衬塑复合钢管内衬层开裂机理研究及对策

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摘 要：研究了衬塑复合钢管内衬层开裂机理并分析开裂原因，提出解决内衬层开裂对策。

关键词：衬塑复合钢管；内衬层；开裂机理；应力；对策

1 前言

铸型聚酰胺-钢复合管[1]是目前用于腐蚀性流体的常用衬塑复合钢管。具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性等卓越性能，广泛用于石油、冶金、化工、矿山等行业。本文就衬塑复合钢管内衬层开裂机理进行了研究，并提出了预防及解决措施。

2 内衬层开裂机理

2.1 热胀冷缩机理

物体热胀冷缩致开裂，其原因是受内应力和外部力所引起的。据资料[2]介绍，钢管的线膨胀系数为1.2×10-5/℃，塑料管的线膨胀系数为 （10～20）×10-7/℃，即是当塑料管的收缩量大于钢管的收缩量时，因而就会出现内衬塑料管层比钢管的端面向内收缩以至致裂的现象。内应力主要来自两个方面：一是塑料管存在的在挤管时拉伸所造成的残余应力，也叫取向内应力；二是冷却内应力，是塑料制品在熔融加工过程中因冷却定型时收缩不均匀而产生的一种内应力。由于塑料管和钢管因线膨胀系数不同，环境温度降低时相互间因不同的收缩量而产生的作用力。内应力和衬塑钢管与钢管之间的粘接力是相互抵消的。如果内应力小于粘接力，这时只会造成粘结层分子的蠕动，从而使内应力逐渐降低；如果内应力大于粘接力，这时粘结层就会脱开，很显然，当粘结层脱开后，钢管和塑料管之间已没有约束力，塑料管可较自由的收缩，这时的收缩量是很大的[3]。

2.2 收缩应力

衬塑管的结构大体是内衬两端补牢牢固定在管子上，而中间贴合并不紧密。浇铸型衬塑管的加工是在高温下完成的，当在一定环境温度下，温差就会产生热应力，温度降低产生收缩应力，由两端缩向中间，如果发生断裂，裂口一般发生在端头的一端或两端。它将产生的收缩应力可以用下列计算公式计算得知：

σ=α・E・t （1）

式中：σ-热应力，（MPa）；E-内衬材料的弹性模量，（MPa）；t-内衬加工前后的温度变化量，（℃）；α-内衬材料的线膨胀系数，（1/℃）。

收缩量：在收缩应力的作用下内衬收缩，它将要产生的收缩量可以用下列计算公式：

L=α・L・t （2）

式中：L-管子内衬长度的变化量，（M）；α-内衬材料的线膨胀系数，（1/℃）；L-内衬的长度，（M）；t-内衬加工前后的温度变化量，（℃）。

2.3 抗拉强度的影响

内衬材料的抗拉强度大于温度变化下的热应力，即：

[σ]>σ （3）

式中：[σ]-内衬材料的抗拉强度，（MPa）；σ-内衬材料在温度变化下产生的应力，（MPa），用（1）式计算。

2.4 断裂延伸率

内衬材料的断裂延伸率大于温度变化下的收缩率，即

（%）>L//L （4）

式中：（%）-断裂延伸率，（%）；L-内衬的长度，（M）；L-管子内衬长度的变化量，（M）。

上述的抗拉强度和断裂延伸率中的两式，只要满足其中一式，就可以做到内衬不开裂。

综上所述，衬塑钢管内衬塑料管的收缩是由于抗拉强度和延伸率都远远小于理论值，经过塑料管和钢管之间粘接剂的热熔粘接，塑料管的加热膨胀，冷却、内应力等问题的过程。

3 防止内衬层开裂的解决措施

要解决衬塑管内衬层衬开裂的问题，必须要提高材料的抗拉强度和延伸率。可以开展消减应力方面的解决措施：

3.1 时效法消除应力：降低与分散塑料内应力。即是减小塑料管的残余应力，将生产出来的产品在较长时间内置于一定温暖、潮温的环境下，让其缓慢地释放应力。

3.2 衬层厚度均匀：保证衬层厚度均匀，厚度不匀致薄的地方应力集中则容易断裂。

3.3 提高塑料和钢管之间的粘结强度：如预先对钢管内表面采取喷砂处理的方法，增加钢管内表面粗糙度，增加粘结强度。

3.4 改变产品结构型式：如将内衬做成波纹形的。

3.5 利用开口再填补的方法消除应力：预先在产品衬层容易开裂隙的两端开槽，切断衬层，再熔融相同的材料接上复原。

4 结论

本文对铸型聚酰胺-钢复合管内衬开裂机理进行了研究，并根据理论分析的结果提出了一定的解决措施。具有良好效果和可操作性，适应性广。

参考文献

[1]SY/T6662.3-2012 石油天然气工业用非金属复合管 第3部分：增强MC尼龙管和尼龙-钢复合管.

[2]魏安家等.衬塑复合钢管内衬层收缩现象的探讨[J].焊管，2012年4月.第35卷第4期.

[3]王显功.关于给水衬塑钢管的内衬塑料管收缩问题[J].水务世界，2006（01）：17-18.