosα3PN-σbprori-1d2σbgsin2α-σbp

式中：N為鋼絲最少根數(shù)（纏繞鋼絲的總根數(shù)），根；ri為復(fù)合管內(nèi)半徑，144.5 mm；ro為復(fù)合管外半徑，157.5 mm；PN為公稱壓力，1.6 MPa；α為鋼絲纏繞方向與軸向夾角，54.7°；σbp為聚乙烯計(jì)算強(qiáng)度，其拉伸應(yīng)變與鋼絲斷裂伸長(zhǎng)相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，16 MPa；d為鋼絲直徑，0.9? mm；σbg為鋼絲拉伸強(qiáng)度，經(jīng)測(cè)試為2 080? MPa。本次應(yīng)用的dn315鋼絲管的設(shè)計(jì)公稱壓力為1.6 MPa的鋼絲管，將上述數(shù)值代入，可以計(jì)算出理論的鋼絲的總數(shù)為306根。采用雙層鋼絲纏繞增強(qiáng)，為方便鋼絲的均勻排布，實(shí)際按照308根鋼絲排布，每層布置154根進(jìn)行生產(chǎn)。

2.2 不同稀釋比的粘接效果

表1列出了EN312添加50%、70%的PE80級(jí)管道專用料2480的粘接性能數(shù)據(jù)。

由表1可知，隨著粘接樹(shù)脂EN312比例由50%降到30%，鋼絲剪切強(qiáng)度的力值變化不大；但均大于GB/T 32439要求的13 MPa。可見(jiàn)，EN312經(jīng)過(guò)稀釋后對(duì)鋼絲仍具有優(yōu)異的粘接效果。從管材的剝離強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著EN312含量的降低，管材的剝離強(qiáng)度由30 N/mm增大到了39.8 N/mm，這可能是由于粘接層中PE80級(jí)管道料比例增強(qiáng)引起內(nèi)聚強(qiáng)度增大導(dǎo)致。圖1為2個(gè)配方管材的剝離狀態(tài)，均為粘接樹(shù)脂層內(nèi)聚破壞，說(shuō)明稀釋使用的EN312對(duì)芯管、外層及鋼絲均具有良好的粘接效果。

2.3 高低溫交變循環(huán)試驗(yàn)

鋼絲管端面需要采用PE封口環(huán)進(jìn)行封口處理，一方面避免使用過(guò)程中水從粘接樹(shù)脂層逐漸滲透，影響管材的承壓；另一方面緩沖鋼絲中殘留應(yīng)力的釋放避免鋼絲從端面穿出。高低溫交變循環(huán)試驗(yàn)可以加速鋼絲管中鋼絲殘留應(yīng)力的釋放，因此可以作為一種驗(yàn)證粘接樹(shù)脂對(duì)鋼絲粘接效果的加速試驗(yàn)方法。表2列出了2個(gè)配方粘接樹(shù)脂經(jīng)過(guò)不同時(shí)間在-20～60 ℃高低溫交變循環(huán)試驗(yàn)鋼絲從端面穿出的長(zhǎng)度。

由表2可知，即使經(jīng)過(guò)14 d高低溫沖擊循環(huán)試驗(yàn)，最大的穿絲的長(zhǎng)度僅為0.11 mm。鋼絲管端面的封口環(huán)的厚度一般為10～20 mm，如果封口后鋼絲穿出的長(zhǎng)度大于1 mm，會(huì)把封口環(huán)頂開(kāi)而影響管材的長(zhǎng)期使用。根據(jù)我們應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，鋼絲穿絲的長(zhǎng)度不大于0.5 mm，鋼絲管不會(huì)出現(xiàn)因應(yīng)力釋放鋼絲將封口環(huán)頂開(kāi)問(wèn)題。EN312添加50%、70%的PE80級(jí)管道料使用，管材經(jīng)過(guò)14 d高低溫沖擊循環(huán)試驗(yàn)后，鋼絲管端面鋼絲穿出的長(zhǎng)度短，具體如圖2所示。說(shuō)明EN312即使經(jīng)過(guò)稀釋，鋼絲管也表現(xiàn)出良好的抗穿絲性能，主要與EN312稀釋后對(duì)鋼絲仍具有良好粘接強(qiáng)度有關(guān)。

2.4 管材的爆破試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 32439—2015，鋼絲管的爆破壓力應(yīng)不小于3倍的公稱壓力。因此管材的爆破壓力要大于4.8 MPa。圖3為2個(gè)配方管材的爆破曲線。

從圖3可以看出，配方1、配方2管材的爆破壓力分別為9.2、8.7 MPa，均滿足了GB/T 32439—2015中大于了3倍公稱壓力的要求。

2.5 管材的靜液壓試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 32439—2015，鋼絲管靜液壓試驗(yàn)需要通過(guò)20 ℃、3.2 MPa、1 h靜液壓以及60 ℃、1.92 MPa、165 h靜液壓。圖4為使用50%、30%EN312稀釋的粘接樹(shù)脂管材進(jìn)行的20 ℃、3.2 MPa、12 h靜液壓曲線。2個(gè)配方粘接樹(shù)脂分別使用50%、30%的EN312與PE80級(jí)管道料稀釋使用，管材均通過(guò)了20 ℃、3.2 MPa、12 h靜液壓。圖5為2個(gè)配方的管材進(jìn)行的60 ℃、1.92 MPa、165 h靜液壓曲線。

從圖4、圖5可以看出，2個(gè)配方粘接樹(shù)脂使用50%、30%的EN312與PE80級(jí)管道料稀釋使用，管材通過(guò)了165 h的靜液壓測(cè)試，充分證明了EN312添加30%、50%比例與PE80級(jí)管道料稀釋使用，管材的靜液壓測(cè)試也可滿足GB/T 32439要求。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了dn315×1.6 MPa鋼絲管的鋼絲配置，以EN312分別添加50%、70%的管道級(jí)聚乙烯作為粘接樹(shù)脂制備了鋼絲管并測(cè)試了管材的主要性能。EN312添加50%、70%的管道料使用，管材的剝離強(qiáng)度、爆破壓力、20 ℃、3.2 MPa、1 h靜液壓、60 ℃、1.92 MPa、165 h靜液壓均達(dá)到GB/T32439標(biāo)準(zhǔn)要求；粘接樹(shù)脂添加管道料稀釋使用，為鋼絲管行業(yè)提供了一種新的粘接樹(shù)脂應(yīng)用方案。

【參考文獻(xiàn)】

［1］鄭津洋，李翔，施健峰.鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1-30.

［2］ 林秀鋒.鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［3］ 朱彥聰.鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管外壓失穩(wěn)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.

［4］ 饒靜.鋼絲錯(cuò)繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管爆破壓力研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［5］ 師俊.基于鋼塑界面脫黏的鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管接頭端部鼓脹失效研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2016.

［6］ 張超，孫運(yùn)國(guó)，韓群亮，等.鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管材在煤礦井下的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2009，28（3）：157-159.

［7］ 孔令輝，王立凱.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［J］.中國(guó)塑料，2017，31（4）：70-74.

［8］ 伍金奎，孔智勇，倪奉堯，等.鋼絲纏繞增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管的80 ℃靜液壓研究［J］.塑料工業(yè)，2021，49（11）：168-172.

［9］ 伍金奎，倪奉堯，孔德地，等.10 MPa鋼絲纏繞增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合管的制備及其性能［J］.塑料工業(yè)，2022，50（3）：160-164.

［10］ 張汝義.聚乙烯接枝馬來(lái)酸酐共聚物粘接性能的研究［J］.粘接，1995，16（3）：13-14.

［11］ 趙連國(guó)，劉洋，張良均.馬來(lái)酸酐接枝茂金屬聚乙烯制備及其粘接性能［J］.粘接，2011，32（1）：58-63.

［12］ 李文，張華華，閆瑞濤，等.熱熔膠用馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2016，5（9）：2845-2849.

［13］ 杜壯，唐舫成，馮金茂，等.粘接樹(shù)脂在鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)聚乙烯熱水管中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)膠粘劑，2018，28（2）：34-35.

［14］ 劉光遠(yuǎn)，王豐武，汪義輝，等.馬來(lái)酸二丁酯接枝高密度聚乙烯及其在粘接樹(shù)脂中的應(yīng)用［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2021，37（12）：17-23.

［15］ 伍金奎，倪奉堯，孔智勇，等.一種鋼絲管粘接樹(shù)脂及其制備方法和應(yīng)用［P］.202110550670.0，2021-05-20.

［16］ 伍金奎，倪奉堯，孔智勇，等.可稀釋使用鋼絲管粘接樹(shù)脂的性能及其應(yīng)用研究［J］.粘接，2021，47（9）：8-12.