鋼塑復合中空材料的概念及工藝

1、鋼塑復合中空材料的概念及工藝 鋼塑復合中空材料是一種結構型的復合材料，具有鋼的優(yōu)良物理機械性能和塑膠的優(yōu)良化學性能，克服了鋼鐵不耐腐蝕、塑膠剛性強度不足的缺點，并且可避免冷熱收縮、膨脹而脫層的弊端。 按塑膠與基體結合的工藝，鋼塑復合中空材料包括鋼涂塑或鋼襯塑。鋼涂塑指塑膠噴涂在鋼構件的外表面，層厚較厚，一般在1-5mm之間；鋼襯塑指鋼構容器內表面添加一層塑膠，層厚在5-10mm以上。工藝有塑板（塑管）膠粘復合、噴涂、滾塑涂等。 埋塑防腐技術是應用於鋼構件外表面的涂塑防腐技術。它的工藝是這樣的：將一鋼構件用火均勻加熱，大致整體溫度達到180，把它埋在塑膠粉末堆 ，由鋼鐵放熱吸附塑膠粉末，約十分鐘

2、後，在鋼構件表面形成一層約與鋼板等厚的塑膠層；取出工件，表面有一層未熔融粉粒，用火對其掃描式加熱，使之熔融成光滑的表面層。 對與產品配套的管道、管件內襯塑也可用此法。把工件均勻加熱到180，把塑膠粉末灌滿內腔，數(shù)分鐘後把未熔塑膠粉末倒出來，在工件外表用火把加熱，讓它全部熔融，形成內表光滑的塑膠層。 上述以防護為目的的涂、襯塑，對小工件適用，但對大口徑管道、大容積容器的內襯就不適合，主要原因是塑膠層在冷卻收縮時產生的內聚應力，往往大於塑膠與鋼鐵的粘結力，會出現(xiàn)鋼塑介面分離。而鋼塑復合材料 增加鋼網(wǎng)，把整體塑膠層的收縮內聚應力分散限制在網(wǎng)格小范圍內，加上鋼網(wǎng)焊接在鋼板上，就不會因塑膠收縮而引起鋼塑

3、介面分離。 鋼塑復合中空材料的制作 鋼塑復合中空材料是中式旋塑制造大型鋼塑復合容器（如儲罐等）、鋼塑復合化工設備、大口徑多層鋼塑復合管的材料。作為鋼塑復合制品壁的材料，其制造工藝為中式旋塑制造鋼塑復合制品的生產工藝。 以大口徑鋼塑復合管為例，生產工藝流程如下： 一、鋼桶體制作：1. 鋼管卷制；2. 承插口、滾圈制作；3. 鋼網(wǎng)鋪設、焊接； 4. 承插口焊接、脹圓；5. 上滾圈。二、塑膠預處理：1. 塑膠原料領取過秤；2. 篩選、去粗、混合、補足（補足篩選過程中的除去部分）；3. 入模（管）；4. 合模。三、上機熱成型：1. 氣路檢查；2. 上機；3. 機械檢查；4. 調整火把距離；5. 試轉；

4、6. 點火；7. 隨時觀測火力及模內情況，及時調節(jié)到最佳狀態(tài)；8. 確認、?；?。四、冷卻：1. ?；鸩煌C、保溫流平；2. 吹風冷卻；3. 噴淋冷卻；4. 常溫冷卻、停機。五、下機開模：1. 下機；2. 去滾圈、開模；3. 打磨修整產品。六、外表面噴涂聚脲防腐七、成品入庫場。 這一新技術具有三個特點： 1. 從復合方法看，運用旋塑工藝復合是新方法，不用膠粘劑，不用現(xiàn)成的管、板材料。 2. 從材料的復合結構形式來看，采用多層鋼塑整體復合，是一種鋼、網(wǎng)、塑通過焊接結構，滾塑形成的新型鋼塑復合材料。 3. 從材料性能來看，屬強韌型新復合材料，具有革命意義的更新?lián)Q代性能，能促進相關行業(yè)的發(fā)展。如，既耐

5、壓又耐腐蝕的大口徑鋼塑復合管道被看作是世界級的難題，大口徑多層鋼塑復合管的專利獲國際金獎。 鋼塑復合中空材料的性能研究 這一結構型鋼塑復合材料是我們首創(chuàng)的一種新材料，它的力學性能沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)可查。為了科學、合理、經濟地設計各類鋼塑復合材料的容器壁厚，我們自制樣塊、自行測試、研究得出以下結論。 化學性能：因內面是復合的聚乙烯塑膠層，外面噴涂聚脲，它在使用過程中的耐腐蝕性與純聚乙烯等效。 拉伸、壓縮力學性能：經測試，其拉伸強度和壓縮強度與純鋼鐵等效。聚乙烯塑膠的強度與鋼鐵的強度差距一個數(shù)量級，因此在復合材料拉伸、壓縮時，塑膠的強度不影響整體強度。 彎曲力學強度：從對比數(shù)據(jù)看，其彎曲強度值小於鋼板

6、，大於塑膠板；值的大小取決於復合體內鋼的含量百分比。鋼含量高，強度值大。但塑膠層改善了鋼的受力狀況，鋼塑復合板的彈性、韌性是純鋼板不可比擬的。 彎曲強度計算 鋼塑復合材料板的彎曲強度測試規(guī)范及計算公式：根據(jù)ASTM D790（英國A.B.格蘭維爾著，塑膠工程手冊）。 σ=3×W×s/2×a×t 式中： σ—彎曲強度（kg/m2） W—施壓荷載（kN/kg） s—計算參數(shù)，其值為彎心加2t，彎心為tcm t—樣板的厚度（cm） a—樣板的寬度（cm）（現(xiàn)a統(tǒng)一為6c

7、m。） 鋼塑復合材料的強度計算公式：參照一般復合材料強度計算公式—混合法公式如下： σ= σ1 v1 e1 + σ2 v2 e2 式中： σ—鋼塑復合材料板的強度（Mpa） σ1—鋼板的強度（Mpa）, 取370； v1—鋼占體積百分數(shù)%； e1—鋼板厚（cm） σ2—塑膠的強度（Mpa)，取34； v2—塑占體積百分數(shù)%； e2—塑層厚（cm） 經23樣塊測試計算和公式計算，發(fā)現(xiàn)測試壓距為0.5cm時的強度數(shù)值，與混合法公式計

8、算所得數(shù)值基本一致，其差數(shù)都在±5%以內。因此混合法可作為鋼塑復合材料的強度計算公式。 鋼塑復合材料板的受力情況 以3號板為例。它的公式計算彎曲強度，比測試計算彎曲強度僅負2.4%。從它的應力—應變曲線走向看，它沒有屈服點，但形變達到厚度的百分之三十後，強度的增加率明顯減緩，整個線形與高聚物的應力—應變曲線接近。對照高聚物五種類型的應力—應變曲線圖，介於強硬（初始直線夾角70°）和強韌（初始直線夾角75°）之間，它為72°。 近年來，旋塑（滾塑）成型技術發(fā)展迅速，在材料、成型技術等領域都有飛速發(fā)展。圖片攝於無錫市海溪防腐

9、設備有限公司。 表1 3號板應力—應變曲線數(shù)據(jù)，該板厚3.1cm（鋼1.1，塑2.0）作基準 從上述情況可見，鋼塑復合中空材料的力學性能趨近高聚物的力學性能。從樣塊強度數(shù)據(jù)分析，最佳鋼塑比的樣板的強度數(shù)據(jù)為113-135Mpa之間，與壓力容器鋼材許用強度114Mpa一致。也就是說，鋼塑復合中空材料可制造壓力容器。 由此可見鋼塑復合材料既具有鋼鐵的強度、硬度，像鋼那樣能承受壓力；有塑改善鋼的受力狀況，使它具有塑膠樣的彈性、韌性、耐腐蝕性，是一種理想的新材料。 鋼塑復合材料 鋼、塑最佳配比 從23塊的力學性能測試、計算、分析之後得出以下結論： 1、鋼塑復合材料的強度與鋼含量的百分比有關

10、。鋼含量高，強度大；當荷載超過鋼的屈服點後，塑膠含量高，彎曲反彈力大。 2、鋼含量的重量百分數(shù)，體積數(shù)，厚度百分數(shù)的數(shù)值是一致的。因此，從簡便、實用角度考慮，可采取厚度百分比計算。 3、鋼、塑含量的體積比，截面積比，厚度比的比值是一致的，因此，可采用厚度比。 4、鋼、塑含量的體積比，與重量比的數(shù)值不一致。23塊樣塊的鋼、塑體積比從50：50到10：90，重量比從89.7：10.3到49.2：50.8。經分析，鋼、塑最佳體積比為25-30：75-70；重量比為75-70：25-30。 5、產品配方確定鋼、塑比，要以理論計算為基礎，結合可加工性和必要性兩方面的實際而定。如，鋼板的可焊接加工厚度要求

11、在4mm以上，塑膠層厚在10mm以上。一般在15mm左右，或鋼網(wǎng)厚的三倍。鋼網(wǎng)厚不是指制作鋼網(wǎng)的鋼板厚，而是指平放在兩平面之間鋼網(wǎng)的相對厚度。 鋼塑復合制品的成本研究 鋼塑復合中空材料 鋼塑含量的基礎計算 因為取定長a、定寬b的鋼塑復合板 ，只有鋼的層厚e1，塑的層厚e2是變數(shù)。因此，在鋼塑復合板 鋼塑體積比abe1：abe2，鋼塑截面積比be1：be2，鋼塑層厚比e1：e2的比值是相等的。它們的百分含量值也是相等的。 公式為：鋼、塑各自厚e÷鋼塑板總厚t×100% 鋼塑復合制品的壁厚e（δ）設計及定價 鋼塑復合中空材料的存在形式是具體的鋼塑復合容器或其他

12、物體的壁。以容器為例，鋼塑復合中空材料必須既耐腐蝕又耐壓。在使用中，以鋼承受工作壓力；以塑防腐蝕、防滲漏、增韌改善鋼材的力學性能。因此，設計鋼塑復合容器壁厚，第一步：按容器的使用壓力計算鋼板厚（δ）；第二步：按鋼、塑最佳比確定鋼、塑各厚多少；第三步：以鋼、塑當時的市場價計算成本、確定銷售價格。 下面以口徑DN為3000mm的鋼塑復合管為例，進行計算： 設：DN—3000mm，工作壓力0.3Mpa，設計壓力P—1.0Mpa， 鋼許用應力【σ】—235Mpa， 焊縫系數(shù)—0.9。 求：該管的壁厚 δ（e）&mdas

13、h;mm。 代入公式： δ=P×D/2【σ】× =1.0×3000/2×235×0.9 =3000/423=7.1(mm) 按計算結果，該管道用7mm鋼板，15mm厚的塑層就可以。 下面換個角度思考，【σ】取鋼塑復合材料的測試平均強度—114Mpa，取1，代入公式： δ =P×D/2【σ】× =1.0×3000/2×114×1 =3000/228=13.1（mm） 按計算結果，該管道用13mm鋼板，15m

14、m厚的塑層就可以。鋼占46%，實際【σ】可達140Mpa。 假如再以【σ】—140Mpa 代入公式， δ =P×D/2【σ】× =1.0×3000/2×140×1 =3000/280=10.7（mm） 從上述三次計算結果看，該管可以鋼板取10mm，塑層厚18mm。 以上是從內壓的角度考慮的理論計算，有了設備還要整體做壓扁試驗，進行環(huán)剛度計算與看它的耐外壓試驗情況，然後進一步完善鋼塑復合管的管壁設計公式。 按上面管壁結構和成本、定銷售價，先求1m長的成本。 鋼的重量（kg）/m

15、=7.8(g/cm3)×鋼板厚e1cm×總面積abcm2÷1000 =7.8×1×(300×3.1416×100）÷1000 =7.8×1×94248÷1000 =73513÷1000=735（kg） 鋼成本y1（元人民幣，下同）m=鋼單價n1（元/kg）×鋼重量w1（kg） =5×735=3676（元） 塑的重量（kg）/m=0.895(g/cm3)×塑層厚e2 cm×總面積ab cm2&div

16、ide;1000 =0.895×1.8×94248÷1000 =151833÷1000=152(kg) 塑成本y2（元）m=塑單價n2（元/kg）×塑重量w2(kg) =13×152=1976(元) 合計1m管成本：3676+1976=5652（元），以25%毛利計，1m鋼塑復合管售價7065（元）?？梢詧蟮氖袌銎骄邮軆r為1萬元/米。 鋼塑復合管的環(huán)剛度研究 管道環(huán)剛度是承受外壓力的重要數(shù)據(jù)。關於管道環(huán)剛度測試計算公式有二個： ISO 9966 S= （0.0186+0.025y/d） F/Ly 

17、全塑的S=（0.1488+0.02y/d） F/Ly S—環(huán)剛度kN/m2 D—內徑m y—變形量m F—壓力荷載kN L—受壓管圈長m DIN16961 S=F/dL×ξ S—環(huán)剛度kn/m2 D—內徑m F—壓力荷載kn L—受壓管圈長m ξ—變形系數(shù)， 查表得（一般以內徑5%的變形率為準，ξ取值0.1568，結果與ISO法的計算結果不一致，由於測試設備陳舊，因變形率與變形系數(shù)相對應不很準確，計算結果也不準確。） 在2022年10月，作了六個

18、樣管到西塘色機廠理化室作壓力測試，現(xiàn)將情況列於表2。 表2 六個樣管的壓力測試 說明：1、該批樣管的鋼管均為無縫鋼管。壁厚5mm的內徑為130mm，壁厚3mm的內徑為154mm。本次測試計算采用ISO法。 2、y—變形量m，標準為內徑的5%。也就是測試壓距，內徑的絕對變形量。 3、純塑指純的LLDPE；白塑指白色改性料；黑塑指黑色改性料。 4、這批試驗有多個項目，分析情況見下文。 環(huán)剛度試驗計算、對比、分析情況： 1、1號與2號比。結構材質一樣，壁厚不一樣。壁厚增加40%，而環(huán)剛度增加63.5%。 2、4號與1號比。鋼管壁厚一樣，襯塑比不襯塑，環(huán)剛度增加39.6%。 3、3號與2號

19、比。鋼管壁厚一樣，焊鋼網(wǎng)的比不焊的，環(huán)剛度增加19.1%。 4、3號與5、6號比。鋼管壁結構一樣，襯塑的比不襯塑的，環(huán)剛度分別增加44.3%、23.7%。 5、2號與5、6號比。鋼管壁結構一樣，有網(wǎng)塑的環(huán)剛度分別增加71.8%、47.3%。 6、4號與5、6號比。鋼管壁結構一樣，純塑比改性料環(huán)剛度分別增加55.1%、61.5%。 7、5號與6號比。管壁結構一樣，白色改性料比黑色改性料環(huán)剛度增加14.3% 8、從平均1mm壁厚的ISO值來看，含鋼量高，ISO值大，與1一致。 從上述分析可以得出幾點結論： 1、從增加環(huán)剛度的角度看，增加塑膠層厚不是好辦法。增加鋼板厚的效果比較好。 2、鋼塑復合的目

20、的在於解決塑膠不耐壓的弱點。塑膠層在鋼塑復合材料 的功能，只能定位於防腐蝕、防滲漏、增加鋼材的彈性、韌性，即改善鋼板的受力情況。 3、鋼網(wǎng)在鋼塑復合材料 有增強作用，更重要的作用在於維持塑膠層的完整性和保持鋼塑層面的粘結性。 4、從測試樣管看，壓到兩壁面相碰鋼塑介面沒分裂脫開，塑層沒裂縫。因此鋼塑復合管無論怎樣破壞都不可能把它徹底破壞掉。 管子埋地後的綜合力學特性，即管頂受到的垂直壓力計算公式。 F=DLKd(Fsv.k+ΨvkDo) 式中： F—埋地每延米管道管頂上的垂直總壓力（kn/m2） DL—變形之後效應系數(shù)，根據(jù)管道胸腔回填密度可取1.2-1.5 Kd

21、—管道變形系數(shù)，通?？扇?.083-0.1（本公式是塑膠管的） Fsv.k—每延米管道管頂上的垂直 Fsv.k = γs.Hs. Do γs —回填土重力密度（帶砂黃土可取γ（伽馬）=18kN/m3） Hs—管頂至設計地面的覆土高度（m） Do—管道外徑（m） Ψq—管頂上動載荷準允系數(shù)可取0.5 qvk—地面車輛載荷傳至管頂單位面積上的豎向壓力標準值（kN/m2）（注：該值的具體計算公式參見CECS164:2022標準。） 試算假設：外徑Do——4m； 覆土高度Hs——5m：則： Fsv.k= rs.Hs. Do =18×4×5=360kN/m2 ∴F=DLKd(Fsv.k+ΨvkDo) =1.2&tim