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纳米抗菌不锈钢塑料复合管材是一种新型管材，该管材在产品设计、纳米抗菌材料的技术应用和管道连接等方面都有所创新，它由纳米抗菌剂和有关抗菌载体配制后与热塑性塑料混合制成抗菌母粒作为内层抗菌层，热塑性塑料经挤出成型为内层塑料管，经涂覆热熔胶后，再在外层用不锈钢包覆，经焊接、打磨和抛光后制成，常用于室内供水、供暖和供燃气.这种管材因外层用不锈钢包覆，既不生锈又耐腐蚀，内层塑料管因与阳光和大气不直接接触而减缓了老化速度。
2005年，某住宅区6栋32层住宅楼的给水用纳米抗菌不锈钢塑料复合管道在试压期间发生大量泄漏，并发展到在没有压力的情况下，只要管道内有水就发生泄漏的严重事故。为查明该新型给水管道泄漏的原因，笔者进行了一系列的检验，以确定泄漏发生的原因。
1管材概况
这批复合材料管道最外层为0.8~1 mm的不锈钢带;第二层为非均匀分布的介于不锈钢带与第三层之间的热熔胶;第三层为厚度范围在5~10mm的热塑性高密度聚乙烯;第四层为纳米抗菌层，厚度在0.5 mm左右。管件为注塑件，管件与直管段的连接采用内层塑料热熔法连接，外层为不锈钢卡压连接。该管道为高层建筑给水管道，管道的设计压力为1.6 MPa，水压试验压力为2 MPa。
2 宏观形态分析
以随机方式抽样，即按直径、连接方式分别取DN160,DN90管材、弯头、法兰连接附件的样品，DN110,DN75管材的样品，发现泄漏的主要部位在法兰连接处。在所有样品截取前，重点考察几何尺寸有无异常，有无持久塑性变形的迹象，通过测量，没有发现明显的异常变形情况和塑性变形情况。
为查出泄漏的原因，将法兰附近150~200 mm长的管连同法兰一同截下进行检验与分析。随机从12对带有法兰的24个短节中抽取13个带有法兰的管段，其中DN160的选取8个，DN90的选取5个，用手锯缓慢从管段上切下，沿管轴线方向将带有法兰的管段刨分2~8瓣:小直径管最少为2瓣，多则达4瓣，大直径管最少为4瓣，多则达8瓣，以便进一步观察。
纵观所取样品中，发现主要存在以下几方面的问题:
(1)微裂纹与穿透性裂纹(见图la)。13个管段样品中10个管段存在此现象，大管径管更为严重，8个DN160管段刨分件均发现裂纹或贯穿性裂纹，占刨分大管的100%。小管径管所占比例较小，5个样品中发现2个存在微裂纹，占40%。
(2)注塑或热熔粘合缺陷(见图1b)。主要发生在注塑法兰环或法兰插人管内段与管内表面粘合层之间，表现为环状孔洞或层间间隙。
(3)不锈钢带与塑料管间粘合不良(见图lc)。主要表现为热熔胶分布严重不均匀，导致大面积缺胶，不锈钢与塑料管外壁间存在较大间隙。
(4)法兰与管热熔粘合后固化，在法兰伸入管末端与管内壁形成的非光滑连接严重凸出(见图1d)，造成几何形状的不连续，既增加了管内流体阻力，又造成管子壁厚突变，是引起应力集中的重要因素之一，也是所有观察裂纹的起源部位。 （图片）
图1 宏观形态分析3 复合塑料管有限元应力分析
复合塑料管的塑料层材料为HDPE，其弹性模量E为413.7~1034 MPa，当20℃，E≥800 MPa。有限元分析时:E为800 MPa，泊松比为0.3。材料的抗拉强度范围21.4~37.9 MPa。
用有限元分析软件ANSYS进行应力分析，建立模型时忽略直管两端边缘效应的影响，一般直管内衬的应力主要由两部分组成:一为管件在操作内压下产生的应力;二为内衬和钢管壁之间的粘结作用力，但由于不锈钢与塑料层严重连接不良，为更好模拟现实情况，故只考虑管件受内压的作用。同时，管材长度与管径相比，可视管材为无限长，不考虑不锈钢和塑料层间的摩擦，复合管质量不计，选择ANSYS软件中Solid 45单元来模拟塑料的变形单元(见图2)。（图片）
图2 结构示意及网格划分对模型进行手动划分网格，进行加载和求解，得到应力及位移结果为:最大径向应力在塑料管壁厚不连续A处(见图2)，其值为11.623 MPa;最大轴向应力在塑料管壁厚不连续A处，其值为7.247MPa;最大环向应力为13.505 MPa，发生在塑料管薄壁处，在壁厚不连续处环向应力大于10.898MPa;最大整体等效应力在塑料管薄壁处，其值为14.51 MPa，在塑料管壁厚不连续处等效应力最大大于10.767 MPa;最大变形量在塑料管薄壁处，其值为1.565 mm，最大径向变形量为1.062 mm，最大轴向变形量为1.555mm。
由以上分析结果可以看出:若无不锈钢层的加强作用，管道径向膨胀变形比较明显，最大径向变形量可达1.062 mm，达塑料层总厚度的20%;同时塑料层壁厚不连续区应力集中非常突出，其中最大径向应力达11.623 MPa。
4 管道泄漏原因分析
通过对刨分样品的宏观分析和对管道的ANSYS分析，笔者认为:法兰插入管端部与管内壁粘合部位为整个法兰连接区域最薄弱的部位，在水压试验压力下该处产生裂纹，部分裂纹逐渐扩展穿透管壁。裂纹穿透管壁后，由于外层不锈钢带与塑料管层严重脱节，使得管道内的水透过塑料管后可以很容易地渗入外层不锈钢带的内壁，再沿内壁渗入法兰环，从压圈环隙漏出。上述形成的泄漏通道只要存在稍许压力，即可造成泄漏，这是一有水就泄漏的原因。
其中造成裂纹的主要原因在于:
(1)几何尺寸突变，使得水压试验和工作压力下应力集中现象突出。管壁尺寸在该部位差一倍以上，几何形状严重不连续，从ANSYS分析也可以知道应力在该处特别大，达到了许用应力。
(2)材料内部存在注塑孔洞等缺陷，造成薄弱环节。
(3)材料加热与冷却历程复杂，残余应力水平高，裂纹优先在法兰插入管端部与管内壁粘合部位产生和扩展。在法兰管节插入管内壁时，由于加热作用，导致管内壁的熔体在表面张力的作用下，向法兰短管顶端部位迁移，削弱了该部位主管的壁厚，管材在该过渡部位壁厚最小。在冷却阶段，由于法兰短管部位冷却缓慢，管远离法兰短管部位冷却速度高，表面收缩严重，导致在该区域管内表面产生较高水平的残余应力，残余应力沿管轴向为拉应力状态，与工作应力或水压试验应力迭加，导致管在应力集中部位达到最大应力。
裂纹优先起源于该粘合部分的主要原因是管材在该过渡部位壁厚最小，工作应力与残余应力迭加后总体应力水平超过材料的屈服极限，无论有限元计算，还是对刨分管勘察，发现所有发生裂纹的管裂纹均起源于该部位。
5 改进建议
针对上述管道泄漏的原因，笔者建议采取以下改进措施:
5.1 改进法兰连接结构的设计，避免壁厚突变结构
虽然使用热熔的法兰连接的方法简单方便，并且由于管材、管件均为同种均质材料，连接质量更为可靠，但是根据上面的分析可知，这种连接方式如果处理不好将引起结构突变，并且由于需要对材料进行了多次的热熔，故在法兰连接处造成薄弱环节。因此建议改进这种法兰连接的方法，可按以下两种方法改进:
（1）将热熔的法兰连接方法改为《建筑给水超薄壁不锈钢塑料复合管管道工程技术规程)) ( CECS135:2002)中提供的不锈钢套法兰连接方式(如图3所示)，以避免壁厚突变的结构。（图片）
图3 不锈钢套法兰连接 (2)对于小管径的管件(DN≤32)，将法兰连接改为卡套式连接方式，这种连接方式管路严密性好，安装容易，拆装方便，卡环相当于管路上加了一个活接头，它不同于法兰靠压紧密封，而是靠自身反压密封，这样延长了产品的寿命，并且其质量比法兰连接质量可减轻40%~50%。
5.2 合理选择管的材料和焊接时熔接参数
合理选择管的材料和焊接时熔接参数，提高材料抵抗反复加热历程性能影响的能力，特别是法兰连接处需要多次热熔和冷切，应选择高密度聚乙烯(HPDE)中热稳定性比较好的材料。而这些主要是看玻璃化温度Tg、粘流温度Tf、晶体熔融温度Tm和热分解温度Td。结晶性塑料在晶体熔融温度Tm以上或非结晶性塑料在粘流温度Tf以上的温度条件下，固体材料熔融为粘稠的流体，因此Tm或Tf与Td之间的温度区域为热塑性塑料加工的温度窗口，塑料的焊接应在这个温度窗口内进行，温度的高低及窗口的宽窄直接影响塑料的热熔连接质量。而材料的热稳定性好坏可以在热熔后从管道连接处有无物料堆积和堆积是否均匀以及是否形成均匀的凸缘来判断，如果不均匀，甚至一边有空隙，就表示熔接不理想，难以保证其接头不漏水，此时应及时重新连接。
5.3 优化法兰加热冷却工艺
优化法兰加热冷却工艺，降低残余应力水平，控制加热温度和稳定产品质量，并且可以通过模具设计及加工工艺调整进行弥补。
6 结语
纳米不锈钢塑料复合管综合了不锈钢和HPDE两种材料在给水管道方面的优点，得到了各个行业越来越多的青睐。若能更好地发挥该复合管的优势，改善其原材料选择、生产过程质量控制、结构设计和施工工艺，这种新型的管材将得到更好的应用。
1/23/2008
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