鋼塑復(fù)合中空材料的概念及工藝

鋼塑復(fù)合中空材料是一種結(jié)構(gòu)型的復(fù)合材料，具有鋼的優(yōu)良物理機(jī)械性能和塑膠的優(yōu)良化學(xué)性能，克服了鋼鐵不耐腐蝕、塑膠剛性強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)，并且可避免冷熱收縮、膨脹而脫層的弊端。

按塑膠與基體結(jié)合的工藝，鋼塑復(fù)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(gòu)件的外表面，層厚較厚，一般在1-5mm之間；鋼襯塑指鋼構(gòu)容器內(nèi)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(fù)合、噴涂、滾塑涂等。

埋塑防腐技術(shù)是應(yīng)用於鋼構(gòu)件外表面的涂塑防腐技術(shù)。它的工藝是這樣的：將一鋼構(gòu)件用火均勻加熱，大致整體溫度達(dá)到180℃，把它埋在塑膠粉末堆 ，由鋼鐵放熱吸附塑膠粉末，約十分鐘後，在鋼構(gòu)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(duì)其掃描式加熱，使之熔融成光滑的表面層。

對(duì)與產(chǎn)品配套的管道、管件內(nèi)襯塑也可用此法。把工件均勻加熱到180℃，把塑膠粉末灌滿內(nèi)腔，數(shù)分鐘後把未熔塑膠粉末倒出來(lái)，在工件外表用火把加熱，讓它全部熔融，形成內(nèi)表光滑的塑膠層。

上述以防護(hù)為目的的涂、襯塑，對(duì)小工件適用，但對(duì)大口徑管道、大容積容器的內(nèi)襯就不適合，主要原因是塑膠層在冷卻收縮時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)聚應(yīng)力，往往大於塑膠與鋼鐵的粘結(jié)力，會(huì)出現(xiàn)鋼塑介面分離。而鋼塑復(fù)合材料 增加鋼網(wǎng)，把整體塑膠層的收縮內(nèi)聚應(yīng)力分散限制在網(wǎng)格小范圍內(nèi)，加上鋼網(wǎng)焊接在鋼板上，就不會(huì)因塑膠收縮而引起鋼塑介面分離。

鋼塑復(fù)合中空材料的制作

鋼塑復(fù)合中空材料是中式旋塑制造大型鋼塑復(fù)合容器（如儲(chǔ)罐等）、鋼塑復(fù)合化工設(shè)備、大口徑多層鋼塑復(fù)合管的材料。作為鋼塑復(fù)合制品壁的材料，其制造工藝為中式旋塑制造鋼塑復(fù)合制品的生產(chǎn)工藝。

以大口徑鋼塑復(fù)合管為例，生產(chǎn)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(shè)、焊接； 4. 承插口焊接、脹圓；5. 上滾圈。二、塑膠預(yù)處理：1. 塑膠原料領(lǐng)取過(guò)秤；2. 篩選、去粗、混合、補(bǔ)足（補(bǔ)足篩選過(guò)程中的除去部分）；3. 入模（管）；4. 合模。三、上機(jī)熱成型：1. 氣路檢查；2. 上機(jī)；3. 機(jī)械檢查；4. 調(diào)整火把距離；5. 試轉(zhuǎn)；6. 點(diǎn)火；7. 隨時(shí)觀測(cè)火力及模內(nèi)情況，及時(shí)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)；8. 確認(rèn)、?；?。四、冷卻：1. ?；鸩煌C(jī)、保溫流平；2. 吹風(fēng)冷卻；3. 噴淋冷卻；4. 常溫冷卻、停機(jī)。五、下機(jī)開(kāi)模：1. 下機(jī)；2. 去滾圈、開(kāi)模；3. 打磨修整產(chǎn)品。六、外表面噴涂聚脲防腐七、成品入庫(kù)場(chǎng)。

這一新技術(shù)具有三個(gè)特點(diǎn)：

1. 從復(fù)合方法看，運(yùn)用旋塑工藝復(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，采用多層鋼塑整體復(fù)合，是一種鋼、網(wǎng)、塑通過(guò)焊接結(jié)構(gòu)，滾塑形成的新型鋼塑復(fù)合材料。

3. 從材料性能來(lái)看，屬?gòu)?qiáng)韌型新復(fù)合材料，具有革命意義的更新?lián)Q代性能，能促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。如，既耐壓又耐腐蝕的大口徑鋼塑復(fù)合管道被看作是世界級(jí)的難題，大口徑多層鋼塑復(fù)合管的專利獲國(guó)際金獎(jiǎng)。

鋼塑復(fù)合中空材料的性能研究

這一結(jié)構(gòu)型鋼塑復(fù)合材料是我們首創(chuàng)的一種新材料，它的力學(xué)性能沒(méi)有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)可查。為了科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)各類鋼塑復(fù)合材料的容器壁厚，我們自制樣塊、自行測(cè)試、研究得出以下結(jié)論。

化學(xué)性能：因內(nèi)面是復(fù)合的聚乙烯塑膠層，外面噴涂聚脲，它在使用過(guò)程中的耐腐蝕性與純聚乙烯等效。

拉伸、壓縮力學(xué)性能：經(jīng)測(cè)試，其拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度與純鋼鐵等效。聚乙烯塑膠的強(qiáng)度與鋼鐵的強(qiáng)度差距一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在復(fù)合材料拉伸、壓縮時(shí)，塑膠的強(qiáng)度不影響整體強(qiáng)度。

彎曲力學(xué)強(qiáng)度：從對(duì)比數(shù)據(jù)看，其彎曲強(qiáng)度值小於鋼板，大於塑膠板；值的大小取決於復(fù)合體內(nèi)鋼的含量百分比。鋼含量高，強(qiáng)度值大。但塑膠層改善了鋼的受力狀況，鋼塑復(fù)合板的彈性、韌性是純鋼板不可比擬的。

彎曲強(qiáng)度計(jì)算

◎鋼塑復(fù)合材料板的彎曲強(qiáng)度測(cè)試規(guī)范及計(jì)算公式：根據(jù)ASTM D790（英國(guó)A.B.格蘭維爾著，《塑膠工程手冊(cè)》）。

σ=3×W×s/2×a×t

式中： σ—彎曲強(qiáng)度（kg/m2） W—施壓荷載（kN/kg） s—計(jì)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6cm。）

◎鋼塑復(fù)合材料的強(qiáng)度計(jì)算公式：參照一般復(fù)合材料強(qiáng)度計(jì)算公式—混合法公式如下：

σ= σ1 v1 e1 + σ2 v2 e2

式中： σ—鋼塑復(fù)合材料板的強(qiáng)度（Mpa） σ1—鋼板的強(qiáng)度（Mpa）, 取370； v1—鋼占體積百分?jǐn)?shù)%； e1—鋼板厚（cm） σ2—塑膠的強(qiáng)度（Mpa)，取34； v2—塑占體積百分?jǐn)?shù)%； e2—塑層厚（cm）

◎經(jīng)23樣塊測(cè)試計(jì)算和公式計(jì)算，發(fā)現(xiàn)測(cè)試壓距為0.5cm時(shí)的強(qiáng)度數(shù)值，與混合法公式計(jì)算所得數(shù)值基本一致，其差數(shù)都在±5%以內(nèi)。因此混合法可作為鋼塑復(fù)合材料的強(qiáng)度計(jì)算公式。

鋼塑復(fù)合材料板的受力情況

以3號(hào)板為例。它的公式計(jì)算彎曲強(qiáng)度，比測(cè)試計(jì)算彎曲強(qiáng)度僅負(fù)2.4%。從它的應(yīng)力—應(yīng)變曲線走向看，它沒(méi)有屈服點(diǎn)，但形變達(dá)到厚度的百分之三十後，強(qiáng)度的增加率明顯減緩，整個(gè)線形與高聚物的應(yīng)力—應(yīng)變曲線接近。對(duì)照高聚物五種類型的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖，介於強(qiáng)硬（初始直線夾角70°）和強(qiáng)韌（初始直線夾角75°）之間，它為72°。

近年來(lái)，旋塑（滾塑）成型技術(shù)發(fā)展迅速，在材料、成型技術(shù)等領(lǐng)域都有飛速發(fā)展。圖片攝於無(wú)錫市海溪防腐設(shè)備有限公司。

表1 3號(hào)板應(yīng)力—應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，該板厚3.1cm（鋼1.1，塑2.0）作基準(zhǔn)

從上述情況可見(jiàn)，鋼塑復(fù)合中空材料的力學(xué)性能趨近高聚物的力學(xué)性能。從樣塊強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析，最佳鋼塑比的樣板的強(qiáng)度數(shù)據(jù)為113-135Mpa之間，與壓力容器鋼材許用強(qiáng)度114Mpa一致。也就是說(shuō)，鋼塑復(fù)合中空材料可制造壓力容器。

由此可見(jiàn)鋼塑復(fù)合材料既具有鋼鐵的強(qiáng)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(fù)合材料 鋼、塑最佳配比

從23塊的力學(xué)性能測(cè)試、計(jì)算、分析之後得出以下結(jié)論：

1、鋼塑復(fù)合材料的強(qiáng)度與鋼含量的百分比有關(guān)。鋼含量高，強(qiáng)度大；當(dāng)荷載超過(guò)鋼的屈服點(diǎn)後，塑膠含量高，彎曲反彈力大。

2、鋼含量的重量百分?jǐn)?shù)，體積數(shù)，厚度百分?jǐn)?shù)的數(shù)值是一致的。因此，從簡(jiǎn)便、實(shí)用角度考慮，可采取厚度百分比計(jì)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(jīng)分析，鋼、塑最佳體積比為25-30：75-70；重量比為75-70：25-30。

5、產(chǎn)品配方確定鋼、塑比，要以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合可加工性和必要性兩方面的實(shí)際而定。如，鋼板的可焊接加工厚度要求在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(duì)厚度。

鋼塑復(fù)合制品的成本研究

鋼塑復(fù)合中空材料 鋼塑含量的基礎(chǔ)計(jì)算

因?yàn)槿《ㄩL(zhǎng)a、定寬b的鋼塑復(fù)合板 ，只有鋼的層厚e1，塑的層厚e2是變數(shù)。因此，在鋼塑復(fù)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(fù)合制品的壁厚e（δ）設(shè)計(jì)及定價(jià)

鋼塑復(fù)合中空材料的存在形式是具體的鋼塑復(fù)合容器或其他物體的壁。以容器為例，鋼塑復(fù)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(xué)性能。因此，設(shè)計(jì)鋼塑復(fù)合容器壁厚，第一步：按容器的使用壓力計(jì)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(dāng)時(shí)的市場(chǎng)價(jià)計(jì)算成本、確定銷(xiāo)售價(jià)格。

下面以口徑DN為3000mm的鋼塑復(fù)合管為例，進(jìn)行計(jì)算： 設(shè)：DN—3000mm，工作壓力0.3Mpa，設(shè)計(jì)壓力P—1.0Mpa， 鋼許用應(yīng)力【σ】—235Mpa， 焊縫系數(shù)Ф—0.9。

求：該管的壁厚 δ（e）—mm。

代入公式：

δ=P×D/2【σ】×Ф =1.0×3000/2×235×0.9 =3000/423=7.1(mm)

按計(jì)算結(jié)果，該管道用7mm鋼板，15mm厚的塑層就可以。 下面換個(gè)角度思考，【σ】取鋼塑復(fù)合材料的測(cè)試平均強(qiáng)度—114Mpa，Ф取1，代入公式：

δ =P×D/2【σ】×Ф =1.0×3000/2×114×1 =3000/228=13.1（mm）

按計(jì)算結(jié)果，該管道用13mm鋼板，15mm厚的塑層就可以。鋼占46%，實(shí)際【σ】可達(dá)140Mpa。

假如再以【σ】—140Mpa 代入公式， δ =P×D/2【σ】×Ф =1.0×3000/2×140×1 =3000/280=10.7（mm）

從上述三次計(jì)算結(jié)果看，該管可以鋼板取10mm，塑層厚18mm。

以上是從內(nèi)壓的角度考慮的理論計(jì)算，有了設(shè)備還要整體做壓扁試驗(yàn)，進(jìn)行環(huán)剛度計(jì)算與看它的耐外壓試驗(yàn)情況，然後進(jìn)一步完善鋼塑復(fù)合管的管壁設(shè)計(jì)公式。

按上面管壁結(jié)構(gòu)和成本、定銷(xiāo)售價(jià)，先求1m長(zhǎng)的成本。

鋼的重量（kg）/m=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(jià)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÷1000 =0.895×1.8×94248÷1000 =151833÷1000=152(kg) 塑成本y2（元）m=塑單價(jià)n2（元/kg）×塑重量w2(kg) =13×152=1976(元)

合計(jì)1m管成本：3676+1976=5652（元），以25%毛利計(jì)，1m鋼塑復(fù)合管售價(jià)7065（元）?？梢詧?bào)的市場(chǎng)平均接受價(jià)為1萬(wàn)元/米。

鋼塑復(fù)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(guān)於管道環(huán)剛度測(cè)試計(jì)算公式有二個(gè)：

ISO 9966 S= （0.0186+0.025y/d） F/Ly 全塑的S=（0.1488+0.02y/d） F/Ly

S—環(huán)剛度kN/m2 D—內(nèi)徑m y—變形量m F—壓力荷載kN L—受壓管圈長(zhǎng)m

DIN16961 S=F/dL×ξ

S—環(huán)剛度kn/m2 D—內(nèi)徑m F—壓力荷載kn L—受壓管圈長(zhǎng)m ξ—變形系數(shù)，

查表得（一般以內(nèi)徑5%的變形率為準(zhǔn)，ξ取值0.1568，結(jié)果與ISO法的計(jì)算結(jié)果不一致，由於測(cè)試設(shè)備陳舊，因變形率與變形系數(shù)相對(duì)應(yīng)不很準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果也不準(zhǔn)確。）

在2006年10月，作了六個(gè)樣管到西塘色機(jī)廠理化室作壓力測(cè)試，現(xiàn)將情況列於表2。 表2 六個(gè)樣管的壓力測(cè)試

說(shuō)明：1、該批樣管的鋼管均為無(wú)縫鋼管。壁厚5mm的內(nèi)徑為130mm，壁厚3mm的內(nèi)徑為154mm。本次測(cè)試計(jì)算采用ISO法。

2、y—變形量m，標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)徑的5%。也就是測(cè)試壓距，內(nèi)徑的絕對(duì)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(yàn)有多個(gè)項(xiàng)目，分析情況見(jiàn)下文。

環(huán)剛度試驗(yàn)計(jì)算、對(duì)比、分析情況：

1、1號(hào)與2號(hào)比。結(jié)構(gòu)材質(zhì)一樣，壁厚不一樣。壁厚增加40%，而環(huán)剛度增加63.5%。 2、4號(hào)與1號(hào)比。鋼管壁厚一樣，襯塑比不襯塑，環(huán)剛度增加39.6%。 3、3號(hào)與2號(hào)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(hào)與5、6號(hào)比。鋼管壁結(jié)構(gòu)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(hào)與5、6號(hào)比。鋼管壁結(jié)構(gòu)一樣，有網(wǎng)塑的環(huán)剛度分別增加71.8%、47.3%。 6、4號(hào)與5、6號(hào)比。鋼管壁結(jié)構(gòu)一樣，純塑比改性料環(huán)剛度分別增加55.1%、61.5%。 7、5號(hào)與6號(hào)比。管壁結(jié)構(gòu)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(lái)看，含鋼量高，ISO值大，與1一致。

從上述分析可以得出幾點(diǎn)結(jié)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(fù)合的目的在於解決塑膠不耐壓的弱點(diǎn)。塑膠層在鋼塑復(fù)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(fù)合材料 有增強(qiáng)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(jié)性。

4、從測(cè)試樣管看，壓到兩壁面相碰鋼塑介面沒(méi)分裂脫開(kāi)，塑層沒(méi)裂縫。因此鋼塑復(fù)合管無(wú)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(xué)特性，即管頂受到的垂直壓力計(jì)算公式。

F=DLKd(Fsv.k+ΨqqvkDo)

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(yīng)系數(shù)，根據(jù)管道胸腔回填密度可取1.2-1.5 Kd—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(shè)計(jì)地面的覆土高度（m） Do—管道外徑（m） Ψq—管頂上動(dòng)載荷準(zhǔn)允系數(shù)可取0.5 qvk—地面車(chē)輛載荷傳至管頂單位面積上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）（注：該值的具體計(jì)算公式參見(jiàn)“CECS164:2004”標(biāo)準(zhǔn)。）

試算假設(shè)：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+ΨqqvkDo) =1.2×0.1×(360+0.5×1×4) =0.12×(360+2)=0.12×362 =43.44kn/m2(1kn=100kg)

3mm厚鋼板的鋼塑（黑塑）復(fù)合管的ISO200.0kn/m2其值大於43.44kn/m，可見(jiàn)鋼塑復(fù)合管的埋地後的綜合力學(xué)特性可以滿足使用要求。這有力的證明鋼塑復(fù)合管優(yōu)於鋼管的是耐腐蝕性好；它優(yōu)於塑膠管的是耐壓力性好。

以後有條件還需做“模擬砂箱法”檢測(cè)樣管頂上施加預(yù)設(shè)壓力（kN）。公式：Fto=F×L

Fto—管頂上施加預(yù)設(shè)壓力 F—使樣管在垂直方向外徑變形量為原外徑的30%的載荷（kN） L—樣管長(zhǎng)度（m）

壓縮速度：（mm/min）(沒(méi)破裂為合格)。

利用滾塑成型技術(shù)也可以成型具有一定柔性的多色制品。圖片攝於無(wú)錫市海溪防腐設(shè)備有限公司。

鋼塑復(fù)合管是一種新型結(jié)構(gòu)型復(fù)合管材，從制造上看，它增加了一個(gè)由鋼絲網(wǎng)焊結(jié)的過(guò)渡層。從性能上看，它既有鋼鐵的強(qiáng)度，又有塑膠的韌性和防腐，更重要的是它把整體塑膠層的收縮內(nèi)聚應(yīng)力分散限制在網(wǎng)格小范圍內(nèi)。在任何情況下（實(shí)驗(yàn)時(shí)把鋼塑復(fù)合管壓扁）鋼塑都不會(huì)介面分離。

鋼、塑層的厚度通過(guò)計(jì)算，一般鋼層厚幾毫米到十幾毫米（4mm以上），塑膠層厚十幾毫米到20、30毫米（一般10mm以上）。

鋼塑復(fù)合管受壓情況，從實(shí)驗(yàn)看一般排水管、供水管都可以承受，最大可以達(dá)到承受113-115Mpa之間，可以達(dá)到壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)114Mpa。

鋼塑復(fù)合管的環(huán)剛度，經(jīng)過(guò)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橛袖摪鍖?，一般都為S= 43kN/m2，大大超過(guò)4-8。