|
管材/管件/法兰 |
|
| 按行业筛选 |
|
|
| 按产品筛选 |
|
|
| |
|
查看本类全部文章 |
| |
|
|
|
|
塑料压力管道系统计算基础 |
|
|
作者：上海乔治费歇尔管路系统有限公司 柯锦玲 来源：PT现在塑料 |
|
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：
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
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。该方程如下：
式中：
t(T) ——温度T下的破坏时间；
E——活化能。聚烯烃在60~120℃范围内的活化能均在110kJ/mol左右，氯化乙烯基类的无定型聚合物的活化能为178kJ/mol；
R——气体常数；
A——常数。
这样就可以将某种材料在不同温度条件下的寿命建立起联系，从而得到ISO 9080标准中的外推因子ke（见表1），再通过公式：te=ketmax （式4）即可外推算得管道材料在较低温度下的寿命。表1 温差△T (=Tt–T)和外推因子ke 的关系
 
例如，聚丁烯管道材料在110℃条件下通过了1年（8760hrs）的耐内压试验，那么可以通过外推而算得70℃条件下聚丁烯管道材料的寿命为50年（从表1可知，温差△T为40℃时，外推系数ke为50，因此te=ketmax =50×1年=50年）。
2006年11月29日，美国塑料管材协会(PPI) 发布了一个喜讯，标题为“Vision comes true-50 years HDPE pipes” (想象变成了现实，使用了50年的HDPE管材) ，报道中称，1954年Hoechst公司（现称为Bassell公司）开始对聚乙烯管材进行耐内液压测试，测试温度为20~80℃，并使用Arrhenius方程预测HDPE管材材料的寿命。截至2006年的秋天，于1956年安装的20℃条件下的高密度聚乙烯(HDPE)管材试样，其耐内压试验的时间达到了50年， 从而证明了Arrhenius 方程毫无疑问是有效的。Bassell 公司宣称，该实验证明了目前聚烯烃类管材所采用的寿命外推方法是正确的。通过利用Arrhenius速率方程这一关系，可以简化实际应用中复杂的温度工况。
塑料管道适用的温度范围
与传统的金属材料相比，塑料管道系统有很多优势，如重量轻、耐腐蚀性好、不结垢、保温效果好、表面凝露少、安装方便等等，但是塑料管道系统并不是万能的，只能适用于特定温度区间和压力范围内，压力范围取决于塑料管道材料的静液压强度以及所选用的管材规格(管系列)，温度范围取决于塑料管道材料的状态转变温度。
塑料管道系统的使用温度区间应高于脆化温度，低于玻璃化转变温度，若超过软化温度或熔融温度，塑料材料就丧失了力学性能。
塑料管道的规格选型
在前面的论述中已经提到，塑料管道材料的静液压强度跟温度和时间密切相关，因此要想做到塑料管道系统的恰当选用及适宜的规格选型，必须考虑管道应用的条件，即所输送的介质、温度条件、压力条件对管道材料的影响；管道应用环境如紫外线辐射的影响、放射性辐射或微生物效应；管道系统设计的使用年限，如建筑内管路系统一般设计年限为50年；以及不同管道材料自身具有的特性。在此仅根据输送介质对管道材料的影响，分成两部分分别予以介绍，即一般用途水输送的管道系统和输送腐蚀性介质的管道系统。
一般用途水输送的管路系统，典型的应用包括建筑内的生活冷热水管路系统和采暖/制冷管路系统、市政给水以及低压灌溉等。腐蚀性介质输送的管路系统的应用领域包括半导体行业、水处理行业、化工行业以及生命科学等行业。值得注意的是，塑料管道系统不是万能的，并不是所有的腐蚀性介质都可以用塑料管道系统来输送，一些高温高压的领域仍然需要使用传统的金属管道系统。
1、一般用途水输送管道系统
讨论一般用途水输送管道系统的规格选型时，可以不考虑管道材料受到的腐蚀性损伤，而仅需考虑水的温度（在实际应用中，水温并不是恒定不变的）。国际标准化组织根据欧洲部分地区建筑内冷热水管路系统的使用情况进行了统计和分析，对这类系统的应用情况进行了分级，参见国际标准ISO 10508《给水用塑料管材管件——冷热水用热塑性塑料管道系统——使用条件分级和设计指南》，见表2。表2 冷热水用塑料管道系统使用条件分级
 结合这个简化的使用条件分级，利用Arrhenius速率方程的外推关系以及国际标准ISO 13760《累计损伤的MINER’S法则》，将管道材料在不同条件下所承受的损伤进行线性的加和，即假设管道材料破坏时受到的损伤为100%，破坏前经历的时间（使用寿命）为tj；同种条件对管道材料造成的损伤与作用时间是成正比的，因此单位时间形成的损伤为 ，符合线性规律；单位时间内管道材料承受了多种损伤，也就是说某种损伤并没有占据100%的单位时间，而是单位时间的ai%，因此该类损伤（特定条件造成的损伤）单位时间内造成的损伤就是 。这样就可以对复杂应用条件下塑料管材的损伤进行简化计算了。
利用上述理论和简化的计算方法，可以对不同的塑料管道材料在不同温度和时间条件下的强度进行计算，以用于指导设计和选型。计算公式如下：
式中：
σD——应用条件下塑料管材的设计应力（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）。
为了指导设计师和用户正确选用塑料管道产品，国际标准或相应的国家标准都给出了标准条件（即ISO 10508标准中的使用条件）各类塑料管道材料的设计应力σD。
另外标准引入了管系列S的概念，即 。从此式可知，同种材料制成的管材，如果外径相同，壁厚越厚，则管系列S越小，承压能力越强；壁厚越薄，则管系列S越大，承压能力越小。由此管系列S值就将管材承受压力的能力与尺寸规格联系起来，经过推导可得 ：
下面的实例可以说明如何通过计算来确定管材规格。该实例的情况是：某住宅生活冷热水管路系统拟采用聚丁烯PB管道，设计温度70℃（ISO 10508的2级条件），设计工作压力10bar，根据系统流量的要求，内径宜为20mm左右。查询国家标准GB/T19473可知，该应用条件下σD=5.04Mpa，由式6可以得到 ，即管系列为S5的管材即可满足压力设计的要求。根据标准中的尺寸规格表可以知道 d25×2.8的管材可以满足该住宅生活冷热水的设计要求。
2、腐蚀性介质输送塑料管道系统
塑料管道材料对于不同的腐蚀性介质，其耐受能力是不同的。因此与一般用途水的输送不同，腐蚀性介质的输送必须考虑腐蚀性介质对管道材料的影响，同时也得考虑介质的浓度和温度的影响，因为即使相同介质，它在不同浓度和温度的条件下对管道材料的影响也是不同的。
基于以上分析，对于腐蚀性介质输送用塑料管道系统的选用与选型，首先是要选择一种能抵抗介质腐蚀作用的材料，然后再像一般用途水输送塑料管道系统的选型那样去考虑管材的强度、系统的压力和流量等因素。关于塑料管道材料对于不同化学物质的耐侵蚀性可详见ISO/TR 10358。
|
|
| 文章内容仅供参考
(投稿)
(如果您是本文作者，请点击此处)
(10/21/2009) |
| 文章点评
| 
查看全部点评
投稿
进入贴吧 |
|
佳工网友
于8/4/2013 5:02:00 PM评论说：
表二究竟是指什么材料?不可思议的错误。
公式6的S值定义没有交代。
全篇文章可信度不足。
(电话：12345678)
|
对 管材/管件/法兰 有何见解？请到 管材/管件/法兰论坛 畅所欲言吧！
|
