鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管是在聚乙烯（ＰＥ）管的基礎(chǔ)上研發(fā)出的復(fù)合管道產(chǎn)品，是我國(guó)自主研發(fā)的新型管材［１］。這類管材是以高強(qiáng)度鋼絲左右螺旋纏繞成型的網(wǎng)狀骨架為增強(qiáng)體，以高密度聚乙烯（ＰＥ－ＨＤ）為基體，用高性能粘接樹(shù)脂將鋼絲骨架與內(nèi)、外層 ＰＥ－ＨＤ連接在一起［２］。它結(jié)合了鋼材本身高強(qiáng)度、高剛度、低成本的優(yōu)勢(shì)和塑料質(zhì)量輕、運(yùn)輸與施工便利、耐腐蝕的特點(diǎn)，具有良好的綜合性能。
目前，鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管采用的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為ＣＪ／Ｔ１８９—２００７《鋼絲網(wǎng)骨架塑料（聚乙烯）復(fù)合管材及管件》，工作壓力范圍為０．４～３．５ＭＰａ，多采用電熔管件連接或金屬扣壓式連接。如果采用多根高強(qiáng)度鋼絲分層纏繞制造直徑較大且壓力較高的鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管，可應(yīng)用于中高壓工業(yè)領(lǐng)域。但由于現(xiàn)有中高壓力鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管連接技術(shù)方面的“瓶頸”，導(dǎo)致現(xiàn)有的鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管在中高壓管道領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，而只能大多應(yīng)用于低壓管道領(lǐng)域。因此，迫切需要管道制造企業(yè)和專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新研究，攻克鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管中高壓連接技術(shù)難題，擴(kuò)大鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管的應(yīng)用領(lǐng)域。
１鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管連接技術(shù)現(xiàn)狀
到目前止，鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管材已應(yīng)用了１０年多的時(shí)間。目前鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管材的連接方式主要有電熔管件連接和金屬扣壓連接２種類型。一般情況下，管道系統(tǒng)內(nèi)的流體在轉(zhuǎn)彎、截面突變處會(huì)產(chǎn)生很大的軸向推力，因此鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管連接處易集中出現(xiàn)品質(zhì)問(wèn)題。
１．１ 電熔管件連接
電熔管件連接是把電熱絲預(yù)埋在ＰＥ管件基體內(nèi)，焊接時(shí)將電熔管件套在待接的管材上，通電使電熱絲發(fā)熱，從而熔化管件的內(nèi)表面和待焊管材外表面，冷卻后使之融為一體
當(dāng)鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管材承受內(nèi)壓時(shí)，鋼絲形成拉應(yīng)力。在電熔管件連接下，鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管的端部鋼絲端頭并沒(méi)有固定到管件上，鋼絲是依靠鋼絲和周圍粘接樹(shù)脂之間的粘接力固定的。也就是說(shuō)鋼絲中承受的拉力是依靠鋼絲和粘接樹(shù)脂之間的粘接拉住的。電熔管件連接只對(duì)鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管材的外層進(jìn)行連接，承壓范圍較低，使用壓力一般限制于１．６ＭＰａ以下。
電熔管件生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，因此產(chǎn)品品質(zhì)有較大區(qū)別。在連接施工過(guò)程中，受環(huán)境、人員技能、焊接設(shè)備、材料、管件結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的影響，電熔管件焊接品質(zhì)控制難度較大，安裝不好易發(fā)生電熔管件連接的虛焊、偏焊、過(guò)焊、斷絲等事故，進(jìn)而可能出現(xiàn)管 道 連 接 的 斷 裂、焊 縫 漏 水 等 品 質(zhì) 問(wèn) 題，見(jiàn)圖 。
１．２ 金屬扣壓連接
金屬扣壓連接是將所有配套的金屬接頭通過(guò)扣壓機(jī)的模具施加收口力，將其牢固地扣壓在所配套的鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管上。這種管件連接使用標(biāo)準(zhǔn)的活套法蘭或金屬卡箍，將管路直接連接，可顯著節(jié)省時(shí)間，降低管接頭操作成本，提高效率，可廣泛應(yīng)用在石油開(kāi)采、天然氣輸送、礦山、化工、民用輸水等工程中。
鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管采用金屬扣壓連接可以滿足３．５ＭＰａ以內(nèi)的連接技術(shù)要求。但這種連接在承壓能力較高時(shí)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，易發(fā)生管道系統(tǒng)金屬扣壓接頭脫落、竄水、竄氣等問(wèn)題，見(jiàn)圖２。
２連接技術(shù)分析與研究
２．１ 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管管壁中帶有雙向成５４．７°的纏繞鋼絲，復(fù)合管所承受的內(nèi)、外壓載荷只有通過(guò)ＰＥ塑料層傳遞到增強(qiáng)鋼絲網(wǎng)，才能充分發(fā)揮鋼絲網(wǎng)的增強(qiáng)作用和承載能力。研究表明，由于鋼和塑料的彈性模量相差幾乎２００倍，復(fù)合管中約７０％的載荷由鋼絲承擔(dān)，而ＰＥ塑料層除了承擔(dān)小部分載荷外，主要起到密封、防腐和支撐結(jié)構(gòu)的作用［４］。
目前，鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管不論是電熔管件連接，還是金屬扣壓連接，都沒(méi)有把復(fù)合管材中承壓鋼絲進(jìn)行有效連接，導(dǎo)致復(fù)合管的耐壓優(yōu)勢(shì)發(fā)揮不出來(lái)，致使該產(chǎn)品僅能應(yīng)用于中低壓管道領(lǐng)域。因此，要解決好鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管在中高壓連接的技術(shù)問(wèn)題，關(guān)鍵是要解決好管材中鋼絲的連接。
２．２ 解決方案
鋼絲 網(wǎng) 骨 架 聚 乙 烯 復(fù) 合 管 在 管 道 壓 力 超 過(guò)
１．６ＭＰａ時(shí)，通常使用金屬扣壓連接。在常規(guī)的金屬扣壓連接中，復(fù)合管中鋼絲與鋼制增強(qiáng)件之間的連接，靠的是鋼制增強(qiáng)件與復(fù)合管材內(nèi)壁之間夾持力Ｆ１及Ｆ２，如圖３所示。
由于鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管同其他管材一樣，會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。如果復(fù)合管材內(nèi)的鋼絲兩端沒(méi)有固定，當(dāng)管材承壓、卸壓或溫度變化引起膨脹或收縮時(shí)，由于鋼絲與ＰＥ材質(zhì)的膨脹系數(shù)不一致，勢(shì)必引起鋼絲與ＰＥ之間產(chǎn)生滑移。正常情況下，當(dāng)管材膨脹時(shí)，鋼絲端部會(huì)縮回到管材內(nèi)部；當(dāng)管材收縮時(shí)，鋼絲端部會(huì)重新伸出到管材端面。但由于鋼絲的硬度遠(yuǎn)大于ＰＥ，并且尖銳，鋼絲頭往往會(huì)改變方向，插入到ＰＥ層中。管材承壓卸壓的頻率越高，溫度變化越頻繁，這種現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)率就越高，見(jiàn)圖４。
從鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，只有將復(fù)合管材中兩端的鋼絲連接在一起，才能解決該復(fù)合管材在中高壓領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，我們的解決方案就是采用特制鋼制增強(qiáng)件，將復(fù)合管材內(nèi)每根鋼絲在特制的鋼制增強(qiáng)件端面拐角處產(chǎn)生一個(gè)接近９０°的拐彎，從而使鋼絲與特制的鋼制增強(qiáng)件之間的連接牢固性增強(qiáng)。其連接結(jié)構(gòu)如圖５所示。
復(fù)合管材中鋼絲與特制鋼制增強(qiáng)件之間的連接除受到特制增強(qiáng)件與管材內(nèi)壁之間Ｆ１及Ｆ２對(duì)鋼絲的夾持力外，在復(fù)合管材接頭端面部位，還受到端面ＰＥ與特制增強(qiáng)件之間的Ｆ３夾持力。當(dāng)管道承壓、管材因溫度變化或壓力變化而產(chǎn)生長(zhǎng)度伸縮變化時(shí)，復(fù)合管材內(nèi)鋼絲幾乎不可能發(fā)生滑移，確保復(fù)合管材連接部位牢靠，其連接強(qiáng)度甚至大于復(fù)合管體的爆破強(qiáng)度。鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管這種新式連接技術(shù)滿足了中高壓領(lǐng)域的應(yīng)用要求，產(chǎn)品見(jiàn)圖６。對(duì)鋼絲管超強(qiáng)連接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室液壓實(shí)驗(yàn)，按 ＧＢ／Ｔ６１１１—２００３對(duì)復(fù)合管道系統(tǒng)進(jìn)行靜液壓實(shí)驗(yàn)，如圖７、圖８所示。
從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，ＤＮ１６０、ＰＮ９．０鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管進(jìn)行２ 倍靜液壓實(shí)驗(yàn)合格，再繼續(xù)升高至２１．３６ＭＰａ，產(chǎn)品仍然滿足要求，更進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼絲管超強(qiáng)連接技術(shù)的可靠性。
２．３ 性能特點(diǎn)
（１）滿足中高壓復(fù)合管連接的需求鋼絲管超強(qiáng)連接由于鋼絲在端部有一個(gè)９０°拐角，
不會(huì)發(fā)生后抽現(xiàn)象。因此，可用于更高壓力、更高溫度的介質(zhì)輸送領(lǐng)域。滿足鋼絲網(wǎng)骨架塑料聚乙烯復(fù)合管材不同壓力連接的需求，尤其是在中高壓領(lǐng)域，擴(kuò)展了產(chǎn)品應(yīng)用范圍。
（２）提高產(chǎn)品連接品質(zhì)相比常規(guī)的金屬扣壓連接，鋼絲管超強(qiáng)連接長(zhǎng)期
穩(wěn)定性好，克服了金屬接頭脫落及管道竄水、竄氣等故障。
（３）降低生產(chǎn)成本
鋼絲管超強(qiáng)連接強(qiáng)度依靠的是鋼絲產(chǎn)生９０°拐角后與特制鋼制增強(qiáng)件之間的連接，對(duì)特制鋼制增強(qiáng)件的長(zhǎng)度要求不高。另外，該連接技術(shù)不需要鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管封口處理，節(jié)省封口環(huán)工序環(huán)節(jié)，整體上降低生產(chǎn)成本。
（４）現(xiàn)場(chǎng)施工快捷方便電熔管件連接和金屬扣壓連接對(duì)復(fù)合管材的橢圓、壁厚控制要求嚴(yán)格，管材連接時(shí)對(duì)超差的復(fù)合管材需要輔助工具調(diào)整。鋼絲管超強(qiáng)連接主要是在管材生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行加工，現(xiàn)場(chǎng)施工僅僅把管道連接的金屬法蘭或金屬卡箍連接，現(xiàn)場(chǎng)施工快捷方便。
３ 工程案列分析
在湖北省恩施三峽大壩的上游，地處高山深溝地形。當(dāng)?shù)鼐用耧嬎щy，主要在山坡上挖集水池，靠收集山坡上流下的地表水生活。在當(dāng)?shù)匾蛔怪备撸罚福埃矶嗟纳缴?，有一水質(zhì)較好的水庫(kù)，適用于飲用。當(dāng)?shù)卣块T為改善居民的飲水條件，計(jì)劃利用山上的水庫(kù)為附近居民提供水源。該供水工程需從高約７８０ｍ的水庫(kù)取水，靠自流向下，經(jīng)過(guò)山溝最底部，然后再向上７３０ｍ，為位于另一垂直高為７３０ｍ的小鎮(zhèn)居民供水。整個(gè)供水管路從取水口到用水處有５０ｍ左右的落差，供水管路總體走向呈“Ｕ”形。供水管路設(shè)計(jì)為ＤＮ１６０，管道承壓約為８．０ＭＰａ。
正常情況下，這種高壓供水管路通常要選用鋼管。但由于當(dāng)?shù)厣礁邷仙?，交通條件有限，運(yùn)輸困難，而且山坡上管道安裝更困難，當(dāng)?shù)爻Ｄ瓿睗穸嘤辏艿婪栏瘑?wèn)題也突出。
高壓力鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管具有耐腐蝕性能好，適于當(dāng)?shù)爻睗穸嘤甑臍夂驐l件，內(nèi)壁光滑，流阻小，不結(jié)垢，管材柔韌性好，適于當(dāng)?shù)厣礁邷仙钇閸绮黄降牡匦?，管材輕便，方便施工等優(yōu)勢(shì)，適于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境。因此，在此供水管路中，最終確定選用高壓力鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管，管材規(guī)格為 ＤＮ１６０，壓力等級(jí)為９．０ＭＰａ，見(jiàn)圖９。
在鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管的連接方式中，普通的金屬扣壓連接難以能達(dá)到８．０ＭＰａ的要求，所以本項(xiàng)目選用鋼絲管超強(qiáng)連接。在管路設(shè)計(jì)中，配套一定的排氣閥、安全閥等配件，保證整個(gè)管道安全可靠。該供水管道工程項(xiàng)目已于２０１５年正式通水使用。
４ 結(jié)論
（１）通過(guò)對(duì)目前鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管連接技術(shù)的分析，得出復(fù)合管材受限于低壓管道領(lǐng)域應(yīng)用的主要原因是管材中起承壓作用的鋼絲沒(méi)有有效地連接；
（２）根據(jù)對(duì)鋼絲管超強(qiáng)連接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將鋼絲管連接端部的鋼絲固定，致使鋼絲管在承壓時(shí)不被抽動(dòng)，有效地解決了鋼絲管材中鋼絲的連接的問(wèn)題；經(jīng)過(guò)耐壓試驗(yàn)達(dá)到２１．３６ＭＰａ，表明鋼絲管這種超強(qiáng)連接技術(shù)是可行的；
（３）通過(guò)在湖北恩施山區(qū)供水工程中實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管這種超強(qiáng)連接技術(shù)可靠的，它能解決了鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管中高壓連接技術(shù)難題，助推鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯復(fù)合管道行業(yè)的健康發(fā)展。
