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(jié)構(gòu)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(jié)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(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）膠粘復合、噴涂、滾塑涂等。

埋塑防腐技術(shù)是應用於鋼構(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，用火對其掃描式加熱，使之熔融成光滑的表面層。

對與產(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，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(nèi)襯就不適合，主要原因是塑膠層在冷卻收縮時產(chǎn)生的內(nèi)聚應力，往往大於塑膠與鋼鐵的粘結(jié)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(nèi)聚應力分散限制在網(wǎng)格小范圍內(nèi)，加上鋼網(wǎng)焊接在鋼板上，就不會因塑膠收縮而引起鋼塑介面分離。

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(shè)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(chǎn)工藝。

以大口徑鋼塑復合管為例，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、塑膠預處理：1. 塑膠原料領(lǐng)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(diào)整火把距離；5. 試轉(zhuǎn)；6. 點火；7. 隨時觀測火力及模內(nèi)情況，及時調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)；8. 確認、停火。四、冷卻：1. 停火不停機、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(chǎn)品。六、外表面噴涂聚脲防腐七、成品入庫場。

這一新技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(guān)行業(yè)的發(fā)展。如，既耐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(jié)構(gòu)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(jīng)濟地設(shè)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(jié)論。

化學性能：因內(nèi)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(jīng)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，大於塑膠板；值的大小取決於復合體內(nèi)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6cm。）

◎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(jīng)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(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。圖片攝於無錫市海溪防腐設(shè)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(jié)論：

1、鋼塑復合材料的強度與鋼含量的百分比有關(guān)。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(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，要以理論計算為基礎(chǔ)，結(jié)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(chǔ)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(shè)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(shè)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(shè)：DN—3000mm，工作壓力0.3Mpa，設(shè)計壓力P—1.0Mpa， 鋼許用應力【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)

按計算結(jié)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，Ф取1，代入公式：

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

按計算結(jié)果，該管道用13mm鋼板，15mm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】×Ф =1.0×3000/2×140×1 =3000/280=10.7（mm）

從上述三次計算結(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算，有了設(shè)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(shè)計公式。

按上面管壁結(jié)構(gòu)和成本、定銷售價，先求1m長的成本。

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(guān)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 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m ξ—變形系數(shù)，

查表得（一般以內(nèi)徑5%的變形率為準，ξ取值0.1568，結(jié)果與ISO法的計算結(jié)果不一致，由於測試設(shè)備陳舊，因變形率與變形系數(shù)相對應不很準確，計算結(jié)果也不準確。）

在2006年10月，作了六個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(nèi)徑為130mm，壁厚3mm的內(nèi)徑為154mm。本次測試計算采用ISO法。

2、y—變形量m，標準為內(nèi)徑的5%。也就是測試壓距，內(nèi)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(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(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號與5、6號比。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號與5、6號比。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號與6號比。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值來看，含鋼量高，ISO值大，與1一致。

從上述分析可以得出幾點結(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、鋼塑復合的目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(jié)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+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“CECS164:2004”標準。）

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）復合管的ISO200.0kn/m2其值大於43.44kn/m，可見鋼塑復合管的埋地後的綜合力學特性可以滿足使用要求。這有力的證明鋼塑復合管優(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”檢測樣管頂上施加預設(shè)壓力（kN）。公式：Fto=F×L

Fto—管頂上施加預設(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—樣管長度（m）

壓縮速度：（mm/min）(沒破裂為合格)。

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。圖片攝於無錫市海溪防腐設(shè)備有限公司。

鋼塑復合管是一種新型結(jié)構(gòu)型復合管材，從制造上看，它增加了一個由鋼絲網(wǎng)焊結(jié)的過渡層。從性能上看，它既有鋼鐵的強度，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)聚應力分散限制在網(wǎng)格小范圍內(nèi)。在任何情況下（實驗時把鋼塑復合管壓扁）鋼塑都不會介面分離。

鋼、塑層的厚度通過計算，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）。

鋼塑復合管受壓情況，從實驗看一般排水管、供水管都可以承受，最大可以達到承受113-115Mpa之間，可以達到壓力容器的標準114Mpa。

鋼塑復合管的環(huán)剛度，經(jīng)過計算與實驗，因為有鋼板層，一般都為S= 43kN/m2，大大超過4-8。