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应用旋塑技术的钢塑复合中空材料 |
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作者：刘伯元 陈更新 汪根林 来源：中国塑料橡胶 |
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钢塑复合中空材料的概念及工艺
钢塑复合中空材料是一种结构型的复合材料，具有钢的优良物理机械性能和塑胶的优良化学性能，克服了钢铁不耐腐蚀、塑胶刚性强度不足的缺点，并且可避免冷热收缩、膨胀而脱层的弊端。
按塑胶与基体结合的工艺，钢塑复合中空材料包括钢涂塑或钢衬塑。钢涂塑指塑胶喷涂在钢构件的外表面，层厚较厚，一般在1-5mm之间；钢衬塑指钢构容器内表面添加一层塑胶，层厚在5-10mm以上。工艺有塑板（塑管）胶粘复合、喷涂、滚塑涂等。
埋塑防腐技术是应用於钢构件外表面的涂塑防腐技术。它的工艺是这样的：将一钢构件用火均匀加热，大致整体温度达到180℃，把它埋在塑胶粉末堆 ，由钢铁放热吸附塑胶粉末，约十分钟後，在钢构件表面形成一层约与钢板等厚的塑胶层；取出工件，表面有一层未熔融粉粒，用火对其扫描式加热，使之熔融成光滑的表面层。
对与产品配套的管道、管件内衬塑也可用此法。把工件均匀加热到180℃，把塑胶粉末灌满内腔，数分钟後把未熔塑胶粉末倒出来，在工件外表用火把加热，让它全部熔融，形成内表光滑的塑胶层。
上述以防护为目的的涂、衬塑，对小工件适用，但对大口径管道、大容积容器的内衬就不适合，主要原因是塑胶层在冷却收缩时产生的内聚应力，往往大於塑胶与钢铁的粘结力，会出现钢塑介面分离。而钢塑复合材料 增加钢网，把整体塑胶层的收缩内聚应力分散限制在网格小范围内，加上钢网焊接在钢板上，就不会因塑胶收缩而引起钢塑介面分离。
钢塑复合中空材料的制作
钢塑复合中空材料是中式旋塑制造大型钢塑复合容器（如储罐等）、钢塑复合化工设备、大口径多层钢塑复合管的材料。作为钢塑复合制品壁的材料，其制造工艺为中式旋塑制造钢塑复合制品的生产工艺。
以大口径钢塑复合管为例，生产工艺流程如下：
一、钢桶体制作：1. 钢管卷制；2. 承插口、滚圈制作；3. 钢网铺设、焊接； 4. 承插口焊接、胀圆；5. 上滚圈。
二、塑胶预处理：1. 塑胶原料领取过秤；2. 筛选、去粗、混合、补足（补足筛选过程中的除去部分）；3. 入模（管）；4. 合模。
三、上机热成型：1. 气路检查；2. 上机；3. 机械检查；4. 调整火把距离；5. 试转；6. 点火；7. 随时观测火力及模内情况，及时调节到最佳状态；8. 确认、停火。
四、冷却：1. 停火不停机、保温流平；2. 吹风冷却；3. 喷淋冷却；4. 常温冷却、停机。
五、下机开模：1. 下机；2. 去滚圈、开模；3. 打磨修整产品。
六、外表面喷涂聚脲防腐。
七、成品入库场。
这一新技术具有三个特点：
1. 从复合方法看，运用旋塑工艺复合是新方法，不用胶粘剂，不用现成的管、板材料。
2. 从材料的复合结构形式来看，采用多层钢塑整体复合，是一种钢、网、塑通过焊接结构，滚塑形成的新型钢塑复合材料。
3. 从材料性能来看，属强韧型新复合材料，具有革命意义的更新换代性能，能促进相关行业的发展。如，既耐压又耐腐蚀的大口径钢塑复合管道被看作是世界级的难题，大口径多层钢塑复合管的专利获国际金奖。
钢塑复合中空材料的性能研究
这一结构型钢塑复合材料是我们首创的一种新材料，它的力学性能没有现成的数据可查。为了科学、合理、经济地设计各类钢塑复合材料的容器壁厚，我们自制样块、自行测试、研究得出以下结论。
化学性能：因内面是复合的聚乙烯塑胶层，外面喷涂聚脲，它在使用过程中的耐腐蚀性与纯聚乙烯等效。
拉伸、压缩力学性能：经测试，其拉伸强度和压缩强度与纯钢铁等效。聚乙烯塑胶的强度与钢铁的强度差距一个数量级，因此在复合材料拉伸、压缩时，塑胶的强度不影响整体强度。
弯曲力学强度：从对比数据看，其弯曲强度值小於钢板，大於塑胶板；值的大小取决於复合体内钢的含量百分比。钢含量高，强度值大。但塑胶层改善了钢的受力状况，钢塑复合板的弹性、韧性是纯钢板不可比拟的。
弯曲强度计算
◎钢塑复合材料板的弯曲强度测试规范及计算公式：根据ASTM D790（英国A.B.格兰维尔着，《塑胶工程手册》）。
σ=3×W×s/2×a×t
式中：
σ—弯曲强度（kg/m2）
W—施压荷载（kN/kg）
s—计算参数，其值为弯心加2t，弯心为tcm
t—样板的厚度（cm）
a—样板的宽度（cm）（现a统一为6cm。）
◎钢塑复合材料的强度计算公式：参照一般复合材料强度计算公式—混合法公式如下：
σ= σ1 v1 e1 + σ2 v2 e2
式中：
σ—钢塑复合材料板的强度（Mpa）
σ1—钢板的强度（Mpa）, 取370；
v1—钢占体积百分数%；
e1—钢板厚（cm）
σ2—塑胶的强度（Mpa)，取34；
v2—塑占体积百分数%；
e2—塑层厚（cm）
◎经23样块测试计算和公式计算，发现测试压距为0.5cm时的强度数值，与混合法公式计算所得数值基本一致，其差数都在±5%以内。因此混合法可作为钢塑复合材料的强度计算公式。
钢塑复合材料板的受力情况
以3号板为例。它的公式计算弯曲强度，比测试计算弯曲强度仅负2.4%。从它的应力—应变曲线走向看，它没有屈服点，但形变达到厚度的百分之三十後，强度的增加率明显减缓，整个线形与高聚物的应力—应变曲线接近。对照高聚物五种类型的应力—应变曲线图，介於强硬（初始直线夹角70°）和强韧（初始直线夹角75°）之间，它为72°。
近年来，旋塑（滚塑）成型技术发展迅速，在材料、成型技术等领域都有飞速发展。图片摄於无锡市海溪防腐设备有限公司。
表1 3号板应力—应变曲线数据，该板厚3.1cm（钢1.1，塑2.0）作基准
从上述情况可见，钢塑复合中空材料的力学性能趋近高聚物的力学性能。从样块强度数据分析，最佳钢塑比的样板的强度数据为113-135Mpa之间，与压力容器钢材许用强度114Mpa一致。也就是说，钢塑复合中空材料可制造压力容器。
由此可见钢塑复合材料既具有钢铁的强度、硬度，像钢那样能承受压力；有塑改善钢的受力状况，使它具有塑胶样的弹性、韧性、耐腐蚀性，是一种理想的新材料。
钢塑复合材料 钢、塑最佳配比
从23块的力学性能测试、计算、分析之後得出以下结论：
1、钢塑复合材料的强度与钢含量的百分比有关。钢含量高，强度大；当荷载超过钢的屈服点後，塑胶含量高，弯曲反弹力大。
2、钢含量的重量百分数，体积数，厚度百分数的数值是一致的。因此，从简便、实用角度考虑，可采取厚度百分比计算。
3、钢、塑含量的体积比，截面积比，厚度比的比值是一致的，因此，可采用厚度比。
4、钢、塑含量的体积比，与重量比的数值不一致。23块样块的钢、塑体积比从50：50到10：90，重量比从89.7：10.3到49.2：50.8。经分析，钢、塑最佳体积比为25-30：75-70；重量比为75-70：25-30。
5、产品配方确定钢、塑比，要以理论计算为基础，结合可加工性和必要性两方面的实际而定。如，钢板的可焊接加工厚度要求在4mm以上，塑胶层厚在10mm以上。一般在15mm左右，或钢网厚的三倍。钢网厚不是指制作钢网的钢板厚，而是指平放在两平面之间钢网的相对厚度。
钢塑复合制品的成本研究
钢塑复合中空材料 钢塑含量的基础计算
因为取定长a、定宽b的钢塑复合板 ，只有钢的层厚e1，塑的层厚e2是变数。因此，在钢塑复合板 钢塑体积比abe1：abe2，钢塑截面积比be1：be2，钢塑层厚比e1：e2的比值是相等的。它们的百分含量值也是相等的。
公式为：钢、塑各自厚e÷钢塑板总厚t×100%
钢塑复合制品的壁厚e（δ）设计及定价
钢塑复合中空材料的存在形式是具体的钢塑复合容器或其他物体的壁。以容器为例，钢塑复合中空材料必须既耐腐蚀又耐压。在使用中，以钢承受工作压力；以塑防腐蚀、防渗漏、增韧改善钢材的力学性能。因此，设计钢塑复合容器壁厚，第一步：按容器的使用压力计算钢板厚（δ）；第二步：按钢、塑最佳比确定钢、塑各厚多少；第三步：以钢、塑当时的市场价计算成本、确定销售价格。
下面以口径DN为3000mm的钢塑复合管为例，进行计算：
设：DN—3000mm，工作压力0.3Mpa，设计压力P—1.0Mpa，
钢许用应力【σ】—235Mpa， 焊缝系数Ф—0.9。
求：该管的壁厚 δ（e）—mm。
代入公式：
δ=P×D/2【σ】×Ф
=1.0×3000/2×235×0.9
=3000/423=7.1(mm)
按计算结果，该管道用7mm钢板，15mm厚的塑层就可以。
下面换个角度思考，【σ】取钢塑复合材料的测试平均强度—114Mpa，Ф取1，代入公式：
δ =P×D/2【σ】×Ф
=1.0×3000/2×114×1
=3000/228=13.1（mm）
按计算结果，该管道用13mm钢板，15mm厚的塑层就可以。钢占46%，实际【σ】可达140Mpa。
假如再以【σ】—140Mpa
代入公式，
δ =P×D/2【σ】×Ф
=1.0×3000/2×140×1
=3000/280=10.7（mm）
从上述三次计算结果看，该管可以钢板取10mm，塑层厚18mm。
以上是从内压的角度考虑的理论计算，有了设备还要整体做压扁试验，进行环刚度计算与看它的耐外压试验情况，然後进一步完善钢塑复合管的管壁设计公式。
按上面管壁结构和成本、定销售价，先求1m长的成本。
钢的重量（kg）/m=7.8(g/cm3)×钢板厚e1cm×总面积abcm2÷1000
=7.8×1×(300×3.1416×100）÷1000
=7.8×1×94248÷1000
=73513÷1000=735（kg）
钢成本y1（元人民币，下同）m=钢单价n1（元/kg）×钢重量w1（kg）
=5×735=3676（元）
塑的重量（kg）/m=0.895(g/cm3)×塑层厚e2 cm×总面积ab cm2÷1000
=0.895×1.8×94248÷1000
=151833÷1000=152(kg)
塑成本y2（元）m=塑单价n2（元/kg）×塑重量w2(kg)
=13×152=1976(元)
合计1m管成本：3676+1976=5652（元），以25%毛利计，1m钢塑复合管售价7065（元）。可以报的市场平均接受价为1万元/米。
钢塑复合管的环刚度研究
管道环刚度是承受外压力的重要数据。关於管道环刚度测试计算公式有二个：
ISO 9966 S= （0.0186+0.025y/d） F/Ly 全塑的S=（0.1488+0.02y/d） F/Ly
S—环刚度kN/m2
D—内径m
y—变形量m
F—压力荷载kN
L—受压管圈长m
DIN16961 S=F/dL×ξ
S—环刚度kn/m2
D—内径m
F—压力荷载kn
L—受压管圈长m
ξ—变形系数，
查表得（一般以内径5%的变形率为准，ξ取值0.1568，结果与ISO法的计算结果不一致，由於测试设备陈旧，因变形率与变形系数相对应不很准确，计算结果也不准确。）
在2006年10月，作了六个样管到西塘色机厂理化室作压力测试，现将情况列於表2。表2 六个样管的压力测试
 说明：1、该批样管的钢管均为无缝钢管。壁厚5mm的内径为130mm，壁厚3mm的内径为154mm。本次测试计算采用ISO法。
2、y—变形量m，标准为内径的5%。也就是测试压距，内径的绝对变形量。
3、纯塑指纯的LLDPE；白塑指白色改性料；黑塑指黑色改性料。
4、这批试验有多个项目，分析情况见下文。
环刚度试验计算、对比、分析情况：
1、1号与2号比。结构材质一样，壁厚不一样。壁厚增加40%，而环刚度增加63.5%。
2、4号与1号比。钢管壁厚一样，衬塑比不衬塑，环刚度增加39.6%。
3、3号与2号比。钢管壁厚一样，焊钢网的比不焊的，环刚度增加19.1%。
4、3号与5、6号比。钢管壁结构一样，衬塑的比不衬塑的，环刚度分别增加44.3%、23.7%。
5、2号与5、6号比。钢管壁结构一样，有网塑的环刚度分别增加71.8%、47.3%。
6、4号与5、6号比。钢管壁结构一样，纯塑比改性料环刚度分别增加55.1%、61.5%。
7、5号与6号比。管壁结构一样，白色改性料比黑色改性料环刚度增加14.3%
8、从平均1mm壁厚的ISO值来看，含钢量高，ISO值大，与1一致。
从上述分析可以得出几点结论：
1、从增加环刚度的角度看，增加塑胶层厚不是好办法。增加钢板厚的效果比较好。
2、钢塑复合的目的在於解决塑胶不耐压的弱点。塑胶层在钢塑复合材料 的功能，只能定位於防腐蚀、防渗漏、增加钢材的弹性、韧性，即改善钢板的受力情况。
3、钢网在钢塑复合材料 有增强作用，更重要的作用在於维持塑胶层的完整性和保持钢塑层面的粘结性。
4、从测试样管看，压到两壁面相碰钢塑介面没分裂脱开，塑层没裂缝。因此钢塑复合管无论怎样破坏都不可能把它彻底破坏掉。
管子埋地後的综合力学特性，即管顶受到的垂直压力计算公式。
F=DLKd(Fsv.k+ΨqqvkDo)
式中：
F—埋地每延米管道管顶上的垂直总压力（kn/m2）
DL—变形之後效应系数，根据管道胸腔回填密度可取1.2-1.5
Kd—管道变形系数，通常可取0.083-0.1（本公式是塑胶管的）
Fsv.k—每延米管道管顶上的垂直
Fsv.k = γs.Hs. Do
γs —回填土重力密度（带砂黄土可取γ（伽马）=18kN/m3）
Hs—管顶至设计地面的覆土高度（m）
Do—管道外径（m）
Ψq—管顶上动载荷准允系数可取0.5
qvk—地面车辆载荷传至管顶单位面积上的竖向压力标准值（kN/m2）（注：该值的具体计算公式参见“CECS164:2004”标准。）
试算假设：外径Do——4m； 覆土高度Hs——5m：则：
Fsv.k= rs.Hs. Do
=18×4×5=360kN/m2
∴F=DLKd(Fsv.k+ΨqqvkDo)
=1.2×0.1×(360+0.5×1×4)
=0.12×(360+2)=0.12×362
=43.44kn/m2(1kn=100kg)
3mm厚钢板的钢塑（黑塑）复合管的ISO200.0kn/m2其值大於43.44kn/m，可见钢塑复合管的埋地後的综合力学特性可以满足使用要求。这有力的证明钢塑复合管优於钢管的是耐腐蚀性好；它优於塑胶管的是耐压力性好。
以後有条件还需做“模拟砂箱法”检测样管顶上施加预设压力（kN）。公式：Fto=F×L
Fto—管顶上施加预设压力
F—使样管在垂直方向外径变形量为原外径的30%的载荷（kN）
L—样管长度（m）
压缩速度：（mm/min）(没破裂为合格)。
利用滚塑成型技术也可以成型具有一定柔性的多色制品。图片摄於无锡市海溪防腐设备有限公司。
钢塑复合管是一种新型结构型复合管材，从制造上看，它增加了一个由钢丝网焊结的过渡层。从性能上看，它既有钢铁的强度，又有塑胶的韧性和防腐，更重要的是它把整体塑胶层的收缩内聚应力分散限制在网格小范围内。在任何情况下（实验时把钢塑复合管压扁）钢塑都不会介面分离。
钢、塑层的厚度通过计算，一般钢层厚几毫米到十几毫米（4mm以上），塑胶层厚十几毫米到20、30毫米（一般10mm以上）。
钢塑复合管受压情况，从实验看一般排水管、供水管都可以承受，最大可以达到承受113-115Mpa之间，可以达到压力容器的标准114Mpa。
钢塑复合管的环刚度，经过计算与实验，因为有钢板层，一般都为S= 43kN/m2，大大超过4-8。(end)
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(9/11/2009) |
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