可稀釋粘接樹脂在dn315鋼絲管制備中的引入及性能測試

伍金奎 倪奉堯 孔濤 孫之狀 孔德彬 劉樹 劉智博

摘 要：通過力平衡法設(shè)計了增強層的鋼絲配置，以EN312添加50%和70%的管道料作為粘接樹脂，制備了dn315的鋼絲纏繞增強聚乙烯復(fù)合管（簡稱鋼絲管）。結(jié)果表明，EN312添加50%、70%的管道級聚乙烯使用，對鋼絲的剪切強度影響不大。2個配方應(yīng)用于dn315×1.6 MPa鋼絲管，管材的剝離強度、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標準要求。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：鋼絲纏繞增強聚乙烯復(fù)合管；粘接樹脂；稀釋使用

中圖分類號：TQ32

文獻標志碼：A文章編號：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

鋼絲纏繞增強聚乙烯復(fù)合管［1-9］（簡稱鋼絲管）是通過鋼絲在塑料芯管左旋纏繞、右旋纏繞后用馬來酸酐接枝改性的粘接樹脂對鋼絲進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，因而具有更高的耐壓能力。

粘接樹脂［10-14］對增強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酸酐過程中存在交聯(lián)副反應(yīng)，基體聚乙烯的熔體質(zhì)量流動速率一般大于2 g/（10 min）；而具有耐壓能力的PE80或PE100管道級聚乙烯因流動性差，用于馬來酸酐接枝改性易發(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脂層以非管道級原料為主，因而不利于鋼絲管的承壓能力的提升。前期研究［15-16］開發(fā)了可添加60%～80%聚乙烯管道料稀釋使用的粘接樹脂EN312，并探索了其在dn160鋼絲管的應(yīng)用。在前期的基礎(chǔ)上，本研究通過力平衡法［1］設(shè)計了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個配方管材的性能，為粘接樹脂添加管道料使用在鋼絲管的應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

主要材料：PE100級高密度聚乙烯（P600）：工業(yè)級，大韓油化株式會社；PE80級高密度聚乙烯（2480）：工業(yè)級，中國石油大慶石化公司；粘接樹脂（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，山東大業(yè)股份有限公司。

主要儀器：WDS-W型電子萬能試驗機，河北承德精密有限公司；XLB25-D型平板硫化機，湖州雙力自動化科技裝備有限公司；GDW-1500型高低溫試驗箱，無錫科隆實驗設(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型耐壓爆破試驗機，河北承德精密有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 不同稀釋比粘接樹脂與鋼絲剪切強度試樣制備

將粘接樹脂（EN312）與PE80級高密度聚乙烯（2480）按照50∶50、30∶70的質(zhì)量比混合后，用開煉機在溫度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制備剪切強度測試樣品。

1.2.2 鋼絲管的制備

鋼絲管芯管及外層采用質(zhì)量分數(shù)為35%的P600、質(zhì)量分數(shù)為60%的2480、質(zhì)量分數(shù)為5%的黑色母混配使用，芯管及外層擠出機的加工溫度為195 ℃；粘接樹脂（EN312）與PE80級高密度聚乙烯（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 測試表征

（1）鋼絲抗拉強度的測試。按照GB/T228.1測試所用鋼絲的抗拉強度；

（2）粘接樹脂與鋼絲剪切強度測試。按照GB/T32439，以50 mm/min的速率測試的最大拉力，計算剪切強度，以10 組樣品的平均值為剪切強度；

（3）管材剝離強度的測試：按照GB/T 32439附錄B，以100 mm/min對管材進行剝離強度測試。

（4）管材高低溫交變循環(huán)試驗：將長度為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)試驗箱，以-20 ℃×12 h、60 ℃×12 h為一個循環(huán)，循環(huán)14次，在3、7、14個循環(huán)后測試鋼絲從端面穿出的長度；

（5）管材的爆破：將長度為1.2 m、端面磨平、用聚乙烯封口環(huán)對管端進行封口，按照GB/T32439進行爆破壓力測定；

（6）靜液壓測試：將長度為1.2 m、端面磨平、用聚乙烯封口環(huán)對管端進行封口，按照GB/T 32439進行20 ℃、3.2 MPa、12 h以及60 ℃、1.92 MPa、165 h靜液壓測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 增強層鋼絲配置的設(shè)計

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的鍍銅鋼絲為增強材料。根據(jù)文獻［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為聚乙烯計算強度，其拉伸應(yīng)變與鋼絲斷裂伸長相等時所對應(yīng)的強度，16 MPa；d為鋼絲直徑，0.9? mm；σbg為鋼絲拉伸強度，經(jīng)測試為2 080? MPa。本次應(yīng)用的dn315鋼絲管的設(shè)計公稱壓力為1.6 MPa的鋼絲管，將上述數(shù)值代入，可以計算出理論的鋼絲的總數(shù)為306根。采用雙層鋼絲纏繞增強，為方便鋼絲的均勻排布，實際按照308根鋼絲排布，每層布置154根進行生產(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，隨著粘接樹脂EN312比例由50%降到30%，鋼絲剪切強度的力值變化不大；但均大于GB/T 32439要求的13 MPa。可見，EN312經(jīng)過稀釋后對鋼絲仍具有優(yōu)異的粘接效果。從管材的剝離強度數(shù)據(jù)來看，隨著EN312含量的降低，管材的剝離強度由30 N/mm增大到了39.8 N/mm，這可能是由于粘接層中PE80級管道料比例增強引起內(nèi)聚強度增大導(dǎo)致。圖1為2個配方管材的剝離狀態(tài)，均為粘接樹脂層內(nèi)聚破壞，說明稀釋使用的EN312對芯管、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

鋼絲管端面需要采用PE封口環(huán)進行封口處理，一方面避免使用過程中水從粘接樹脂層逐漸滲透，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證粘接樹脂對鋼絲粘接效果的加速試驗方法。表2列出了2個配方粘接樹脂經(jīng)過不同時間在-20～60 ℃高低溫交變循環(huán)試驗鋼絲從端面穿出的長度。

由表2可知，即使經(jīng)過14 d高低溫沖擊循環(huán)試驗，最大的穿絲的長度僅為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度大于1 mm，會把封口環(huán)頂開而影響管材的長期使用。根據(jù)我們應(yīng)用經(jīng)驗，鋼絲穿絲的長度不大于0.5 mm，鋼絲管不會出現(xiàn)因應(yīng)力釋放鋼絲將封口環(huán)頂開問題。EN312添加50%、70%的PE80級管道料使用，管材經(jīng)過14 d高低溫沖擊循環(huán)試驗后，鋼絲管端面鋼絲穿出的長度短，具體如圖2所示。說明EN312即使經(jīng)過稀釋，鋼絲管也表現(xiàn)出良好的抗穿絲性能，主要與EN312稀釋后對鋼絲仍具有良好粘接強度有關(guān)。

2.4 管材的爆破試驗

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

根據(jù)GB/T 32439—2015，鋼絲管靜液壓試驗需要通過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稀釋的粘接樹脂管材進行的20 ℃、3.2 MPa、12 h靜液壓曲線。2個配方粘接樹脂分別使用50%、30%的EN312與PE80級管道料稀釋使用，管材均通過了20 ℃、3.2 MPa、12 h靜液壓。圖5為2個配方的管材進行的60 ℃、1.92 MPa、165 h靜液壓曲線。

從圖4、圖5可以看出，2個配方粘接樹脂使用50%、30%的EN312與PE80級管道料稀釋使用，管材通過了165 h的靜液壓測試，充分證明了EN312添加30%、50%比例與PE80級管道料稀釋使用，管材的靜液壓測試也可滿足GB/T 32439要求。

3 結(jié)語

設(shè)計了dn315×1.6 MPa鋼絲管的鋼絲配置，以EN312分別添加50%、70%的管道級聚乙烯作為粘接樹脂制備了鋼絲管并測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靜液壓均達到GB/T32439標準要求；粘接樹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脂應(yīng)用方案。

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