对开发增强热塑性塑料管的几点建议（一）
作者：张玉川
1积极又谨慎地开发增强热塑性塑料管
众所周知，热塑性塑料管有许多突出的优点，因此在很多领域内被广泛应用，并且不断地在发展和增长。但是热塑性塑料也有其明显的缺点，其强度和刚度较低，耐热性能有限.…等。因此国内外都在不断探索开发通过复合其他材料达到性能更理想的复合热塑性塑料管。我国塑料管业对于开发复合热塑性塑料管一直很积极，起步也比较早，积累了不少经验和教训，有的自主创新产品已经打开不小的市场。 复合热塑性塑料管的品种很多，其中尤以实现‘增强’（提高耐内压能力）为主要目标的最多。增强复合热塑性塑料管也已经有许多不同的种类，其中一大类的目标是通过增强达到能够承受高压，应用于工作压力超过1.6MPa的各种场合（不增强的热塑性塑料管通常最大工作压力在1.6MPa）；另一大类应用于工作压力在1.6MPa以下，其主要目标是通过增强减少热塑性塑料的消耗。 国内外的实践证明增强热塑性塑料管确实具有独特的优点，不少应用领域适合甚至必须采用增强热塑性塑料管。中国塑料管业发展到今天的水平，开拓新应用领域，开发高技术含量和高附加值的塑料管道是时代的要求。而且，近年随着石油价格的爆涨，塑料树脂日益昂贵的压力也迫使塑料管业必须寻找减少热塑性塑料消耗的办法。因为在某些应用领域和范围（如直径较大的中低压输水管道）采用增强热塑性塑料管代替不增强热塑性塑料管已经显示有节约材料降低成本的经济效益，我们相信增强热塑性塑料管更大发展是必然的趋势。 值得注意的是，过去发达国家开发和应用增强热塑性塑料管主要在高压领域（如石油天然气开采领域的RTP）和小直径范围（铝塑复合管），近年则不断有在中低压领域和大直径范围开发和应用增强热塑性塑料管的报道。例如：KRAH 公司的DR系列（用含短玻纤聚乙烯做增强层，复合缠绕熔接成型。据介绍壁厚可以减少一半。直径范围300-4000mm。）SOLVAY开发的HexelOne*专利技术（用取向聚乙烯做增强层，复合缠绕熔接成型。直径范围180-1200mm，压力范围10-25bar）。我们分析在也是反映了热塑性塑料树脂价格高涨带来的新动向。 同时，应该清醒地看到增强热塑性塑料管是处在发展探索阶段的新技术，在国际上也是开发和应用不久的新产品（例如：第一条RTP在1998年）。这和不增强的热塑性塑料管已经有长期使用经验，经过系统试验研究，建立了较完整理论和制订了较严密标准体系不同。尤其是，由于增强热塑性塑料管通常由性能特征相差很大的材料以不同的方式复合而成，因此其性能和行为的分析和判断变得比较复杂和困难。例如，由钢材（弹性体）和热塑性塑料（粘弹性体）复合的增强管，其力学性能和行为就既不同于弹性体材料又不同于粘弹性体材料，不能用任一种力学理论去解释和设计。 历年来，国内外都有许多增强热塑性塑料管的新设计新专利提出来。但是并不是都能够在市场上立足。这是因为要通过复合其他材料增强时要做到优势互补而不带来不能接受的缺点或代价并不容易，需要解决很多技术问题。换句话说，如果设计不当，很可能增强效果有限，而复合形成的缺点确很突出，产品缺乏可靠性和竞争力。所以增强热塑性塑料管一直是个国内外热门的科研课题，许多企业和科研部门开展了大量的试验研究。近年增强热塑性塑料管的标准体系有了较大进展。目前海洋石油开采用的增强热塑性塑料管--挠性管’已经有比较完整的标准和规范，（美国石油组织API规范和相应的ISO标准）。高压输天然气的增强热塑性塑料管—RTP已经先后发布德国DVGW的标准和ISO标准。（参见附件A：增强热塑性塑料管有关的标准规范）。 因为国外相关的新技术通常处在严格保密或专利保护下，我国发展增强热塑性塑料管不太可能如同过去发展不增强热塑性塑料管那样全套地引进设计、制造、检验、铺设和使用的技术（通常是已经公开和普及的技术）。我们只能在尽量吸收国外技术成果的同时，更多地依靠自主的试验研究和开发设计。所以我国开发增强热塑性塑料管必须要投入较大的功夫和经历较长的时间，不可能如同当年发展不增强热塑性塑料管那样迅速上马，立刻见效。希望有意向发展增强热塑性塑料管的企业和研究部门需要对于自主开发的艰巨性有充分的认识。尤其是需要对于增强热塑性塑料管在理论上和实践中的复杂性（不同于单纯热塑性塑料）有足够的估计。 近年国内一些企业积极开发增强热塑性塑料管，提出了不同的方案，做了大量的探索。对于这些开发无疑应该支持和鼓励，但本文作者希望提醒这些开发者吸收历史的经验教训，把勇于创新的精神和尊重科学的态度结合好。特别是不要急于求成，不要把没有经过严密分析和系统试验的‘新产品’就投入大量生产和使用。近来国内出现的一些增强热塑性塑料管的‘新产品’在可靠性方面试验研究不足，难以让用户信任。例如：有的企业把钢增强塑料埋地排水管（按照提高环刚度为主要目标设计的）直接用于压力输水管显然不合理的。因为热塑性塑料短期性能和长期性能有很大差别，如果就根据短期可以使用就认定能够长期承受内压是很危险的。 在开发新型管材方面我们应该学习国外先进国家的经验，在一种新产品大量生产和使用之前，一定要进行详细严格的分析研究，经过长期系统的试验和试用，明确规定质量保证的要求。例如：国际上为了完善和推广‘芳纶纤维增强热塑性塑料管RTP’，由生产企业、用户企业和科研机构及大学联合组织起来开展一个JIP计划，几年来进行了大量的研究和试验，提出了相关的标准规范。 所以衷心希望国内塑料管业能够总结和吸收历史的经验教训，积极又谨慎地开发增强热塑性塑料管，尽快赶上这个领域与国际的差距，并争取逐步走向自主创新。为了推动我国增强热塑性塑料管的发展，本文将分析和讨论增强热塑性塑料管的几个基础问题，提出一些意见和建议供探讨。并将介绍国内外开发增强热塑性塑料管的一些相关信息和资料供参考（并说明有关资料的来源和进一步查询的途径）。 2增强热塑性塑料管的应用领域和种类
因为在不同的应用领域有对不同的要求，国内外开发了多种不同材料和结构的增强热塑性塑料管。这些种类繁多的增强热塑性塑料管通常采用不同的名称，而且有不同的标准和规范。 需要注意的是，国际上通常只把三层结构，中层用合成纤维或钢丝缠绕增强的那类增强管称为‘增强热塑性塑料管reinforced thermoplastic pipes（简称RTP）’。而本文中的增强热塑性塑料管是广义的，包括所有通过结合其他材料达到增加耐压强度的热塑性塑料管。（不包括涂塑或衬塑的金属管。） 增强热塑性塑料管已经广泛应用于各个领域：
? 建筑内冷热水管道领域：
铝塑复合管：铝塑复合管也是一种增强热塑性塑料管，目前已经在国内外广泛应用，国外的应用量不断增长。国内还有钢塑复合管（国外只见到一家企业Delpex有不锈钢的钢塑复合管。） ? 石油和天然气开采和天然气高压输送领域：
三层结构‘增强热塑性塑料管RTP-reinforced thermoplastic pipes’。主要应用于陆地（和浅海）的石油和天然气开采（集油管，注水管等）,以及天然气的高压输送。直径范围在50-400mm最高压力到25MPa。生产企业有PIPLIFE（奥地利），Tube d’Aquitane（法国），Coflexip（法国），Wellstream（美国），Zapsiptechnologies（俄罗斯）和我国的‘高详’和‘晨光’等。
多层结构‘挠性管Flexible Pipe’。应用于海洋石油和天然气开采（跨接管，流通管，上升管等）。生产企业有Wellstream（美国），Coflexip（法国），NKT Fexibles（丹麦）等。国内还不年能生产，全部依靠进口。 ? 城乡输水管道领域：
目前国内应用最多的增强热塑性塑料管是细钢丝直接缠绕增强聚乙烯管--‘钢丝网骨架聚乙烯复合管（CJ/T 189）’，此外还有早期开发的‘钢骨架聚乙烯复合管（CJ/T 124）’和‘孔网钢带聚乙烯复合管（CJ/T 181）’。主要应用城乡输水管道，目前最大直径610mm，最高压力到3MPa。
近年新开发中的有‘钢增强低压聚乙烯复合输水管’，主要应用于较大直径和较低工作压力的城乡输水管道（引水管、灌溉管），需要在增加抗内压能力的同时提高抗外压性能。 ? 特殊管道领域，例如：
‘海底输水管道’--日本从1975起已大量应用多层复合增强聚乙烯管于海岛的‘水下供水管’[8]。我国06年在大连向长海岛输水的18公里跨海管道工程（海中16公里）中采用‘煌盛’管业集团生产的钢丝增强聚乙烯管（直径450mm，设计压力1.6MPa，每根长50米）。
‘地热水输送管道’--日本为了利用地热资源在温泉区建立热水管网，采用以交联聚乙烯PEX为内衬导管的增强热塑性塑料复合管（最高温度80℃，压力1MPa）[8]。
‘消防管道’--日本本州到四国的著名悬索大桥的消防管道就采用了多层复合增强聚乙烯管[8]。
‘矿山和工业用管道’--天津市东浩软管科技有限公司等生产的增强尼龙管以其优异的耐压、耐油、耐磨、耐高温性能应用于矿山和工业的液压传动中，增强聚四氟乙烯管适用于高温（250℃蒸汽）、高压的特殊环境。
‘汽车飞机用管道’—上海市塑料研究所生产的钢丝增强聚四氟乙烯管应用航空和航天用飞机、火箭、导弹、高挡汽车用液压、燃油、滑油、氧化剂用管道。 可见，国内外开发的增强塑性塑料管种类繁多，这些增强热塑性塑料管之间在材料、结构和设计上有很大差别。包括： ? 采用不同的增强材料：
金属：钢丝、钢带、钢骨架、铝带；
非金属：短纤维、长纤维丝（合成纤维、玻璃纤维、碳纤维等）、纤维丝织物等；
热塑性塑料：取向增强带；
热固性塑料：玻纤增强环氧树脂；
? 采用不同热塑性塑料；聚乙烯、交联聚乙烯、尼龙、聚丙烯、PVDF等；
? 采用不同的增强方式：缠绕增强；非缠绕增强；
? 采用不同的结合方式：粘接的复合；不粘接的复合；
? 达到不同的功能要求：单纯增强提高耐内压能力；提高耐内压能力的同时提高其他性能 从国内外发展增强热塑性塑料管的实践经验看，成功进入市场的产品通常是针对应用领域的特别定要求进行设计的，都有一个适用的范围，并没有出现一种能够适应各个应用领域的增强热塑性塑料管。因此，本文作者第一个建议是：
开发增强热塑性塑料管要先明确应用的领域和要求的目标。 3增强热塑性塑料管的力学原理
众所周知，任何管材在承受内压时将在管壁内形成环向的和轴向的拉应力。轴向拉应力比较小，是环向拉应力的一半。不增强的热塑性塑料管是由管壁的热塑性塑料承受这些应力。目前已经有完整的理论和标准来进行强度的计算和对于使用安全的判断。 增强热塑性塑料管是依靠结合其他材料来增加管材的耐内压能力。换句话说，增强热塑性塑料管承受内压时在管壁内形成的环向的和轴向拉应力将由增强材料和热塑性塑料共同来承受。所以，增强热塑性塑料管力学原理的首要问题是负载的分担问题。我们必须搞清楚在承受内压时增强材料和热塑性塑料中分别承受的负载和形成的应力。这个‘负载分担问题’不搞清楚就没有进行设计的基础。这又是一个比较复杂，长期有误解的问题（例如有的企业开发增强热塑性塑料管时按照增强层和塑料层同时达到容许应力的理想状态设计）。 根据力学分析和参考对国内外各类增强热塑性塑料管的调查，本文作者建议国内在开发增强热塑性塑料管时可以按照以下的简化和安全原则进行设计计算：
增强热塑性塑料管的内压负载全部由增强材料承受。
此建议的理由是根据力学分析可以肯定增强热塑性塑料管的内压负载确实绝大部分是由增强材料承受的。使用时间越长，增强材料承受的比例越大。以下是简单的说明：（详细的分析和说明请参考本文作者的另一报告：‘金属增强复合塑料压力管的力学分析’。）
在增强热塑性塑料管中通常增强材料和热塑性塑料始终处在粘合状态（如非发生破坏），所以在界面上应变就必然是相等的。材料的应力和应变之间的比值是材料的弹性模量。在相等的应变下应力的比例就取决于弹性模量的比例。增强材料和热塑性塑料的弹性模量通常有巨大的差异，这就决定了在增强层和塑料层中应力的巨大差别。 而且，热塑性塑料是‘粘弹性体材料Viscoelastic material’。 在不容许自由应变的条件下（受到弹性模量高的增强层限制），粘弹性体材料将在恒定的应变下发生应力松驰。应力松驰使热塑性塑料层弹性模量随着使用时间不断降低，造成增强层和塑料层的应力比例逐步增大。 因此，增强热塑性塑料管的一个特殊和重要的力学现象是内压负载在热塑性塑料层中形成应力很小，绝大部分的负载是由增强材料来承受的。 这里用一个实例说明：瑞士EMPA 的M. Farshad在2006年第13届国际塑料管会议发表的报告‘多层复合管的长期抗静液压强性能LONG-TERM HYDROSTATIC RESISTANCE OF MULTI- LAYER PIPES’中对于一铝塑复合管进行了详细的力学分析。得到的结论是由于铝的弹性模量远大于PE的弹性模量（初期差70倍，长期差467倍），内部静液压负载主要依靠中间的铝增强层承受（初期78.7%，长期88.1%）。 在工作压力很高的增强热塑性塑料管中（尤其是采用钢材增强时）增强层承受负载比例更大。所以按照内压负载全部由增强材料承受设计显然是可以把设计问题简化，并保证安全。 根据本文作者的调查，国际上增强热塑性塑料管的设计也是采用这个原则的： 国外金属增强复合塑料压力管中有正式规范的是石油开采的挠性管（Flexible Pipe）。在美国石油组织（American Petroleum Institute）制定的API规范和ISO的相关标准中虽然没有直接说明，但是从对于增强层和塑料层分别规定的设计要求可以说明是按照全部内压负载由增强金属层承受计算的。 英国Newcastle Upon大学A.G.Gibson在第10届国际塑料管会议上发表的‘连续纤维增强热塑性塑料管（RTPs）用于石油天然气工业的流体输送和分配’报告中提供的爆破压力计算公式就是按照压力完全由增强纤维束承受得出的[2]。 国内引进RTP技术的‘高详’和‘晨光’公司采用的短期爆破强度计算公式表面上不同，实际上都是按照内压负载全部由增强材料承受的原则计算的（在缠绕角度55度下可以换算成相同的计算公式）[11] [12]。此外，国内在增强橡胶管的设计中也一直是按照内压负载全部由增强材料承受的原则计算的。增强橡胶管在国内已经有较长的使用经验，可以作为对以上建议的另一个支持依据。 必须强调说明的是：本文作者建议在耐压强度设计中不考虑塑料层，并不是认为塑料层不需要进行力学分析（如在增强材料间缝处塑料层的应变问题、形成应力集中处的断裂力学问题、在与管件连接处的蠕变和应力松驰问题），而是认为塑料层的结构和尺寸设计应该根据耐内压强度以外的其他要求确定。更不是认为既然内压负载都可以由增强层承受，塑料层就无关紧要，就可以采用低品质的材料。在ISO/TS 18226技术规范中要求RTP内衬管要采用MRS超过8MPa的‘管材’级聚合物，要求‘不含填充料’等。
--未完待续--
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