钢增强塑料缠绕熔接管的耐久性分析 - 文章

钢增强塑料缠绕熔接管的耐久性分析

作者：张玉川吴精华蒯一希陈绍江

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我国在铺设大直径埋地排水管时，常采用钢增强熔接结构壁管，这种管材具有很高的环刚度，还能显著降低原材料的消耗。针对这种壁管的可靠性，本文从力学分析和破坏模式方面对其做了详细的分析，并介绍了如今国内产品的主要种类。

近年来，我国塑料埋地排水管发展迅猛，广泛应用于各地排污水和排雨水的工程之中。由于国内预防和治理环境污染方面的基础建设刚刚起步，距离建成普及全国城乡的现代排水管网的目标还有很大差距，因此塑料埋地排水管的市场前景十分广阔。

塑料埋地排水管主要采用各种塑料结构壁管。其中，中小直径的塑料埋地排水管主要采用聚氯乙烯、聚乙烯或聚丙烯的双壁波纹管；大直径的塑料埋地排水管主要采用各种缠绕熔接结构壁管。

在早期，国内市场上出现的一般是全塑料的缠绕熔接结构壁管，很多企业生产被称为“中空壁管”的聚乙烯缠绕熔接结构壁管。如今，在大直径埋地排水管领域内，则越来越多地采用钢增强缠绕熔接结构壁管（以下简称“MRP”）。而MRP逐步成为该领域主流产品的原因，在于它可以达到高的环刚度，并且能够显著地降低原料的消耗。

面对MRP的大量生产和应用（尤其是大直径MRP通常被用作管网的主干管道），其可靠性越来越为人所关注。目前，MRP的短期可靠性已经为各地实践所证明，凡是按照标准规范制造和铺设的MRP，都显示出了优良的结构特性，即使在很恶劣的使用条件下（例如埋设很深或极浅时），MRP也能够安全地承受所加负载。然而，由于MRP在国内的使用时间不长，因此还没有能够证明其长期使用下可靠性的实例。鉴于此，本文将从力学分析和破坏模式入手，来探讨MRP的可靠性问题（包括短期可靠性和长期可靠性）。

MRP承受负载的机理

当MRP应用于埋地排水管时，它承受的负载主要来源于管上土壤和交通负载所造成的外压。作为一种柔性管，外压负载是由管土共同作用来承受的。对埋地柔性管的基本要求是要具有足够的刚度，以防止在负载下产生过大的变形和压屈失稳。

全塑料大埋地排水管的环刚度，完全决定于其材料的弹性模量和管壁的惯性矩。根据ISO对于环刚度的定义（ISO 9967）：

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S：环刚度；
E：弹性模量；
I：惯性矩；
D：管环的平均直径

MRP的问题则显得相对复杂。从理论上讲，增强的钢肋和连接覆盖的聚乙烯部分对环刚度都起作用，要想详细计算出MRP的环刚度、钢和聚乙烯的弹性模量及惯性矩的精确数字，是十分困难的。尤其因为钢是弹性材料，其弹性模量是恒定的，而聚乙烯是粘弹性材料，其弹性模量会随着承受负载的时间而变化，所以这两者对于MRP的作用表现出不恒定的关系。

基于以上原因，MPR的承受负载问题看似说不清，其可靠性有待考量。然而，工程问题不是纯理论问题，只要判明起决定性的基本规律，推导出能保证安全的设计计算方法即可。实际上，工程问题依据的所有理论力学和材料力学都建立在合理的简化假定上。

在对MRP进行力学分析后可知，决定其环刚度的是钢肋部分，而聚乙烯部分对于环刚度的作用可以完全忽略。其原因是：

1. 钢的弹性模量和聚乙烯的弹性模量相差近200倍。钢的弹性模量约为200000MPa，聚乙烯的弹性模量约为800MPa。

2. 聚乙烯是粘弹性材料，具有在恒应变下应力逐步松驰的特性。在MRP中，与钢肋复合的聚乙烯层的应变，由于受到钢肋的束缚而处于恒定应变状态，必然会出现应力松驰。

因此，MRP的承受负载问题可以合理地简化为：视其环刚度完全由钢肋决定，忽略聚乙烯部分对承受负载的作用。在这种情况下，MRP的力学性能就相当于波纹钢管（有聚乙烯防腐覆盖层）。而对于MRP破坏模式的实验，可以进一步证明这一结论。

MRP破坏的模式

生产MRP的企业都需要按照产品标准要求来测定MRP段的环刚度，并检测其环柔性。由于条件限制，至今国内对于MRP的研究只限于平板之间的压缩试验。这些试验可以证明决定其环刚度的是其钢肋部分：钢肋厚度和波形的细微变化会引起环刚度的明显变化，而聚乙烯层的变化对于MRP的环刚度几乎没有多少影响。

国外采用沙箱试验来测试MRP。沙箱试验装置的基本结构是一个钢结构的箱体，相当于一段管沟。将测试管道按照设计要求，用回填材料埋在其中，然后在顶部用液压缸加上负载（模拟土重的负载和交通负载），观察和测量管道的变形及破坏情况。

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图1 沙箱试验示意图

澳大利亚的RIB-LOC公司开发了现场缠绕、外加钢肋增强的塑料埋地排水管（MRP的一种），并于1996年委托美国犹他州大学工程学院埋地结构实验室对其进行了一系列沙箱试验。选择的变量是土壤的种类、土壤的密度（压实），以及模拟土壤覆盖的垂直土壤负载，测试管材的直径分别为750mm、1900mm和2000mm，观察其环向变形和任何可见的损伤迹象。该试验报告的结论如下：RIB-LOC管材的行为基本上和低刚度波纹钢管的行为相同。这是因为，钢肋的刚性比附属的聚乙烯管材要大得多，刚性较大的钢肋基本上承受了所有的负载，因而钢肋的行为就是管材的行为。RIB-LOC管材的负载-变形曲线和其他塑料管道的负载-变形曲线不相似，而和低刚度波纹钢管的负载-变形曲线相似。垂直负载（覆盖深度决定的静负载加上活负载）不能过大，以免因该负载所产生的环向压应力而致使钢肋屈服。在计算环向压应力时，应该设想钢肋承受所有的负载……。

可以看出，MRP的沙箱试验证明了前面对其承受负载机理的分析：决定环刚度的是钢肋部分。因此，根据上述的理论分析和试验结果，我国在制定MRP工程技术规程CECS 223时，在设计计算中采用了金属波纹管的计算理论和力学模型。

MRP可靠性的基础

因为MRP和低刚度波纹钢管的行为基本相同，所以其短期可靠性取决于钢肋在承受负载下，不发生引起压屈失稳的屈服应变，长期可靠性取决于钢肋不发生腐蚀破坏。除了没有金属增强的局部外，MRP的可靠性总体上不依靠聚乙烯部分。

短期可靠性取决于钢肋在承受负载下不发生屈服。因此，MRP需要合理的设计和正确的铺设，保证不在钢肋中形成过大的应力，以免由钢材的屈服应变引起MRP的压屈失稳。众所周知，柔性管承受负载依靠管土共同作用，铺设的好坏对其有决定性的影响，管材有足够的环刚度只是保证管土共同作用的基础条件，不能因为MRP的环刚度较高而忽视铺设方面的要求。

腐蚀破坏决定了MRP的长期可靠性。在MRP的结构设计中，必须对防止钢肋腐蚀给予足够的重视。RIB-LOC公司在早期开发MRP时，其增强钢肋外露没有保护，当这种设计被引进到中国时便受到了质疑。如今，RIB-LOC公司生产的MRP（Rib-Loc Series 2000）采用了把增强钢肋包封在聚乙烯内的新结构设计，而国内生产的类似产品也在增强钢肋上加了防腐措施。

钢在很高的温度下才会发生蠕变，因此，在管道工程中一般不考虑钢管的蠕变破坏，公认其长期和短期的力学性能不会发生明显变化。鉴于此，也无需担心力学性能相当于波纹钢管的MRP的蠕变破坏问题。只要钢肋不会因腐蚀受损，长期使用后MRP的环刚度和强度都可以保持不变。

MRP塑料部分的要求

虽然MRP力学性能相当于波纹钢管（有聚乙烯防腐覆盖层的），可以完全忽略聚乙烯部分对其承受负载的作用（对于环刚度的贡献），但并不意味着塑料部分对于MRP的可靠性无关紧要。

首先，塑料部分是防止MRP钢肋腐蚀的基本措施，能把钢肋和输送的流体与周围的土壤可靠地隔离开。

同时，塑料部分是保证MRP结构完整性的基础。在没有钢增强的局部部位和方向上（抗轴向弯曲），需要依靠塑料来提供强度和刚度。通常，在MRP中增强的钢肋是螺旋形的，本身没有形成连续封闭的结构（除了韩国的一种MRP设计），这种螺旋形钢肋之间有部分塑料层未得到增强，因此塑料部分必须有足够的厚度和强度把承受的负载（如土壤的挤压负载）传递到钢肋。

除此之外，MRP在轴向可能承受的弯曲负载（如由于轴向不均匀的沉降）也需要塑料层来承受。所以，在MRP的产品标准中，对于塑料层的尺寸（厚度和未增强的跨度）以及所用聚乙烯材料的性能有较高要求（必须按标准要求采用熔接性好的管材专用料）。实践证明，只要设计和工艺合理，并按照标准制造，MRP的塑料部分也是可靠的，而偷工减料（减薄塑料层或采用回收杂塑料）则会导致塑料层出现开裂等破坏现象。

和全塑料的缠绕熔接结构壁管一样，MRP有很长的熔接缝（尤其是缠绕带很窄的设计），熔接缝的强度十分关键。一般，缠绕熔接结构壁管的熔接有两种工艺，一种是在高温下，加压熔接刚挤出还处于粘流态的聚乙烯带；另一种是将已经冷却的聚乙烯带表面局部加热，再用挤出熔融聚乙烯料进行熔接。实践证明，前一种工艺比较可靠，容易保证熔接界面融为一体所必需的温度、压力等条件，且符合聚乙烯热熔焊接的原理（实现大分子热扩散和缠绕）。所以我国在推广使用全塑料的缠绕熔接结构壁管后，采用后一种工艺的“中空壁管”经常出现熔缝开裂的事故，而采用前一种工艺的“克拉管”则未出现过熔缝开裂事故。

钢和聚乙烯的热膨胀系数相差很大，是否会影响MRP的可靠性？从各国管道业长期的实践经验中可以找到答案。众所周知，铝塑复合管在国际上的应用一直呈现上升趋势，尤其是在欧洲的冷热水管领域中，近年来占的比例越来越大。铝塑复合管是由热膨胀系数相差很大的铝和聚乙烯复合制备，且工作温度变化较大（从常温到60~70℃），但其可靠性并没有受影响。其原因在于，虽然聚乙烯热膨胀系数大，但其弹性模量小，与铝复合后聚乙烯的膨胀和收缩被铝层所束缚，因此聚乙烯层内形成的应力不大，不会影响到可靠性。

同样，如今在管道修复中（被修复的管道包括钢管、混凝土管等），经常采用的衬塑料管方法（不论是有间隙的滑衬，还是各种方法的紧贴衬管）也存在热膨胀系数相差很大的问题。从铝塑复合管的经验可知，钢和聚乙烯热膨胀系数不同不会影响MRP的可靠性，尤其是因为MRP主要应用于埋地排水管，在埋地环境下温度变化极小。螺旋面管端的MRP在铺设前，如果暴露在日夜温差很大的环境中，可能在管端切断处出现钢肋和覆盖的聚乙烯层因为热膨冷缩而脱离或长短不齐的现象（垂直轴线的平面管端MRP没有这种现象），实践证明这也并不影响其可靠性。

MRP连接的可靠性

MRP的连接有多种方法。按照管端形式分为两类：螺旋面管端和平面管端（垂直轴线的）。螺旋面管端MRP的连接方法有热熔挤出焊接、卡箍加密封带的机械式连接和热收缩套（带）连接等。平面管端MRP的连接方法有承插式密封圈连接、法兰端用剖分卡箍连接或对接熔焊连接，以及承插式电熔连接等。各种方法都有其优点和缺点，分别适用于不同的条件和场合。对于连接方法来说，最重要的要求同样是可靠性。

埋地排水管道系统最常出现的问题是连接处的泄漏。泄漏不仅会污染环境（污水漏出）、增大污水处理费用（地下水漏入），还可能造成管道周围土壤流失（破坏管土共同作用）、引起管道破坏，以及地面塌陷等严重后果。所以，在发展MRP的同时，必须开发出可靠而又方便经济的连接方式。

近年来，我国在开发MRP连接方法方面做了很多探索，取得了很多经验。平面管端MRP的连接方法非常值得推广，尤其是方便铺设的承插式密封圈连接。

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图2 承插式密封圈连接

MRP在中国的发展

由于人口众多且居住密集，因此中国需要新铺设大量埋地排水管，其中大直径埋地排水管的需求比例较大（发达国家的排污水管通常直径不大），促使MRP在中国的发展较快。

与全塑料的缠绕熔接结构壁管比，MRP可以达到更高的环刚度，通常超过10kPa，而大直径全塑料的缠绕熔接结构壁管的环刚度常低至4 kPa以下。另外，MRP的材料和能源消耗少、生产成本低的优势非常突出。所以，在大直径（500mm以上）埋地排水管领域，MRP逐步成为主流是必然的趋势。为了贯彻可持续发展的方针，应该鼓励和支持发展MRP，通过不断的研究和开发，改进产品的结构设计（包括连接方法），完善相关的标准规范，使MRP的应用领先于世界。

目前，中国生产的MRP主要有4种产品：

A型——埋地排水用钢带增强聚乙烯（PE）螺旋波纹管：产品标准为CJ/T 225-2006，技术规程为CECS 223:2007。

该产品由四川金石东方新材料设备有限公司于2003年自主开发。产品类似于日本KANAFLEX公司的MRP产品，产品标准接近于ASTM F2435-05 Standard Specification for Steel Reinforced Polyethylene (PE) Corrugated Pipe，目前在国内已经有超过100条生产线，且已出口到以色列、土耳其、苏丹、意大利和俄罗斯等国。

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B型——埋地钢塑复合缠绕排水管材：产品标准为QB/T 2783-2006，技术规程为CECS 210:2006。该产品由福建亚通新材料科技股份有限公司于2005年自主开发，它类似于RIB-LOC的早期产品。

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C型——聚乙烯塑钢缠绕排水管：产品标准为 CJ/T 270-2007，技术规程还在制定中。该产品由哈尔滨工业大学星河实业有限公司于2007年自主开发，它类似于RIB-LOC近期的MRP产品（Rib-Loc Series 2000）。

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D型——埋地双平壁钢塑复合缠绕排水管：产品标准和技术规程还在制定中。该产品由成都国通实业公司于2008年自主开发。

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这4种MRP的结构设计各有特点，也都在继续改进中。其中，A型的结构设计在保证可靠性方面具有如下优势：

1. 增强钢肋采用的波形断面形式合理，不仅在环向上可保证高刚度（惯性矩），同时在管材的轴向（横向）上也具有足够的刚度，不会在受到横向力时失去稳定。

2. 钢肋表面经过预先涂塑（粘接树脂），再覆盖粘合一层熔融态聚乙烯层(参照油气长输钢管的防腐结构)，能够较好地保护钢肋不受腐蚀。即使有水进入到外聚乙烯层下或中空腔内（MRP内壁被破坏），钢肋还有涂塑层保护。有的企业采用镀锌钢板为基材，进一步提高了抗腐蚀的可靠性。

3. 上下有两层的熔接缝是在刚挤出还接近熔融态的聚乙烯带之间形成的，熔接时的温度和压力能保证熔接缝界面分子缠结焊牢，因此熔接缝的强度高而可靠，管材整体性好。

4. 采用在管端局部附加缠绕聚乙烯料后再机加工的方法，或者采用在螺旋面管端对接熔焊上用实壁管机加工平面管端的方法，可以实现平面管端的各种连接。

5. 试验证明，在钢肋之间没有增强的聚乙烯部分具有足够的强度。其中：

试验1——波谷承受外压试验：在环刚度试验机上，采用特制的垫块对MRP管段的波谷（全塑料）处单独加压（外压负载全部通过没有增强的塑料部分传递到钢肋），使MRP变形量达到30%，试验结果表明，管材无一处破裂。

试验2——抗轴向弯曲试验：将MRP简支在相距约3倍管径的两个支垫上，采用特制的门架在支垫中间点集中加压，强使MRP轴向弯曲变形，压下量达到0.3倍管径，试验结果是管材无一处破裂。

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6. A型MRP已经在日本、意大利、以色列等多国生产和应用，并在不断改进（如采用不同的承插连接结构设计）。美国ASTM已经制定并发布此型MRP的标准。

在中国，由于埋地排水管绝大部分是“雨污合流”，所以，大直径埋地排水管的可靠性显得非常重要。至少在近期内，国内大直径埋地排水管绝大部分都必须达到排污水管的高要求，以保证完全不泄漏并严防腐蚀。在学习和借鉴国外大直径埋地排水管的经验时，必须注意到国外有些大直径埋地排水管（包括MRP）的结构设计是专用于排雨水管的，只有正确设计和规范制造才能保证MRP的可靠性。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/19/2012)


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