[發(fā)明專利]預防端部鼓脹失效的鋼絲增強熱塑性塑料復合管及制造方法

有效

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• 申請日: 2022-02-05
• 公開（公告）號: CN114607844B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發(fā)明（設計）人: 施建峰;王中震;鄭津洋;葛周天
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F16L9/147
• 分類號: F16L9/147;B29D23/00
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

本發(fā)明涉及熱塑性塑料復合管道領域，旨在提供一種預防端部鼓脹失效的鋼絲增強熱塑性塑料復合管及制造方法。該復合管包括熱塑性塑料內(nèi)層、包覆于熱熔膠中的鋼絲增強層、熱塑性塑料外層，各相鄰結構之間緊密結合；鋼絲增強層至少有一層，是由多根鋼絲螺旋交錯纏繞編織形成，具有由不同纏繞方向的鋼絲相交形成的交點；位于復合管兩個端部最外側的沿周向布置的交點，是以焊接方式實現(xiàn)固定連接。本發(fā)明從機理上避免了復合管服役過程中可能出現(xiàn)的鋼塑界面脫粘、鋼絲抽離現(xiàn)象，避免了端部鼓脹失效的發(fā)生。本發(fā)明無需對復合管進行翻邊等處理，工藝流程更簡單；處理后的復合管具有通用性，能夠適用現(xiàn)有的各種接頭連接方式。

技術領域

本發(fā)明涉及熱塑性塑料復合管道領域，特別涉及一種預防端部鼓脹失效的鋼絲增強熱塑性塑料復合管及制造方法。

背景技術

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，油氣資源的需求日益增大。管道運輸作為一種承載能源流動的主要運輸方式，憑借其一次性投資、低成本運營、安全程度高、適合長距離輸送等優(yōu)勢成為油氣資源開發(fā)利用的重要環(huán)節(jié)。除了油氣運輸外，壓力管道也被廣泛用于城鎮(zhèn)供水、供熱、燃氣輸送、排污等各個領域。壓力管道包括金屬管、非金屬管、復合管。金屬管道的優(yōu)點是強度高，但金屬管在使用過程容易受環(huán)境與輸送介質(zhì)影響發(fā)生腐蝕甚至破壞。非金屬管重量輕、耐腐蝕能力強、安裝快捷，但由于材料結構特點非金屬管存在耐熱性能差、抗蠕變性能差等缺點。復合管是將金屬材料的高強度與非金屬材料的耐腐蝕特性進行結合而制成，合理選擇材料種類能使復合管實現(xiàn)力學性能優(yōu)勢互補的效果，具備更優(yōu)異的綜合性能。

鋼絲纏繞增強塑料復合管(plastic-steel-plastic composite pressure pipe,PSP管)是以高密度聚乙烯(HDPE)為基體，以高強度鋼絲錯繞成型的網(wǎng)狀骨架為增強體，高密度聚乙烯與高強度鋼絲之間采用熱熔膠粘結。PSP管憑借其獨特的結構優(yōu)勢，使其同時具備了鋼管高強度與塑料管耐腐蝕的優(yōu)勢，能承受較高的工作壓力并保持一定的韌性，已廣泛應用于油氣田、市政建設、化工、農(nóng)業(yè)、火力發(fā)電等領域。

PSP管的失效模式主要有強度失效、失穩(wěn)失效、泄漏失效、接頭端部鼓脹失效。接頭端部鼓脹是指PSP管在長時間承載后會在管材接頭處出現(xiàn)鼓脹變形、破裂的失效形式，同時在鼓脹變形處還會伴隨有鋼絲斷裂的現(xiàn)象。工程實際中，端部鼓脹失效發(fā)生的位置通常為PSP管材的端部或接頭處，并且即便對出現(xiàn)鼓脹的復合管增設金屬加強箍，管材在接頭處仍會發(fā)生鼓脹。根據(jù)工程實際案例內(nèi)壓載荷越高、溫度越高，加載時間越長的情況下PSP管發(fā)生端部鼓脹失效的概率越高。隨著PSP管的應用范圍不斷擴大，研究如何避免PSP管在使用過程中發(fā)生端部鼓脹失效十分必要。

本申請人的研究團隊在之前的研究工作中針對PSP管的失效模式開展了大量理論、實驗和仿真研究，其中：李翔通過設計鋼絲-粘結樹脂界面粘結強度試驗，確定了PSP管端部鼓脹失效的主要原因是鋼絲和聚乙烯界面脫粘，并提出了基于端部鼓脹失效的PSP接頭設計分析方法；師俊考慮了接頭處的三維應力狀態(tài)，提出了基于剪切強度的鋼塑界面失效準則并分析了溫度、時間對界面強度的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，PSP管端部鼓脹失效的過程分為兩個階段：第一階段發(fā)生在PSP管的鋼絲增強層，鋼絲受到沿鋼絲方向的剪應力作用，造成鋼絲與塑料層間脫粘、引起鋼塑界面失效。第二階段，鋼塑界面脫粘引發(fā)了鋼絲處的應力重新分布，使得未脫粘的鋼絲提前達到強度極限，引起管材發(fā)生強度破壞。