[发明专利]预防端部鼓胀失效的钢丝增强热塑性塑料复合管及制造方法

说明书

本发明涉及热塑性塑料复合管道领域，旨在提供一种预防端部鼓胀失效的钢丝增强热塑性塑料复合管及制造方法。该复合管包括热塑性塑料内层、包覆于热熔胶中的钢丝增强层、热塑性塑料外层，各相邻结构之间紧密结合；钢丝增强层至少有一层，是由多根钢丝螺旋交错缠绕编织形成，具有由不同缠绕方向的钢丝相交形成的交点；位于复合管两个端部最外侧的沿周向布置的交点，是以焊接方式实现固定连接。本发明从机理上避免了复合管服役过程中可能出现的钢塑界面脱粘、钢丝抽离现象，避免了端部鼓胀失效的发生。本发明无需对复合管进行翻边等处理，工艺流程更简单；处理后的复合管具有通用性，能够适用现有的各种接头连接方式。

技术领域

本发明涉及热塑性塑料复合管道领域，特别涉及一种预防端部鼓胀失效的钢丝增强热塑性塑料复合管及制造方法。

背景技术

近年来，随着经济的发展，油气资源的需求日益增大。管道运输作为一种承载能源流动的主要运输方式，凭借其一次性投资、低成本运营、安全程度高、适合长距离输送等优势成为油气资源开发利用的重要环节。除了油气运输外，压力管道也被广泛用于城镇供水、供热、燃气输送、排污等各个领域。压力管道包括金属管、非金属管、复合管。金属管道的优点是强度高，但金属管在使用过程容易受环境与输送介质影响发生腐蚀甚至破坏。非金属管重量轻、耐腐蚀能力强、安装快捷，但由于材料结构特点非金属管存在耐热性能差、抗蠕变性能差等缺点。复合管是将金属材料的高强度与非金属材料的耐腐蚀特性进行结合而制成，合理选择材料种类能使复合管实现力学性能优势互补的效果，具备更优异的综合性能。

钢丝缠绕增强塑料复合管(plastic-steel-plastic composite pressure pipe,PSP管)是以高密度聚乙烯(HDPE)为基体，以高强度钢丝错绕成型的网状骨架为增强体，高密度聚乙烯与高强度钢丝之间采用热熔胶粘结。PSP管凭借其独特的结构优势，使其同时具备了钢管高强度与塑料管耐腐蚀的优势，能承受较高的工作压力并保持一定的韧性，已广泛应用于油气田、市政建设、化工、农业、火力发电等领域。

PSP管的失效模式主要有强度失效、失稳失效、泄漏失效、接头端部鼓胀失效。接头端部鼓胀是指PSP管在长时间承载后会在管材接头处出现鼓胀变形、破裂的失效形式，同时在鼓胀变形处还会伴随有钢丝断裂的现象。工程实际中，端部鼓胀失效发生的位置通常为PSP管材的端部或接头处，并且即便对出现鼓胀的复合管增设金属加强箍，管材在接头处仍会发生鼓胀。根据工程实际案例内压载荷越高、温度越高，加载时间越长的情况下PSP管发生端部鼓胀失效的概率越高。随着PSP管的应用范围不断扩大，研究如何避免PSP管在使用过程中发生端部鼓胀失效十分必要。

本申请人的研究团队在之前的研究工作中针对PSP管的失效模式开展了大量理论、实验和仿真研究，其中：李翔通过设计钢丝-粘结树脂界面粘结强度试验，确定了PSP管端部鼓胀失效的主要原因是钢丝和聚乙烯界面脱粘，并提出了基于端部鼓胀失效的PSP接头设计分析方法；师俊考虑了接头处的三维应力状态，提出了基于剪切强度的钢塑界面失效准则并分析了温度、时间对界面强度的影响。

研究发现，PSP管端部鼓胀失效的过程分为两个阶段：第一阶段发生在PSP管的钢丝增强层，钢丝受到沿钢丝方向的剪应力作用，造成钢丝与塑料层间脱粘、引起钢塑界面失效。第二阶段，钢塑界面脱粘引发了钢丝处的应力重新分布，使得未脱粘的钢丝提前达到强度极限，引起管材发生强度破坏。