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塑料压力管道系统计算基础

来源:天津日腾飞管业有限公司 联系人:胡经理 13920940804 发布日期:2013-10-17 15:52:54

 管道的发展与城市化进程密切相关,用于输送压力流体的塑料管道(以下简称塑料压力管道)的应用开始于20世纪50年代,可用来输送饮用水、污水废水、化学介质、气体、采暖和制冷介质、食物、超纯液体和泥沙浆等等。 

塑料管道静液压强度和寿命预测 
1、静液压强度检测 

      压力部件设计的最基本的一点就是强度校核。对于输送压力流体的塑料管道系统而言,我们要考虑的是塑料管道承受内部液体压力的强度,专业名称为静液压强度,单位是MPa。 
评价塑料管道材料静液压强度的一般方法是液压试验:采用挤出或注塑成型的管材作为试样,被置于一定温度的试验箱里,试样内部充满一定温度的水(外部可以是水也可以是空气),以施加一定的压力,记录试样破坏的时间。 
      管材在压力的作用下,管壁会诱发一定的应力,包括径向的应力、轴向的应力和环向的应力。其中环向应力(又称环应力)是管材破坏的主要原因,因此在考察塑料管材材料的强度时,为了简化计算模型,只考虑环应力。在一定温度一定时间的条件下,管材试样所能承受的最大环应力(破坏时的环应力)就是管材材料在这个条件下的静液压强度。计算公式如下:

σ=P*((d-e)/(2e*10))…….式1
式中: 
σ——管壁承受的环应力(MPa); 
P——试样内部的液体压力(bar); 
e——试样的最小壁厚(mm); 
d——试样的平均外径(mm)。 
      国际标准化组织制定了相应的国际标准ISO1167《流体输送用热塑性塑料管材、管件和组合件——耐内压性能的测定》,一共4个部分,适用于管材试样、管件试样以及组合件试样,标准详细规定了该方法所需要的设备、试样制备、具体步骤和判定方法。与之相对应的国家标准是GB/T6111《流体输送用热塑性塑料管材、管件和组合件——耐内压性能的测定》。由于确定了材料的强度,从而使应用于一定条件的塑料管道的压力设计计算有了可参考的依据。另外这个方法还可以用来验证塑料管材的耐内压性能。 

2、寿命预测 
      众所周知,材料的强度是材料的一种特性,静液压强度也是如此。因而不同塑料材料的静液压强度是不同的,而且在不同温度条件下,同种塑料管道材料的静液压强度也是不同的。塑料管道材料的静液压强度与时间和温度密切相关,这是由高分子聚合物本身的特点,即粘弹性决定的。在外力作用下,高分子聚合物的形变行为介于弹性材料和粘性材料之间,一部分形变可以恢复,还有一部分形变不能恢复。高分子聚合物的力学性能受到外力、形变、时间和温度四个因素的影响。在一定温度和固定外力的作用下,形变会随着时间增长而增加,这就是蠕变现象;在一定温度和固定形变下,应力会随时间增长而衰减,这就是应力松弛现象;同一个应力松弛现象,可以在较低温度较长时间内观察到,也可以在较高温度和较短时间内观察到,这就是时温等效原理。结合图1介绍的试验方法我们可以看到,塑料管道材料的静液压强度是温度和时间的函数,即σ=f(t,T),因此静液压强度又分为长期强度和短期强度。


图1 用耐内压试验测定塑料管道材料的静液压强度
 
实际上要通过长期的液压试验来评价管道材料的长期强度是不经济的,时温等效原理为长期强度的预测提供了理论上的依据,即利用高温条件下短期的液压试验,外推(预测)较低温度条件下的长期强度。国际标准化组织制定了相应的国际标准ISO 9080《塑料管道系统——外推法测定管形热塑性塑料材料的长期静液压强度》,标准规定了试验应采用的试样规格、温度水平、应力水平、相应温度应力水平下试样的数量、数据的采集和取舍、外推的条件和外推的系数(外推因子)等等。与之相对应的国家标准为GB/T 18252《塑料管道系统——外推法测定管形热塑性塑料材料的长期静液压强度》。 按照这个标准规定的方法采集足够的耐内压试验数据,然后进行线性分析,就可以得到塑料管道材料静液压强度与时间和温度的函数关系,即
㏒(10)t=A+(B/T) +C㏒(10)σ-(D/T) ㏒(10)σ

      式中A、B、C和D分别为对材料进行线性分析所采用模型的常数。 
      塑料管道材料的寿命和温度之间的关系可以通过Arrhenius速率方程来描述。

 

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