可稀释粘接树脂在dn315钢丝管制备中的引入及性能测试

伍金奎 倪奉尧 孔涛 孙之状 孔德彬 刘树 刘智博

摘 要：通过力平衡法设计了增强层的钢丝配置，以EN312添加50%和70%的管道料作为粘接树脂，制备了dn315的钢丝缠绕增强聚乙烯复合管（简称钢丝管）。结果表明，EN312添加50%、70%的管道级聚乙烯使用，对钢丝的剪切强度影响不大。2个配方应用于dn315×1.6 MPa钢丝管，管材的剥离强度、爆破压力、20 ℃、3.2 MPa、1 h静液压、60 ℃、1.92 MPa、165 h静液压均满足GB/T 32439标准要求。EN312稀释使用表现出良好的抗高低温冲击穿丝能力。

关键词：钢丝缠绕增强聚乙烯复合管；粘接树脂；稀释使用

中图分类号：TQ32

文献标志码：A文章编号：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

鋼丝缠绕增强聚乙烯复合管［1-9］（简称钢丝管）是通过钢丝在塑料芯管左旋缠绕、右旋缠绕后用马来酸酐接枝改性的粘接树脂对钢丝进行固定而得到的高性能多层复合管道，其结合了金属和塑料各自的优点，因而具有更高的耐压能力。

粘接树脂［10-14］对增强体钢丝的粘接固定效果至关重要，直接影响钢丝管的耐热、耐压等性能。由于聚乙烯接枝马来酸酐过程中存在交联副反应，基体聚乙烯的熔体质量流动速率一般大于2 g/（10 min）；而具有耐压能力的PE80或PE100管道级聚乙烯因流动性差，用于马来酸酐接枝改性易发生交联副反应导致挤出加工困难。用于钢丝管中的粘接树脂层以非管道级原料为主，因而不利于钢丝管的承压能力的提升。前期研究［15-16］开发了可添加60%～80%聚乙烯管道料稀释使用的粘接树脂EN312，并探索了其在dn160钢丝管的应用。在前期的基础上，本研究通过力平衡法［1］设计了dn315×1.6 MPa钢丝管的钢丝配置，研究了EN312添加50%和70%管道料使用的2个配方管材的性能，为粘接树脂添加管道料使用在钢丝管的应用推广奠定基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

主要材料：PE100级高密度聚乙烯（P600）：工业级，大韩油化株式会社；PE80级高密度聚乙烯（2480）：工业级，中国石油大庆石化公司；粘接树脂（EN312）、黑色母（EM105G，炭黑含量42%），山东东宏管业股份有限公司；镀铜钢丝（直径0.9 mm）：工业级，山东大业股份有限公司。

主要仪器：WDS-W型电子万能试验机，河北承德精密有限公司；XLB25-D型平板硫化机，湖州双力自动化科技装备有限公司；GDW-1500型高低温试验箱，无锡科隆实验设备有限公司；dn630钢丝网骨架聚乙烯复合管生产线，四川金石东方新材料设备股份有限公司；XGNB-N-B型耐压爆破试验机，河北承德精密有限公司。

1.2 试样制备

1.2.1 不同稀释比粘接树脂与钢丝剪切强度试样制备

将粘接树脂（EN312）与PE80级高密度聚乙烯（2480）按照50∶50、30∶70的质量比混合后，用开炼机在温度190 ℃条件下混炼均匀，压成2 mm厚的板，用切刀切成2 mm×2 mm的小块备用，按照GB/T32439附录A制备剪切强度测试样品。

1.2.2 钢丝管的制备

钢丝管芯管及外层采用质量分数为35%的P600、质量分数为60%的2480、质量分数为5%的黑色母混配使用，芯管及外层挤出机的加工温度为195 ℃；粘接树脂（EN312）与PE80级高密度聚乙烯（2480）按照EN312/2480为50∶50（配方1）、30∶70（配方2）的质量比复配稀释使用，挤出温度为230 ℃；管材型号为dn315，管材公称压力为1.6 MPa，控制管材的壁厚为13～14 mm。

1.3 测试表征

（1）钢丝抗拉强度的测试。按照GB/T228.1测试所用钢丝的抗拉强度；

（2）粘接树脂与钢丝剪切强度测试。按照GB/T32439，以50 mm/min的速率测试的最大拉力，计算剪切强度，以10 组样品的平均值为剪切强度；

（3）管材剥离强度的测试：按照GB/T 32439附录B，以100 mm/min对管材进行剥离强度测试。

（4）管材高低温交变循环试验：将长度为1.2 m、端面磨平、不用封口环封口的钢丝管放入高低温循环试验箱，以-20 ℃×12 h、60 ℃×12 h为一个循环，循环14次，在3、7、14个循环后测试钢丝从端面穿出的长度；

（5）管材的爆破：将长度为1.2 m、端面磨平、用聚乙烯封口环对管端进行封口，按照GB/T32439进行爆破压力测定；

（6）静液压测试：将长度为1.2 m、端面磨平、用聚乙烯封口环对管端进行封口，按照GB/T 32439进行20 ℃、3.2 MPa、12 h以及60 ℃、1.92 MPa、165 h静液压测试。

2 结果与讨论

2.1 增强层钢丝配置的设计

根据GB/T 32439—2015要求，dn315钢丝管应该选用直径0.6～1.3 mm的钢丝；本研究选用直径为0.9 mm的镀铜钢丝为增强材料。根据文献［1］提出的力平衡法，缠绕钢丝的总根数N可以由以下公式计算：

N=4ri（ri+ro）cosα3PN-σbprori-1d2σbgsin2α-σbp

式中：N为钢丝最少根数（缠绕钢丝的总根数），根；ri为复合管内半径，144.5 mm；ro为复合管外半径，157.5 mm；PN为公称压力，1.6 MPa；α为钢丝缠绕方向与轴向夹角，54.7°；σbp为聚乙烯计算强度，其拉伸应变与钢丝断裂伸长相等时所对应的强度，16 MPa；d为钢丝直径，0.9  mm；σbg为钢丝拉伸强度，经测试为2 080  MPa。本次应用的dn315钢丝管的设计公称压力为1.6 MPa的钢丝管，将上述数值代入，可以计算出理论的钢丝的总数为306根。采用双层钢丝缠绕增强，为方便钢丝的均匀排布，实际按照308根钢丝排布，每层布置154根进行生产。

2.2 不同稀释比的粘接效果

表1列出了EN312添加50%、70%的PE80级管道专用料2480的粘接性能数据。

由表1可知，隨着粘接树脂EN312比例由50%降到30%，钢丝剪切强度的力值变化不大；但均大于GB/T 32439要求的13 MPa。可见，EN312经过稀释后对钢丝仍具有优异的粘接效果。从管材的剥离强度数据来看，随着EN312含量的降低，管材的剥离强度由30 N/mm增大到了39.8 N/mm，这可能是由于粘接层中PE80级管道料比例增强引起内聚强度增大导致。图1为2个配方管材的剥离状态，均为粘接树脂层内聚破坏，说明稀释使用的EN312对芯管、外层及钢丝均具有良好的粘接效果。

2.3 高低温交变循环试验

钢丝管端面需要采用PE封口环进行封口处理，一方面避免使用过程中水从粘接树脂层逐渐渗透，影响管材的承压；另一方面缓冲钢丝中残留应力的释放避免钢丝从端面穿出。高低温交变循环试验可以加速钢丝管中钢丝残留应力的释放，因此可以作为一种验证粘接树脂对钢丝粘接效果的加速试验方法。表2列出了2个配方粘接树脂经过不同时间在-20～60 ℃高低温交变循环试验钢丝从端面穿出的长度。

由表2可知，即使经过14 d高低温冲击循环试验，最大的穿丝的长度仅为0.11 mm。钢丝管端面的封口环的厚度一般为10～20 mm，如果封口后钢丝穿出的长度大于1 mm，会把封口环顶开而影响管材的长期使用。根据我们应用经验，钢丝穿丝的长度不大于0.5 mm，钢丝管不会出现因应力释放钢丝将封口环顶开问题。EN312添加50%、70%的PE80级管道料使用，管材经过14 d高低温冲击循环试验后，钢丝管端面钢丝穿出的长度短，具体如图2所示。说明EN312即使经过稀释，钢丝管也表现出良好的抗穿丝性能，主要与EN312稀释后对钢丝仍具有良好粘接强度有关。

2.4 管材的爆破试验

根据GB/T 32439—2015，钢丝管的爆破压力应不小于3倍的公称压力。因此管材的爆破压力要大于4.8 MPa。图3为2个配方管材的爆破曲线。

从图3可以看出，配方1、配方2管材的爆破压力分别为9.2、8.7 MPa，均满足了GB/T 32439—2015中大于了3倍公称压力的要求。

2.5 管材的静液压试验

根据GB/T 32439—2015，钢丝管静液压试验需要通过20 ℃、3.2 MPa、1 h静液压以及60 ℃、1.92 MPa、165 h静液压。图4为使用50%、30%EN312稀释的粘接树脂管材进行的20 ℃、3.2 MPa、12 h静液压曲线。2个配方粘接树脂分别使用50%、30%的EN312与PE80级管道料稀释使用，管材均通过了20 ℃、3.2 MPa、12 h静液压。图5为2个配方的管材进行的60 ℃、1.92 MPa、165 h静液压曲线。

从图4、图5可以看出，2个配方粘接树脂使用50%、30%的EN312与PE80级管道料稀释使用，管材通过了165 h的静液压测试，充分证明了EN312添加30%、50%比例与PE80级管道料稀释使用，管材的静液压测试也可满足GB/T 32439要求。

3 结语

设计了dn315×1.6 MPa钢丝管的钢丝配置，以EN312分别添加50%、70%的管道级聚乙烯作为粘接树脂制备了钢丝管并测试了管材的主要性能。EN312添加50%、70%的管道料使用，管材的剥离强度、爆破压力、20 ℃、3.2 MPa、1 h静液压、60 ℃、1.92 MPa、165 h静液压均达到GB/T32439标准要求；粘接树脂添加管道料稀释使用，为钢丝管行业提供了一种新的粘接树脂应用方案。

【参考文献】

［1］郑津洋，李翔，施健峰.钢丝缠绕增强塑料复合管［M］.北京：化学工业出版社，1-30.

［2］ 林秀锋.钢丝缠绕增强塑料复合管强度分析与优化设计［D］.杭州：浙江大学，2006.

［3］ 朱彦聪.钢丝缠绕增强塑料复合管外压失稳研究［D］.杭州：浙江大学，2007.

［4］ 饶静.钢丝错绕增强塑料复合管爆破压力研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

［5］ 师俊.基于钢塑界面脱黏的钢丝缠绕增强塑料复合管接头端部鼓胀失效研究［D］.杭州：浙江大学，2016.

［6］ 张超，孙运国，韩群亮，等.钢丝网骨架聚乙烯复合管材在煤矿井下的应用［J］.煤炭技术，2009，28（3）：157-159.

［7］ 孔令辉，王立凯.钢丝网骨架聚乙烯复合管中高压连接技术的研究与应用［J］.中国塑料，2017，31（4）：70-74.

［8］ 伍金奎，孔智勇，倪奉尧，等.钢絲缠绕增强聚乙烯复合管的80 ℃静液压研究［J］.塑料工业，2021，49（11）：168-172.

［9］ 伍金奎，倪奉尧，孔德地，等.10 MPa钢丝缠绕增强聚乙烯复合管的制备及其性能［J］.塑料工业，2022，50（3）：160-164.

［10］ 张汝义.聚乙烯接枝马来酸酐共聚物粘接性能的研究［J］.粘接，1995，16（3）：13-14.

［11］ 赵连国，刘洋，张良均.马来酸酐接枝茂金属聚乙烯制备及其粘接性能［J］.粘接，2011，32（1）：58-63.

［12］ 李文，张华华，闫瑞涛，等.热熔胶用马来酸酐接枝聚乙烯研究进展［J］.化工进展，2016，5（9）：2845-2849.

［13］ 杜壮，唐舫成，冯金茂，等.粘接树脂在钢丝网增强聚乙烯热水管中的应用研究［J］.中国胶粘剂，2018，28（2）：34-35.

［14］ 刘光远，王丰武，汪义辉，等.马来酸二丁酯接枝高密度聚乙烯及其在粘接树脂中的应用［J］.高分子材料科学与工程，2021，37（12）：17-23.

［15］ 伍金奎，倪奉尧，孔智勇，等.一种钢丝管粘接树脂及其制备方法和应用［P］.202110550670.0，2021-05-20.

［16］ 伍金奎，倪奉尧，孔智勇，等.可稀释使用钢丝管粘接树脂的性能及其应用研究［J］.粘接，2021，47（9）：8-12.