增強聚乙烯復合管卡套法蘭組件的研究設計*

鄒修敏 ， 胡 飛 ， 吳 勝 ， 劉 惺 ， 郝紅梅 ，許榮輝 ，趙樹輝

（1.四川化工職業技術學院，四川 瀘州 646099；2.四川自強科技有限公司，四川 瀘州 646000）

我國是農業大國，《第三次全國國土調查主要數據公報》顯示：我國耕地19.18 億畝，其中水田4.71 億畝，占24.55%；水澆地4.81 億畝，占25.12%；旱地9.65 億畝，占50.33%。各地農業灌溉因地制宜采取“引水”舉措，保障農作物保產增產。利用管道將水直接送到田間灌溉，可以減少水在明渠輸送過程中的滲漏和蒸發損失，但是管道將水源長距離輸送到田間地頭，由于水體中含有泥沙等雜物，輸送水體過程中水體對管壁具有很大沖刷作用，導致輸水管道壽命降低，因此對輸送水體管道提出了特殊要求。為了延長輸水管道的使用壽命、降低水體輸送成本，采用非金屬管代替金屬管勢在必行；此外，隨著我國加快海綿城市建設，地下管網也已成為城市基礎建設的核心內容之一[1]，由此，非金屬管道“以塑代鋼”應用范圍將不斷加大。隨著非金屬材料管道不斷涌現及其性能持續提升，增強聚乙烯管的應用會更加廣泛，因此，研究設計出連接、拆卸都方便的增強聚乙烯管接頭形式具有十分重要的意義。

1 增強聚乙烯管的應用及成型種類

增強聚乙烯（PE）管由于具有耐腐蝕性強、長期穩定性好、重量輕、安裝維修方便、柔性好、可塑性強等特點，已在城市輸水、農業灌溉、高層和超高層燃氣輸送、頁巖油和頁巖氣輸送、海底管道輸送等方面得到廣泛應用。增強聚乙烯管包括增強聚乙烯波紋管、增強聚乙烯纏繞管、HKPE 復合增強聚乙烯管、鋼帶增強聚乙烯管、纖維聚乙烯管、雙高筋聚乙烯管、鋼骨架復合聚乙烯管、鋼絲網聚乙烯管、連續玻纖聚乙烯管等。增強聚乙烯管成型方法主要有口模拉伸成型法、旋轉擠出成型法、壓縮空氣成型法、剪切拉伸控制成型法、其他應力場成型法[2]以及鋼骨架纏繞式成型法等，目前應用較多且特征顯著的是鋼骨架纏繞式聚乙烯管，本研究主要針對鋼骨架纏繞式聚乙烯管連接結構開展。

2 鋼骨架增強聚乙烯復合管結構及成型特點

由于普通塑料管在溫度較高時容易軟化，導致強度下降且易變形，由此有可能引起“爆管”現象的發生，因此需要對塑料管進行增強處理，增強聚乙烯復合管就是其中的一種，它由5 層結構組成，由內到外依次為芯管內層、芯管外層、裸鋼絲纏繞增強骨架、外保護層內層、外保護層外層[3-4]，增強聚乙烯管結構如圖1 所示。

圖1 增強聚乙烯管結構

芯管內層的材質為聚乙烯，芯管外層和外保護層內層為熱熔膠黏結樹脂、外保護層外層為PE100。芯管內層、芯管外層通過共擠一次成型構成雙層復合為一體的芯管，通過纏繞鋼絲，再通過溫控箱加熱使鋼絲黏合在芯管外層上面，同理，外保護層內層和外保護層外層采用一次共擠成型，由此獲得增強聚乙烯復合管，它既能滿足強度要求，又能有效耐水體的沖刷。

為提高鋼骨架纏繞式增強聚乙烯（PE）管的強度和性能，增強鋼絲網骨架與芯管和外層涂覆層結合強度，防止鋼絲網骨架與內芯層和外保護層發生分層現象，采用芯管內層與芯管外層雙層復合共擠一次成型、外保護層內層與外保護層外層一次共擠成型，纏繞增強聚乙烯管成型工藝過程[5]如圖2 所示。該工藝采用未經包覆處理的裸絲以及兩套復合共擠模具，使得一次性生產設備投入少，減少了增強鋼絲涂覆工序，不僅能降低生產線的成本，而且獲得的復合管各層之間黏結更加牢固，強度更高，從而減少了現有產品存在的鋼絲易抽絲等隱患。

圖2 纏繞增強聚乙烯管成型工藝過程

3 增強聚乙烯復合管常用連接結構

管道常用的連接方法主要有螺紋連接、法蘭連接、承插連接、焊接、黏接等[1,5-6]，而增強聚乙烯復合管常用的有法蘭連接和電熱熔連接兩種[7-8]，使用時應依據實際情況合理選擇連接方式。通常情況下埋地管道不會采用法蘭連接而會采用電熱熔連接形式[9]。電熱熔連接是利用鑲嵌在連接處接觸面內壁或外壁的電熱元件通電后產生的高溫，將接觸面熔接成整體的連接方法，它屬于不可拆連接。但是增強聚乙烯復合管在電熔管件連接時，復合管連接部位中間層的鋼絲網并沒有與下一節增強復合管鋼絲網固定連接，熱熔連接僅連接了兩節管道的內表面或者外表面，因此其熱熔連接并沒有對鋼絲網的加固起到任何作用，導致管道連接處連接強度不夠。此外，輸水管道往往在郊外，利用電熱熔連接不方便，因此往往采用可拆的法蘭連接，它是利用螺栓緊固套裝在相鄰管端上的端部連接方法，屬剛性接頭。法蘭連接不僅能節省施工工期、減少人工費用并提高效率，而且在6 MPa以內的水壓下承壓效果、穩定性和耐腐蝕性都較好，在山地、丘陵等高差大、距離長、山路起伏多的地帶常采用法蘭連接。

4 增強聚乙烯管快捷可拆連接結構設計

由于增強聚乙烯管和普通塑料管一樣，不能像金屬管那樣在端部構造成法蘭結構，由此需要設計一種快捷裝拆的連接結構形式，以便于及時裝拆。為了滿足這一要求，趙樹輝[10]設計出了一種法蘭組件接頭，它由法蘭頭、對開環、法蘭片、連接螺栓、法蘭骨架、管道等組成，當法蘭頭具有斜坡面時，對開環設有與之對應接觸的對開環內斜面，且受力止推座與對開環后座上表面之間呈直角，增強聚乙烯管斜坡面連接結構如圖3 所示。當法蘭頭具有后直角時，對開環設有與之適應接觸的對開環內直角，且受力止推座與對開環后座上表面之間呈直角或銳角，增強聚乙烯管對開內直角連接結構如圖4 所示。為了便于連接，法蘭壓舌的長度大于或者等于法蘭頭上表面長度的1/10，對開環后座的長度大于或者等于法蘭片厚度。當法蘭組件用于管道輸送中高壓介質時，兩端法蘭頭上表面與法蘭壓舌之間設有中高壓增強管件體，增強管件體應為電熱熔套管或金屬對開套管，增強聚乙烯管增設中高壓管件結構如圖5 所示。為了保證密封需要，兩個法蘭頭之間應設置密封圈或者密封墊片。為了采用可拆連接，對開環至少由兩個合圓組成，每片間留有大于等于2 mm間隙，對開環結構如圖6所示。

圖3 增強聚乙烯管斜坡面連接結構

圖4 增強聚乙烯管對開內直角連接結構

圖5 增強聚乙烯管增設中高壓管件結構

圖6 對開環結構

設計時需要滿足以下條件：D1≈d1、D1＜d2、D3≈d2，法蘭壓舌長度≥管端長度1/10，對開環后座長度≥法蘭片厚度。

5 工作原理

如圖3 所示，由于增強聚乙烯復合管管端直徑D1小于法蘭片內徑d2，所以在安裝時，首先將法蘭片通過管端分別套在需要連接的兩端管子上，然后在每一端把兩個對稱的對開環分別卡套在預連接的法蘭頭上，法蘭壓舌壓在法蘭頭表面，對開環后座壓在管道外表面，受力止推環是法蘭壓舌與對開環后座之間形成的凸臺，之后將兩塊法蘭片分別卡套在兩個對開環的受力止推座上，兩塊法蘭片通過螺栓連接，通過擰緊連接螺母，達到了增強聚乙烯復合管連接和密封的目的；此外，受力止推座距法蘭頭連接端面的長度大于法蘭頭上表面長度。拆卸時，只需擰松螺母，將連接螺栓卸下，就能夠達到將連接管分開的目的。這種連接結構簡單、裝拆快捷方便，法蘭腐蝕時不需要更換法蘭頭。

6 結語

由于鋼骨架增強聚乙烯復合管中間增設了鋼絲網加強層，普通熱熔連接不能將中間鋼骨架層有效連接而影響連接的整體強度，因此設計了一種快捷、方便裝拆的對開環卡套法蘭連接結構。它不僅能夠滿足連接強度要求，而且適用于山地、丘陵等高差大、距離長、山路起伏多的地區進行長距離輸送，結構簡單、裝拆方便、成本低，適用于各種非金屬管道的連接。