钢丝网骨架聚乙烯复合管中高压连接技术的研究与应用

孔令辉，王立凯

(山东东宏管业股份有限公司，山东 曲阜 273100)

钢丝网骨架聚乙烯复合管中高压连接技术的研究与应用

孔令辉，王立凯

(山东东宏管业股份有限公司，山东 曲阜 273100)

简要介绍了钢丝网骨架聚乙烯复合管连接技术的应用现状，分析了钢丝网骨架聚乙烯复合管在中高压连接技术的研究情况。通过湖北恩施山区供水管道工程的实际案例，介绍了钢丝网骨架聚乙烯复合管高压力连接技术的成功应用经验，为钢丝网骨架聚乙烯复合管在中高压力管道工程中推广应用起到积极的促进作用。

钢丝网骨架；聚乙烯；复合管；电熔； 双密封连接；应用

0 前言

钢丝网骨架聚乙烯复合管是在聚乙烯(PE)管的基础上研发出的复合管道产品，是我国自主研发的新型管材[1]。这类管材是以高强度钢丝左右螺旋缠绕成型的网状骨架为增强体，以高密度聚乙烯(PE-HD)为基体，用高性能粘接树脂将钢丝骨架与内、外层PE-HD连接在一起[2]。它结合了钢材本身高强度、高刚度、低成本的优势和塑料质量轻、运输与施工便利、耐腐蚀的特点，具有良好的综合性能。

目前，钢丝网骨架聚乙烯复合管采用的产品标准为CJ/T 189—2007《钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管材及管件》, 工作压力范围为0.4～3.5 MPa，多采用电熔管件连接或金属扣压式连接。如果采用多根高强度钢丝分层缠绕制造直径较大且压力较高的钢丝网骨架聚乙烯复合管，可应用于中高压工业领域。但由于现有中高压力钢丝网骨架聚乙烯复合管连接技术方面的“瓶颈”，导致现有的钢丝网骨架聚乙烯复合管在中高压管道领域的应用受到限制，而只能大多应用于低压管道领域。因此，迫切需要管道制造企业和专业机构进行创新研究，攻克钢丝网骨架聚乙烯复合管中高压连接技术难题，扩大钢丝网骨架聚乙烯复合管的应用领域。

1 钢丝网骨架聚乙烯复合管连接技术现状

到目前止，钢丝网骨架聚乙烯复合管材已应用了10年多的时间。目前钢丝网骨架聚乙烯复合管材的连接方式主要有电熔管件连接和金属扣压连接2种类型。一般情况下，管道系统内的流体在转弯、截面突变处会产生很大的轴向推力，因此钢丝网骨架聚乙烯复合管连接处易集中出现品质问题。

1.1 电熔管件连接

电熔管件连接是把电热丝预埋在PE管件基体内，焊接时将电熔管件套在待接的管材上，通电使电热丝发热，从而熔化管件的内表面和待焊管材外表面，冷却后使之融为一体[3]。

当钢丝网骨架聚乙烯复合管材承受内压时，钢丝形成拉应力。在电熔管件连接下，钢丝网骨架聚乙烯复合管的端部钢丝端头并没有固定到管件上，钢丝是依靠钢丝和周围粘接树脂之间的粘接力固定的。也就是说钢丝中承受的拉力是依靠钢丝和粘接树脂之间的粘接拉住的。电熔管件连接只对钢丝网骨架聚乙烯复合管材的外层进行连接，承压范围较低，使用压力一般限制于1.6 MPa以下。

电熔管件生产技术相对复杂，因此产品品质有较大区别。在连接施工过程中，受环境、人员技能、焊接设备、材料、管件结构及工艺参数的影响，电熔管件焊接品质控制难度较大，安装不好易发生电熔管件连接的虚焊、偏焊、过焊、断丝等事故，进而可能出现管道连接的断裂、焊缝漏水等品质问题，见图1。

(a)断裂 (b)偏焊漏水 (c)焊缝漏水 (d)虚焊漏水图1 电熔管件连接事故图例Fig.1 Electrofusion fittings connection accident legend

1.2 金属扣压连接

金属扣压连接是将所有配套的金属接头通过扣压机的模具施加收口力，将其牢固地扣压在所配套的钢丝网骨架聚乙烯复合管上。这种管件连接使用标准的活套法兰或金属卡箍，将管路直接连接，可显著节省时间，降低管接头操作成本，提高效率，可广泛应用在石油开采、天然气输送、矿山、化工、民用输水等工程中。

(a)脱落 (b)开裂 (c)漏点窜水 (d)裂缝窜水图2 金属扣压连接事故图例Fig.2 Metal buckled and connected accident legend

钢丝网骨架聚乙烯复合管采用金属扣压连接可以满足3.5 MPa以内的连接技术要求。但这种连接在承压能力较高时，长期稳定性较差，易发生管道系统金属扣压接头脱落、窜水、窜气等问题，见图2。

2 连接技术分析与研究

2.1 关键技术问题

钢丝网骨架聚乙烯复合管管壁中带有双向成54.7 °的缠绕钢丝,复合管所承受的内、外压载荷只有通过PE塑料层传递到增强钢丝网，才能充分发挥钢丝网的增强作用和承载能力。研究表明，由于钢和塑料的弹性模量相差几乎200倍，复合管中约70 %的载荷由钢丝承担，而PE塑料层除了承担小部分载荷外，主要起到密封、防腐和支撑结构的作用[4]。

目前，钢丝网骨架聚乙烯复合管不论是电熔管件连接，还是金属扣压连接，都没有把复合管材中承压钢丝进行有效连接，导致复合管的耐压优势发挥不出来，致使该产品仅能应用于中低压管道领域。因此，要解决好钢丝网骨架聚乙烯复合管在中高压连接的技术问题，关键是要解决好管材中钢丝的连接。

2.2 解决方案

钢丝网骨架聚乙烯复合管在管道压力超过1.6 MPa时，通常使用金属扣压连接。在常规的金属扣压连接中，复合管中钢丝与钢制增强件之间的连接，靠的是钢制增强件与复合管材内壁之间夹持力F1及F2，如图3所示。

图3 金属扣压连接结构Fig.3 Metal buckling connection structure

由于钢丝网骨架聚乙烯复合管同其他管材一样，会根据环境温度的变化而产生热胀冷缩现象。如果复合管材内的钢丝两端没有固定，当管材承压、卸压或温度变化引起膨胀或收缩时，由于钢丝与PE材质的膨胀系数不一致，势必引起钢丝与PE之间产生滑移。正常情况下，当管材膨胀时，钢丝端部会缩回到管材内部；当管材收缩时，钢丝端部会重新伸出到管材端面。但由于钢丝的硬度远大于PE，并且尖锐，钢丝头往往会改变方向，插入到PE层中。管材承压卸压的频率越高，温度变化越频繁，这种现象发生的机率就越高，见图4。

(a)钢丝内插 (b)钢丝外插图4 钢丝插入PE层Fig.4 Steel wire insert PE layer

从钢丝网骨架聚乙烯复合管的结构特点可知，只有将复合管材中两端的钢丝连接在一起，才能解决该复合管材在中高压领域中的应用。因此，我们的解决方案就是采用特制钢制增强件，将复合管材内每根钢丝在特制的钢制增强件端面拐角处产生一个接近90 °的拐弯，从而使钢丝与特制的钢制增强件之间的连接牢固性增强。其连接结构如图5所示。

图5 改进的连接结构图例Fig.5 The improved connection structure legend

复合管材中钢丝与特制钢制增强件之间的连接除受到特制增强件与管材内壁之间F1及F2对钢丝的夹持力外，在复合管材接头端面部位，还受到端面PE与特制增强件之间的F3夹持力。当管道承压、管材因温度变化或压力变化而产生长度伸缩变化时，复合管材内钢丝几乎不可能发生滑移，确保复合管材连接部位牢靠，其连接强度甚至大于复合管体的爆破强度。钢丝网骨架聚乙烯复合管这种新式连接技术满足了中高压领域的应用要求，产品见图6。对钢丝管超强连接进行实验室液压实验，按GB/T 6111—2003对复合管道系统进行静液压实验，如图7、图8所示。

(a)钢丝管静压测试装置 (b)钢丝管超强连接试验装置图7 钢丝管超强连接耐压试验Fig.7 The steel wire pipe super connection pressure test

图8 钢丝管超强连接耐压曲线图Fig.8 The steel wire pipe super connection product diagram

从试验结果来看，DN160、PN9.0钢丝网骨架聚乙烯复合管进行2倍静液压实验合格，再继续升高至21.36 MPa，产品仍然满足要求，更进一步验证了钢丝管超强连接技术的可靠性。

2.3 性能特点

(1)满足中高压复合管连接的需求

钢丝管超强连接由于钢丝在端部有一个90 °拐角，不会发生后抽现象。因此，可用于更高压力、更高温度的介质输送领域。满足钢丝网骨架塑料聚乙烯复合管材不同压力连接的需求，尤其是在中高压领域，扩展了产品应用范围。

(2)提高产品连接品质

相比常规的金属扣压连接，钢丝管超强连接长期稳定性好，克服了金属接头脱落及管道窜水、窜气等故障。

(3)降低生产成本

钢丝管超强连接强度依靠的是钢丝产生90 °拐角后与特制钢制增强件之间的连接，对特制钢制增强件的长度要求不高。另外，该连接技术不需要钢丝网骨架聚乙烯复合管封口处理，节省封口环工序环节，整体上降低生产成本。

(4)现场施工快捷方便

电熔管件连接和金属扣压连接对复合管材的椭圆、壁厚控制要求严格，管材连接时对超差的复合管材需要辅助工具调整。钢丝管超强连接主要是在管材生产企业内部进行加工，现场施工仅仅把管道连接的金属法兰或金属卡箍连接，现场施工快捷方便。

3 工程案列分析

在湖北省恩施三峡大坝的上游，地处高山深沟地形。当地居民饮水困难，主要在山坡上挖集水池，靠收集山坡上流下的地表水生活。在当地一座垂直高780 m多的山上，有一水质较好的水库，适用于饮用。当地政府部门为改善居民的饮水条件，计划利用山上的水库为附近居民提供水源。

该供水工程需从高约780 m的水库取水，靠自流向下，经过山沟最底部，然后再向上730 m，为位于另一垂直高为730 m的小镇居民供水。整个供水管路从取水口到用水处有50 m左右的落差，供水管路总体走向呈“U”形。供水管路设计为DN160,管道承压约为8.0 MPa。

正常情况下，这种高压供水管路通常要选用钢管。但由于当地山高沟深，交通条件有限，运输困难，而且山坡上管道安装更困难，当地常年潮湿多雨，管道防腐问题也突出。

高压力钢丝网骨架聚乙烯复合管具有耐腐蚀性能好，适于当地潮湿多雨的气候条件，内壁光滑，流阻小，不结垢，管材柔韧性好，适于当地山高沟深崎岖不平的地形，管材轻便，方便施工等优势，适于当地的环境。因此，在此供水管路中，最终确定选用高压力钢丝网骨架聚乙烯复合管，管材规格为DN160,压力等级为9.0 MPa，见图9。

图9 DN160钢丝管超强连接产品图Fig.9 Steel wire pipe super connection product diagram of DN160

在钢丝网骨架聚乙烯复合管的连接方式中，普通的金属扣压连接难以能达到8.0 MPa的要求，所以本项目选用钢丝管超强连接。在管路设计中，配套一定的排气阀、安全阀等配件，保证整个管道安全可靠。该供水管道工程项目已于2015年正式通水使用。

4 结论

(1) 通过对目前钢丝网骨架聚乙烯复合管连接技术的分析，得出复合管材受限于低压管道领域应用的主要原因是管材中起承压作用的钢丝没有有效地连接；

(2) 根据对钢丝管超强连接实验结果表明，将钢丝管连接端部的钢丝固定，致使钢丝管在承压时不被抽动，有效地解决了钢丝管材中钢丝的连接的问题；经过耐压试验达到21.36 MPa，表明钢丝管这种超强连接技术是可行的；

(3) 通过在湖北恩施山区供水工程中实际应用，验证了钢丝网骨架聚乙烯复合管这种超强连接技术可靠的，它能解决了钢丝网骨架聚乙烯复合管中高压连接技术难题，助推钢丝网骨架聚乙烯复合管道行业的健康发展。

[1] 甘国工.螺旋缠绕钢丝增强体的钢塑复合管：中国, CN2550090Y[P].2011-09-05.

[2] 王艳茹，高慧东.钢丝网骨架塑料复合管在给水工程中的应用[J].中国西部科技,2011，(8): 18-19. Wang Yanru, Gao Huidong. Application of Steel Wire Frame Plastic Composite Pipe in Water Supply Enginee-ring[J]. Science and Technology of West China,2011,(8):18-19.

[3] 侯中伏.浅谈钢丝网骨架塑料复合管在给水管道安装中的应用[J].安装，2012，(1)： 51-52. Hou Zhongfu. Discussion on the Application of Steel Mesh Skeleton Plastic Composite Pipe in Water Supply Pipeline Installtion[J]. Installtion, 2012，(1)：51-52.

[4] 郝宇杰.钢丝缠绕增强塑料复合管阻水性能研究[D].杭州：浙江大学化学工程与生物工程学院，2011.

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关于科盛科技

科盛科技股份有限公司(Moldex3D)正式成立于1995年，以提供塑料射出成型业界专业的模具设计优化解决方案为己任，陆续开发出Moldex与Moldex3D系列软件。科盛科技秉持着贴近客户、提供专业在地化的服务精神，积极扩展全球销售与服务网络，成为全世界最专业的CAE模流分析软件供货商，解决用户在产品开发上的障碍，协助排除设计问题，优化设计方案，缩短开发时程，提高产品投资报酬率。

如需获得更多科盛科技相关的信息，请参阅：www.moldex3d.com。

Research and Application of Middle- and High- Pressure Connection Technology for Steel Wire Mesh Skeleton Polyethylene Composite Pipes

KONG Linghui, WANG Likai

(Shandong Donghong Pipe Industry Co, Ltd, Qufu 273100, China)

This article briefly introduced the current situation of connection technology and applications in steel wire mesh skeleton polyethylene composite pipes and also analyzed their technical developments in the middle- and high-pressure connection technology. Taking the water supply pipeline project in the Enshi mountain area of Hubei Province as a typical example, the successful application of this high-pressure connection technology was introduced. This project promoted the application of steel wire mesh skeleton polyethylene composite pipes in the construction of middle- and high-pressure pipelines.

steel wire mesh skeleton; polyethylene; composite pipe; electro fusion; double seal connection; application

2017-01-30

TQ327

B

1001-9278(2017)04-0070-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.0013

联系人，konglh2256@163.com