新产品-钢带增强聚乙烯螺旋波纹管

1、新产品钢带增强聚乙烯螺旋波纹管张玉川近年我国化学建材蓬勃发展中塑料管道的推广应用一直是个热点。 在塑料管道各个应用领域中塑料埋地排水管虽然起步较晚，但是发展非常迅猛。上世纪 90 年代全国的年产量才几万吨，到 2004 年塑料埋地排水管产量已经达到近 25 万吨。我们 预测我国塑料埋地排水管在今后几十年中将持续大发展， 2010 年将超过 60 万吨。 预测我国塑料埋地排水管前景广阔的 根据是： 1 ）全国 防治水污染，城镇建设和道路工程等投资热潮开拓了空前的市场需求。 2 ） 塑料埋地排水管的优点已经逐步被认识，生产和应用技术已经逐步普及。 3 ） 发展化学建材是国家的方针。各级政府支持推广

2、应用塑料埋地排水管。 4 ） 我国已经掌握相关塑料埋地排水管的先进技术，设备和材料实现了国产化。 5 ） 有关塑料埋地排水管的产品标准和技术规范已经逐步完善 。 1 推广塑料埋地排水管的难题 近年我国在推广塑料埋地排水管中遇到的一个主要障碍是在较大直径范围（内径 800 毫米以上）塑料埋地排水管的管材用料较费，价格较贵。根据各地实际的经验，在直径800毫米以下推广应用塑料埋地排水管比较容易接受，因为虽然管材价格比混凝土管贵一些，但是由于施工方便快捷等原因，综合造价接近，塑料埋地排水管密封好，耐腐蚀等的优点比较显著。但是在较大直径范围（内径 800 毫米以上）塑料埋地排水管材和混凝土管的价格差距

3、就越来越大，甚至可能差到几倍。即使施工费用较低，综合造价仍然高很多。因此，目前各地实际使用塑料埋地排水管较多的还是在直径较小的范围。各地政府明令限制和淘汰的混凝土管也只在直径较小的。（特别是不能保证密封，可能造成污染的平口或企口连接的混凝土排水管。）经过各方面的努力，不少地区也应用了部分较大直径的塑料埋地排水管，主要应用在有特殊要求（例如要求施工时间短）的场合，一直没有能广泛使用。 至今国内直径较大的塑料埋地排水管产品主要是全塑料缠绕结构壁管（仅有几家企业能够生产直径 800mm 以上的双壁波纹管，最大内径到 1200mm ）。主要有两种结构；一种是通常称为中空壁管'或双平壁管'

4、;的缠绕双壁矩形中空肋壁管'，这种结构最早上是芬兰凯威赫 KWH '公司开发的，后来我国从韩国引进该技术。因为生产线已经是国产化，全国已经有上百条生产线，是目前我国生产能力最大的全塑料缠绕结构壁管品种。另外一种是通常称为克拉管'的缠绕圆形中空肋壁管'，这种结构是我国从德国克拉 KRAH '公司引进的技术，全国有近 10 条生产线。全塑料缠绕结构壁管是用聚乙烯塑料缠绕熔接成的结构壁管。聚乙烯有柔韧、耐腐蚀、耐磨损、可以熔接等许多优点，但是聚乙烯弹性模量比较低（弹性模量 E P 在 800Mpa 左右），全塑料缠绕结构壁管需要耗用较多的材料才能达到要求的环刚

5、度。 以下是全塑料缠绕结构壁管材料耗费的资料（以每米重量计）。资料来源：中空壁管'有两组数据，一组来自国内某家生产中空壁管' 生产线和产品的企业提供的资料，一组来自 KWH 的技术资料；克拉管'有两组数据，来自德国两家生产克拉管'的著名企业 BAUKU 和 FRANK ，（没有查到国内生产克拉管'企业的米重资料）。 表 1 全塑料缠绕结构壁管单位米重资料从以上数据我们看到内径 1200mm ，环刚度 SN8 的全塑料缠绕结构壁管的米重已经达到 136 公斤 以上，其销售价格大约已是同内径混凝土管（柔性连接）的一倍。内径 2000mm ，环刚度 SN8 的

6、全塑料缠绕结构壁管米重高达到 499 公斤 ，价格差距就更大了。无论塑料埋地排水管有多少优点，如果价格太高，高到每米几千元，用户是很难接受的。 推广塑料埋地排水管中遇到的另一个障碍是全塑料缠绕结构壁管不能满足部分用户对高环刚度的要求。虽然只要多层缠绕，全塑料缠绕结构壁管的环刚度也可以做高，但实际上很难做到 SN8 以上。目前国内生产的全塑料缠绕结构壁管只有少数达到 SN8 ，大部分产品的环刚度在 SN2 和 SN4 ，还有不少在 SN2 以下。芬兰 凯威赫 KWH '公司的中空壁管' WEHOLITE 和德国 BAUKU 的克拉管' Profileen 最大环刚度是 S

7、N8 ，只有德国 FRANK 公司的克拉管' PKS 有环刚度 SN 16 的品种（其结构是三层缠绕，材料的消耗就更可观了，例如内径 2000mm SN 16 的 PKS 管米重 656.6 公斤 ）。目前国内不少设计用户单位对于应用塑料埋地排水管有顾虑（尤其是在较大直径范围）就是担心环刚度不够。 从道理上讲如果铺设完善，即使埋地排水管环刚度较低也可以安全使用。但是国内外的实践经验证明采用低环刚度的埋地排水管是有严格地条件限制的，如果铺设场地的土壤条件较差，铺设时的施工质量较低，或者承受的负载较重，采用低环刚度的埋地排水管就可能造成事故。换句话说，在不少工程中还确实需要采用较高环刚度的

8、埋地排水管。所以国家和国际标准规定的环刚度有 SN2 ， SN4 ， SN8 ， SN16 四个等级，国内外通常采用的环刚度是 SN4 和 SN8 。特别是在地质条件较差的地区就要求采用较高的环刚度，例如我国上海地区因为当地的土壤承载能力很差，地下水位又高，通常要求采用 SN 8 以上的塑料埋地排水管。 近来国内各地已经有不少塑料埋地排水管出事故，对塑料埋地排水管的信誉和推广造成严重损伤和挫折。其中不少就是因为采用了过低的环刚度。有些企业为了降低成本，争夺市场，偏面地宣传塑料埋地排水管承受负载靠管土共同作用，不负责任地向用户推荐采用低环刚度的产品，导致一些工程发生变形过大和压屈失稳的事故。 面

9、对全塑料缠绕结构壁管的以上两大缺点，有些生产企业为了降低材料消耗和生产成本，采用了在聚乙烯料中掺入回收料和填充料等多种办法。但是事实证明在全塑料缠绕熔接的基本结构下这些方法的效果很有限。而且掺入填充料等方法可能严重危害管材的性能，例如严重地降低熔接缝的强度和管材抗冲击开裂性能。 因此，我们认为要突破推广塑料埋地排水管的上述两个难题，必须依靠技术进步，走创新的道路。 近来国际石油市场出现严重动荡，导致塑料原材料价格的空前爆涨。大部分经济学家预测石油价格将在相当长的时期内保持在高位，因此塑料管业必须有应对原材料价格上升的战略措施。在这样的时代背景下，克服传统塑料埋地排水管耗费材料过多的缺点显得更加

10、重要和迫切。 2 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管是重大突破。2-1 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的发展 钢的弹性模量是聚乙烯的近 200 倍（碳素钢的弹性模量在 190000 Mpa 左右），结合金属和塑料的优点显然是达到高刚度低消耗的理想办法，问题是如何结合好，达到能够发挥两方面的优点，弥补两方面的缺点，实现高性能和低成本的统一。据我们调查国际上先后有日本、韩国、澳大利亚等国家研究开发埋地排水用的金属增强缠绕结构壁管。其中日本开发的产品 MRP （ Metal Resin Pipe ）最成功，已经得到广泛应用。以下是日本 KANAFLEX 公司 MRP 产品在东京 - 名古屋高速公路工地铺设的照片（

11、2002 年赴日考察照片）。 近年四川金石东方工业有限公司在四川森普管材股份有限公司密切合作下开始自主开发 MRP 技术，经过近 2 年的反复研究试验和工程试用，克服了钢塑粘接等技术难题，并配套开发了挤出焊接等多种管材连接方法，终于在 2003 年成功地开发出了钢带增强聚乙烯螺旋波纹管新产品和生产线。 目前四川、山东、浙江、福建、广东、云南等地十多条金石钢带增强聚乙烯螺旋波纹管生产线已经先后投产，钢带增强聚乙烯螺旋波纹管在各地铺设使用后受到普遍的好评。生产的内径范围在 800 -2000 毫米 。 2-2 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的结构 简单讲就是用连续钢带压成近似形的螺旋钢肋缠绕在内外两层热

12、熔接的聚乙烯间。其基本的生产工艺是： 1 ）碳素钢带预先进行涂塑（保证钢塑粘接的 粘接树脂 ）。 2 ）一台挤出机挤出聚乙烯带料缠绕并熔接成型管材的内层。 3 ）涂塑钢带通过成型机，横向断面压成 近似形，而且纵向适度弯曲成螺旋形的钢肋，缠绕并熔接在聚乙烯内层之外。 4 ）另外一台挤出机挤出聚乙烯带料缠绕并熔接成型管材的外层。 5 ）通过各部分温度、压力和速度的控制保证各层熔接成一个牢固的整体。 6 ）管材连续性缠绕成型，达到要求长度后锯切。 2-3 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管 的优点 1 ）达到高环刚度 首先是突破了 全塑缠绕结构壁管环刚度只能达到 SN8 的限制。目前国内生产的钢带增强聚乙烯螺

13、旋波纹管有 SN8 ， SN12.5 ， SN16 三个环刚度等级（需要时可以做到比 SN16 更高的环刚度，通常提供环刚度 SN12.5 的产品）。从此在各种使用条件下 的工程中都可以采用塑料埋地排水管。例如在某些沿海地区，由于土壤中含腐蚀性物质如果使用混凝土管工作寿命会很短， 很希望能够使用抗腐蚀的塑料埋地排水管。但是过去因为没有高环刚度的产品无法满足设计要求，现在就可以采用钢带增强聚 乙烯螺旋波纹管。 2 ）节约材料降低成本 最重要最突出的优点是在 达到高性能的同时，非常显著地节约原材料。众所周知，一项技术创新能够降低材料消耗 10% 通常就认为是重要成果。 SN12.5 和全塑缠绕结构

14、壁管相比在同样直径同样环刚度下材料的消耗将减少近一半，成本的降低将更多。原因就在钢的弹性模量比聚乙烯大 200 倍，薄钢带压成钢肋后达到的环刚度就远超过很厚实的聚乙烯结构层产生的效果。适当设计钢肋的厚度和高度就可以轻易地达到要求的环刚度。在钢带增强聚乙烯螺旋波纹管中聚乙烯的功能就是耐腐蚀耐磨损，所以在钢带增强聚乙烯螺旋波纹管中钢肋用料不多，聚乙烯的用料也不需要多。 以下是在相近环刚度下钢带增强聚乙烯螺旋波纹管'和全塑缠绕结构壁管'材料消耗的对比。请先看国外产品的对比。钢带增强聚乙烯螺旋波纹管'采用的是日本 KANAFLEX （称 MRP SUPER ）的资料，全塑缠绕结

15、构壁管'采用德国 BAUKU 的资料。 从上表中可以看到在直径 800 -2000mm 的范围。国外钢带增强聚乙烯螺旋波纹管和全塑缠绕结构壁管的米重比绝大部分在 0.4 以下。 下面我们比较国内生产的钢带增强聚乙烯螺旋波纹管和全塑缠绕结构壁管。钢带增强聚乙烯螺旋波纹管'采用金石东方提供的数据，全塑缠绕结构壁管'采用国内某企业提供的中空壁管'数据（ 800 -1500mm ）和 bauku 提供的克拉管'数据（ 1800 -2000mm ）。 从上表中可以看到国内钢带增强聚乙烯螺旋波纹管和全塑缠绕结构壁管的米重比在 0.35-0.61 。值得注意的是在钢带

16、增强聚乙烯螺旋波纹管的米重内大约近一半是聚乙烯和 粘接树脂 的重量，另一半是钢板的重量。碳素钢钢板的价格大约是聚乙烯价格的一半，所以钢带增强聚乙烯螺旋波纹管在总的米重上减少近一半，在成本上的降低会更多。 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管消耗的聚乙烯不到全塑缠绕结构壁管的三份之一，在近来聚乙烯料价格爆涨的形势下这是非常有价值的应对措施。 3 ） 钢塑粘接牢固，管材耐腐蚀耐磨损 金属增强成败的关键是要保证钢塑粘接牢固。为此国内在开发过程中做了大量研究和试验，一方面是通过钢带预涂 粘接树脂 作为聚乙烯和碳素钢之间的结合层，另一方面是通过控制生产成型过程中的温度，压力和时间参数保证钢塑各层都是在最合适的温度下

17、完善地熔接。 实现金属增强的另一个要点是要保护好容易被腐蚀的金属层。在此产品的结构设计中钢肋是完全被内外聚乙烯覆盖的。接触被输送液体和周围土壤及地下水的内外表面都是有一定厚度的聚乙烯层。因此钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的耐腐蚀和耐磨损性能是有保证的。 4 ）有多种连接方法满足不同工程的需要 国内已经配套开发出多种连接钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的技术。（这些连接技术将在下节中介绍。）目前各个生产企业正在和各地的用户合作继续研究和开发钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的连接技术。 5 ）保证生产企业获得较好的投资收益率 近来不少塑料管道生产企业在投资发展较大直径塑料埋地排水管时选择钢带增强聚乙烯螺旋波纹管。这是因

18、为一方面钢带增强聚乙烯螺旋波纹管具有以上介绍的突出优点，在当前市场竞争十分激烈，原材料价格高涨的环境下，必须推出性能优，成本低的新产品才能占领市场；另一方面是由于钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的生产线是国内自己开发和制造的，投资比较少而生产效率不低。 据我们调查，一条生产 800 -1200mm 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的四川金石生产线的投资大约是引进同规格克拉管'德国生产线投资的八份之一，大约是引进同规格双壁波纹管'德国生产线投资的十份之一。 目前四川金石生产线制造内径 1200mm 的钢带增强聚乙烯螺旋波纹管时的生产速度在 12 米 / 小时左右，生产效率高于各种全塑缠绕结构壁管

19、生产线。例如，根据德国 KRAH 克拉'公司的资料，其生产线生产内径 1200mm 克拉管'的生产速度是 10 米 / 小时，根据韩国有明机械'的资料，其生产线生产内径 1200mm 双平壁管'的生产速度仅是 2.5 米 / 小时。 3 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管有多种连接方法 国内生产钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的有关企业通过和用户的密切合作已经开发出多种连接方法，以适应各种不同工程的需要。目前这些连接技术还在继续发展和完善中，同时也在探索新的连接方法。以下简单介绍钢带增强聚乙烯螺旋波纹管现在采用的四种连接方法。通过试验这四种连接方法都可以达到 0.1MPa 密封试

20、验的要求（产品行业标准草案的规定）。 3-1 挤出熔料焊接 ： 出熔料焊接 就是用手持的焊枪挤出熔融的聚乙烯料，把连接缝两侧的聚乙烯熔接起来。（手持的焊枪主体是个很小直径的挤出机，能够把送入的聚乙烯焊条熔融后挤出。同时待焊的聚乙烯部分要用热风预热。） 国内首家生产钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的四川森普公司目前向用户提供的钢带增强聚乙烯螺旋波纹管主要采用的连接方法是挤出熔料焊接，通常采用内外双面焊接。（内径 800mm 以上工人可以进入管内焊接）根据森普公司的经验认为这一方法具有以下优点：保证密封不泄漏；连接比较方便和灵活；施工工具简单（只要焊枪和电源）；材料成本低，虽然焊接用人工较多，施工比较费时

21、间，总费用仍然比其他连接方法低。 我们建议重要工程可以采用以下方法增强连接处的强度： 1 ）把挤出熔料焊接方法和下面介绍的卡箍连接方法结合起来使用。 2 ）先用挤出熔料焊接保证管道的密封不泄漏，再用多条钢板连接桥带把待连接两管段的相邻凸棱铆接起来。 3-2 卡箍加密封带的连接 卡箍加密封带的连接就是用剖分的（即由对半分的两件组成，大直径可以用四分的四件组成）金属卡箍把待连接的两个管段从外圆周箍在一起。卡箍上做有凸起或弯边，卡住相邻的凸棱，使待连接的两个管段在轴向也固定住。卡箍和管材之间加一层弹性密封带，并在钢带增强聚乙烯螺旋波纹管螺旋槽的断头接缝两端塞上弹性密封块，依靠卡箍的锁紧张力压紧弹性密

22、封带和弹性密封块实现连接的密封不泄漏要求。 日本 KANAFLEX 生产钢带增强聚乙烯螺旋波纹管已经有多年经验，全部采用卡箍加密封带的连接方法。据介绍其优点是连接方便和灵活；对于现场条件适应性强；施工工具简单（只要手工工具）；人工费用少。卡箍加密封带的连接方法用于排雨水管肯定可以达到密封要求，但是不能保证达到排污水管对密封的要求。我们建议应用到排污水管领域时和挤出熔料焊接方法（在管道内焊接）结合。 3-3 热收缩套（带）连接 热收缩套（带）连接用的材料是聚乙烯套（带）和增强纤维网，经过电子加速器辐射使聚乙烯交联后再经过加热扩张和冷却定型，并在内壁涂热熔胶。连接施工时套在待连接管段的接缝处，通过

23、喷灯加热使热收缩套（带）收缩和内壁热熔胶熔接，形成密封不泄漏并有一定强度的连接接头。 根据森普公司等的试验，如果采用的热收缩套（带）质量优良，用热收缩套（带）连接方法连接钢带增强聚乙烯螺旋波纹管也是可行的，其优点是连接比较容易；施工工具简单（只要喷枪，不需要电源）；材料成本较低，虽用人工较多，总费用仍然比较低。值得指出的是热收缩套（带）连接方法应用于外壁成波纹形状的钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的密封效果要比应用在外表面平坦的双平壁管'的好，因为热收缩后和波纹外形完全贴合的热收缩套（带）形成一个波纹形状密封面。 我们建议：热收缩套（带）连接方法务必注意要采用质量合格和宽度足够的热收缩套（带）

24、。重要工程最好要和其他连接方法（如挤出熔料焊接和卡箍连接）合用。 3-4 电热熔带连接 电热熔带连接用的是专门制作的电热熔带。本体是聚乙烯的电热熔带内表面嵌有电热丝，通电后电热熔带内表面熔融和波纹管的沟槽熔接。 连接时先把一段电热熔带缠绕并拉紧在接缝前的波纹沟槽内，通电使电热熔带内表面熔融和波纹管的沟槽熔接，电热熔带没有覆盖到的轴向接缝要用挤出熔料焊接。需要时在管道内再用挤出熔料焊接。 带弹性密封圈的承插连接是埋地排水管最常用的连接方法，甚至可以说是不少用户最欢迎最习惯的连接方法，所以不少用户在了解钢带增强聚乙烯螺旋波纹管有突出优点后都提出一个问题：钢带增强聚乙烯螺旋波纹管能不能采用带弹性密封

25、圈的承插连接？由于钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的外面是螺旋形的波纹，显然不能和双壁波纹管那样方便于采用带弹性密封圈的承插连接。但是，开发带弹性密封圈的承插连接不是没有可能的。目前有企业正在开发和试验中。 4 有待进一步探索和完善 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管是开发和应用不久的新产品，国内还没有长期使用的实践经验，在国外应用的范围也不很广。显然还有许多问题需要进一步探索和完善。以下几个问题特别希望各方面共同来关注和推动： 4-1 复合结构的力学分析： 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管是金属和塑料的复合结构。众所周知，金属和塑料的物理特性是有很大差别的，金属是典型的弹性材料，而塑料则是粘弹性材料。所以钢塑复合结构

26、在承受负载时的力学分析比较困难。因为钢塑复合的埋地排水管在国外应用不很广，试验研究的资料比较少。目前查到的有澳大利亚 RIB LOC 产品 1996 年在美国犹他州大学试验的报告和分析 1 ，以及美国 Moser 著的地下管设计' 2 一书中相关的介绍。根据试验结果 Moser 的结论是这类钢塑复合结构埋地管的力学性能类似于波纹钢管。理论分析是因为是钢的弹性模量远大于聚乙烯，在这类钢塑复合结构中几乎所有的负载都是由钢肋承受的（而且聚乙烯在恒应变下应力随时间松驰）。 我们认为可以按照 Moser 的这个结论来指导钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的结构设计和承载能力分析，把聚乙烯层看作不承受负载的

27、防腐层，在力学分析中以钢肋承受全部负载来计算（采用设计波纹钢管的规范和参数）。这样可以使结构设计问题简单化（同时更安全）。但是在钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的结构中有部分是没有和钢复合的聚乙烯壁，在这部分中应力应变的情况还需要进一步深入分析。 4-2 钢塑粘接的可靠性： 根据 KANAFLEX 公司的经验，保证钢塑粘接可靠十分重要。前文已经介绍国内在开发 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管过程中对于保证 钢塑粘接采取了多方面的措施，在产品标准中规定了检测剥离强度'的要求和方法（参照石油行业标准 SY/T 0413-2002 埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准'）。但是毕竟国内还没有长期使用 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管 的实践经验，这一系列保证钢塑粘接的措施是否完善还有待跟踪考察和继续研究。 4-3 开发密封可靠，施工方便和费用较低的连接方法： 解决好钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的连接问题是能否顺利推广的关键。因为这种管材外周是螺旋的波纹形，管端的断面也是螺旋面，连接比较麻烦确实是其缺点。 国外此类钢塑复合结构的埋地排水管大部分应用于排雨水管或函洞，因此对于密封的要求不高（如日本排雨水管的密封试验只要求 0.02MPa ），所以可以采用比较简单的连