塑料管道靜液壓強(qiáng)度和壽命預(yù)測(cè) 1、靜液壓強(qiáng)度檢測(cè) 壓力部件設(shè)計(jì)的最基本的一點(diǎn)就是強(qiáng)度校核。對(duì)于輸送壓力流體的塑料管道系統(tǒng)而言，我們要考慮的是塑料管道承受內(nèi)部液體壓力的強(qiáng)度，專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)為靜液壓強(qiáng)度，單位是MPa。 評(píng)價(jià)塑料管道材料靜液壓強(qiáng)度的一般方法是液壓試驗(yàn)：采用擠出或注塑成型的管材作為試樣，被置于一定溫度的試驗(yàn)箱里，試樣內(nèi)部充滿(mǎn)一定溫度的水（外部可以是水也可以是空氣），以施加一定的壓力，記錄試樣破壞的時(shí)間。 管材在壓力的作用下，管壁會(huì)誘發(fā)一定的應(yīng)力，包括徑向的應(yīng)力、軸向的應(yīng)力和環(huán)向的應(yīng)力。其中環(huán)向應(yīng)力（又稱(chēng)環(huán)應(yīng)力）是管材破壞的主要原因，因此在考察塑料管材材料的強(qiáng)度時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，只考慮環(huán)應(yīng)力。在一定溫度一定時(shí)間的條件下，管材試樣所能承受的最大環(huán)應(yīng)力（破壞時(shí)的環(huán)應(yīng)力）就是管材材料在這個(gè)條件下的靜液壓強(qiáng)度。計(jì)算公式如下：
σ——管壁承受的環(huán)應(yīng)力（MPa）； P——試樣內(nèi)部的液體壓力（bar）； e——試樣的最小壁厚（mm）； d——試樣的平均外徑（mm）。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1167《流體輸送用熱塑性塑料管材、管件和組合件——耐內(nèi)壓性能的測(cè)定》，一共4個(gè)部分，適用于管材試樣、管件試樣以及組合件試樣，標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了該方法所需要的設(shè)備、試樣制備、具體步驟和判定方法。與之相對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T6111《流體輸送用熱塑性塑料管材、管件和組合件——耐內(nèi)壓性能的測(cè)定》。由于確定了材料的強(qiáng)度，從而使應(yīng)用于一定條件的塑料管道的壓力設(shè)計(jì)計(jì)算有了可參考的依據(jù)。另外這個(gè)方法還可以用來(lái)驗(yàn)證塑料管材的耐內(nèi)壓性能。 2、壽命預(yù)測(cè) 眾所周知，材料的強(qiáng)度是材料的一種特性，靜液壓強(qiáng)度也是如此。因而不同塑料材料的靜液壓強(qiáng)度是不同的，而且在不同溫度條件下，同種塑料管道材料的靜液壓強(qiáng)度也是不同的。塑料管道材料的靜液壓強(qiáng)度與時(shí)間和溫度密切相關(guān)，這是由高分子聚合物本身的特點(diǎn)，即粘彈性決定的。在外力作用下，高分子聚合物的形變行為介于彈性材料和粘性材料之間，一部分形變可以恢復(fù)，還有一部分形變不能恢復(fù)。高分子聚合物的力學(xué)性能受到外力、形變、時(shí)間和溫度四個(gè)因素的影響。在一定溫度和固定外力的作用下，形變會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而增加，這就是蠕變現(xiàn)象；在一定溫度和固定形變下，應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)而衰減，這就是應(yīng)力松弛現(xiàn)象；同一個(gè)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，可以在較低溫度較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)觀(guān)察到，也可以在較高溫度和較短時(shí)間內(nèi)觀(guān)察到，這就是時(shí)溫等效原理。結(jié)合圖1介紹的試驗(yàn)方法我們可以看到，塑料管道材料的靜液壓強(qiáng)度是溫度和時(shí)間的函數(shù)，即σ=f(t,T)，因此靜液壓強(qiáng)度又分為長(zhǎng)期強(qiáng)度和短期強(qiáng)度。
塑料管道材料的壽命和溫度之間的關(guān)系可以通過(guò)Arrhenius速率方程來(lái)描述。該方程如下：
t(T) ——溫度T下的破壞時(shí)間； E——活化能。聚烯烴在60~120℃范圍內(nèi)的活化能均在110kJ/mol左右，氯化乙烯基類(lèi)的無(wú)定型聚合物的活化能為178kJ/mol； R——?dú)怏w常數(shù)； A——常數(shù)。 這樣就可以將某種材料在不同溫度條件下的壽命建立起聯(lián)系，從而得到ISO 9080標(biāo)準(zhǔn)中的外推因子ke（見(jiàn)表1），再通過(guò)公式：te=ketmax （式4）即可外推算得管道材料在較低溫度下的壽命。 表1 溫差△T (=Tt–T)和外推因子ke 的關(guān)系
2006年11月29日，美國(guó)塑料管材協(xié)會(huì)(PPI) 發(fā)布了一個(gè)喜訊，標(biāo)題為“Vision comes true-50 years HDPE pipes” (想象變成了現(xiàn)實(shí)，使用了50年的HDPE管材) ，報(bào)道中稱(chēng)，1954年Hoechst公司（現(xiàn)稱(chēng)為Bassell公司）開(kāi)始對(duì)聚乙烯管材進(jìn)行耐內(nèi)液壓測(cè)試，測(cè)試溫度為20~80℃，并使用Arrhenius方程預(yù)測(cè)HDPE管材材料的壽命。截至2006年的秋天，于1956年安裝的20℃條件下的高密度聚乙烯(HDPE)管材試樣，其耐內(nèi)壓試驗(yàn)的時(shí)間達(dá)到了50年， 從而證明了Arrhenius 方程毫無(wú)疑問(wèn)是有效的。Bassell 公司宣稱(chēng)，該實(shí)驗(yàn)證明了目前聚烯烴類(lèi)管材所采用的壽命外推方法是正確的。通過(guò)利用Arrhenius速率方程這一關(guān)系，可以簡(jiǎn)化實(shí)際應(yīng)用中復(fù)雜的溫度工況。 塑料管道適用的溫度范圍 與傳統(tǒng)的金屬材料相比，塑料管道系統(tǒng)有很多優(yōu)勢(shì)，如重量輕、耐腐蝕性好、不結(jié)垢、保溫效果好、表面凝露少、安裝方便等等，但是塑料管道系統(tǒng)并不是萬(wàn)能的，只能適用于特定溫度區(qū)間和壓力范圍內(nèi)，壓力范圍取決于塑料管道材料的靜液壓強(qiáng)度以及所選用的管材規(guī)格(管系列)，溫度范圍取決于塑料管道材料的狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。 塑料管道系統(tǒng)的使用溫度區(qū)間應(yīng)高于脆化溫度，低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，若超過(guò)軟化溫度或熔融溫度，塑料材料就喪失了力學(xué)性能。 塑料管道的規(guī)格選型 在前面的論述中已經(jīng)提到，塑料管道材料的靜液壓強(qiáng)度跟溫度和時(shí)間密切相關(guān)，因此要想做到塑料管道系統(tǒng)的恰當(dāng)選用及適宜的規(guī)格選型，必須考慮管道應(yīng)用的條件，即所輸送的介質(zhì)、溫度條件、壓力條件對(duì)管道材料的影響；管道應(yīng)用環(huán)境如紫外線(xiàn)輻射的影響、放射性輻射或微生物效應(yīng)；管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的使用年限，如建筑內(nèi)管路系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)年限為50年；以及不同管道材料自身具有的特性。在此僅根據(jù)輸送介質(zhì)對(duì)管道材料的影響，分成兩部分分別予以介紹，即一般用途水輸送的管道系統(tǒng)和輸送腐蝕性介質(zhì)的管道系統(tǒng)。 一般用途水輸送的管路系統(tǒng)，典型的應(yīng)用包括建筑內(nèi)的生活冷熱水管路系統(tǒng)和采暖/制冷管路系統(tǒng)、市政給水以及低壓灌溉等。腐蝕性介質(zhì)輸送的管路系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域包括半導(dǎo)體行業(yè)、水處理行業(yè)、化工行業(yè)以及生命科學(xué)等行業(yè)。值得注意的是，塑料管道系統(tǒng)不是萬(wàn)能的，并不是所有的腐蝕性介質(zhì)都可以用塑料管道系統(tǒng)來(lái)輸送，一些高溫高壓的領(lǐng)域仍然需要使用傳統(tǒng)的金屬管道系統(tǒng)。 1、一般用途水輸送管道系統(tǒng) 討論一般用途水輸送管道系統(tǒng)的規(guī)格選型時(shí)，可以不考慮管道材料受到的腐蝕性損傷，而僅需考慮水的溫度（在實(shí)際應(yīng)用中，水溫并不是恒定不變的）。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)歐洲部分地區(qū)建筑內(nèi)冷熱水管路系統(tǒng)的使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分級(jí)，參見(jiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10508《給水用塑料管材管件——冷熱水用熱塑性塑料管道系統(tǒng)——使用條件分級(jí)和設(shè)計(jì)指南》，見(jiàn)表2。 表2 冷熱水用塑料管道系統(tǒng)使用條件分級(jí)
利用上述理論和簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，可以對(duì)不同的塑料管道材料在不同溫度和時(shí)間條件下的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和選型。計(jì)算公式如下：
σD——應(yīng)用條件下塑料管材的設(shè)計(jì)應(yīng)力（MPa）； P——試樣內(nèi)部的液體壓力（bar）； e——試樣的最小壁厚（mm）； d——試樣的平均外徑（mm）。 為了指導(dǎo)設(shè)計(jì)師和用戶(hù)正確選用塑料管道產(chǎn)品，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都給出了標(biāo)準(zhǔn)條件（即ISO 10508標(biāo)準(zhǔn)中的使用條件）各類(lèi)塑料管道材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力σD。 另外標(biāo)準(zhǔn)引入了管系列S的概念，即 。從此式可知，同種材料制成的管材，如果外徑相同，壁厚越厚，則管系列S越小，承壓能力越強(qiáng)；壁厚越薄，則管系列S越大，承壓能力越小。由此管系列S值就將管材承受壓力的能力與尺寸規(guī)格聯(lián)系起來(lái)，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得 ：
2、腐蝕性介質(zhì)輸送塑料管道系統(tǒng) 塑料管道材料對(duì)于不同的腐蝕性介質(zhì)，其耐受能力是不同的。因此與一般用途水的輸送不同，腐蝕性介質(zhì)的輸送必須考慮腐蝕性介質(zhì)對(duì)管道材料的影響，同時(shí)也得考慮介質(zhì)的濃度和溫度的影響，因?yàn)榧词瓜嗤橘|(zhì)，它在不同濃度和溫度的條件下對(duì)管道材料的影響也是不同的。 基于以上分析，對(duì)于腐蝕性介質(zhì)輸送用塑料管道系統(tǒng)的選用與選型，首先是要選擇一種能抵抗介質(zhì)腐蝕作用的材料，然后再像一般用途水輸送塑料管道系統(tǒng)的選型那樣去考慮管材的強(qiáng)度、系統(tǒng)的壓力和流量等因素。關(guān)于塑料管道材料對(duì)于不同化學(xué)物質(zhì)的耐侵蝕性可詳見(jiàn)ISO/TR 10358。 |
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