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结构壁管材应用质量瓶颈浅析 |
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作者：黄家文 李鑫 |
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1 概述
改革开放已逾30个年头，它带给我国社会翻天覆地变化的同时，也给我国国民的思想意识带来前所未有的冲击，一些固有的认识也逐步得到了改变。其中“落差”最大的应属“地大物博”的传统认知在社会发展中被证实实际上是对我国资源状况的误读。而其中人均水资源之贫瘠程度，更是让人触目惊心。据统计，在全国600多个城市中，缺水城市达300余个，其中严重缺水的城市更多达100多个。每年因缺水造成的直接经济损失达2000亿元，全国每年因缺水少产粮食700～800亿kg。
21世纪的今天，我国水资源供需矛盾进一步加剧。10年前的预测，2010年全国总供水量为6200～6500亿m3，相应的总需水量将达7300亿m3，供需缺口近1000亿m3，2030年全国总需水量将达10000亿m3，全国将缺水4000～4500亿m3，到2050年全国将缺水6000～7000亿m3。同时，当前日益频发的极端气候更是给我国的水资源带来了前所未有的挑战，始于2009年下半年至2010年上半年的在我国自然水资源极为丰沛的云贵川发生的特大旱情就是典型一例。在我国重要水资源的源头出现的特大旱情的严酷事实提醒着我们作为重要资源的水资源正面临怎样的危机。
既然源头有诸多人力不可企及的地方，那么如何充分利用有限的水资源，使其充分得以循环再利用则是需要人类主动利用自身智慧来进行解决的问题。污水处理再利用能力将是保证社会在贫瘠的自然资源基础上正常运行发展的有效方法。
到2008年底，全国有城市污水处理厂1018座，排水管道长度31.5万多km，污水处理能力8016万m3/日，年处理污水总量256亿m3，污水处理率70.2%。与1949年相比，排水管道长度增加51倍，污水处理能力增加2025倍多。按照目前的污水厂建设速度，预计到“十一五”期末将使污水厂规模达到3000座左右，管线长度附设长度亦将保持15%左右的增长。我国的排水管道敷设长度的增长情况如下图所示。
在如此巨大且保持高速增长的市场中，传统的水泥砼管、玻璃钢夹砂管道、各种铸铁管道仍然占有一定的数量并仍有一定的增幅。但是，由于塑料管道(结构壁管)，质量轻、耐腐蚀、柔韧性好、施工便利等得天独厚的优势，使得各类塑料结构壁管在市政排水、排水系统中得以越来越多的应用。
在我国用于城市排水系统塑料结构壁管中，首先发展的是U-PVC双壁波纹管和环状肋管。上世纪90年代中期引进了加拿大CORMA的U-PVC环状肋管生产线，其后引进了德国尤尼克U-PVC双壁波纹管生产线。随后的若干年中，聚乙烯双壁波纹管的生产技术逐步引入中国，其中以德国德鲁斯巴赫的设备较为典型。由于聚乙烯树脂的成型情况优于PVC因此在管材直径以及波形变化上较聚氯乙烯管材有了很大的提高，国内已经可以生产管径在1600mm的管材。上世纪90年代后期，国外的双壁波纹管生产技术逐步被国内消化吸收后，牛产设备开始国产化，产品生产成本大幅下降，据统计截止到2005年我国各类国内各种塑料埋地排水管生产企业已经达到100家，拥有各种生产线200多条，年生产能力达到30万吨。
2 塑料结构壁管环刚度影响因素分析
塑料结构壁管行业的快速发展也带了诸多问题。比较典型的就是在面对激烈的市场竞争时，生产企业的技术创新方向出现了偏差。由于对管材施工以及应用过程中的受力状况了解甚少，因此“高环刚度”逐渐就成为了生产企业以及施工单位追求的终极目标了。如何提高环刚度，从目前企业采取的方法可以分成3类：
(1)树脂改性型：添加改变树脂强度特性的助剂，增加材料刚性；
(2)改变管材的结构特性；
(3)复合入型钢等高强材料，提高整体刚性。
这些做法的效果如何，有必要进一步分析考证。2006年前后，我中心承担了国家科技部分析测试方法《结构壁管转动惯性矩的分析》的研究工作，其部分研究结果对如何提高结构壁管环刚度有一定的借鉴意义。
2.1结构壁管转动惯性矩分析过程
此次分析工作以常见的聚氯乙烯(PVC-U)双壁波纹管及高密度聚乙烯(HDPE)双壁波纹管为对象。
GB/T9647-2003《热塑性塑料管材环刚度的测定》公式中给出的环刚度计算公式为
其中，F—相对于管材3%变形时的力值(kN)
I—试样长度(m)
Y—变形量(m)
d一内径(m)
从公式中，很难看出环刚度与管材结构尺寸间的直接关系，同时，系数的给出也没有明确的定义由何而来。出于简化管路承受外负荷压力计算目的，在IS09969《热塑性塑料管材环刚度的测定》的附录中给出环刚度的基本定义：
E材料的弹性模量；
I惯性矩；
D管环的平均直径；
S单位是kN/m2；
在这里可以看到，管材的环刚度直接和管材的受力截面惯性矩以成正比，对I惯性矩而言可以通过设计来达到优化目的。本次分析的主要思路如下：
(1)基于定义公式 并通过实物扫描、实物测量，PRO/E建模，AUTOCAD'惯性矩分析计算获得的理论环刚度值；
(2)基于经验公式， ，并通过对实物环刚度的测试；
(3)通过数据相关分析，验证建模的科学性；
(4)根据分析结果找出影响结构壁管受力界面转动惯性矩乃至影响环刚度的内在因素和相互关系。
以聚乙烯双壁波纹管分析过程为例：
样片及模型的取得：考虑到取样的代表性，本次共取得两类树脂制成的管材，聚乙烯(PE)和硬聚氯乙烯(PVC-U)，并且环刚度限于S1（＞4）和S2（＞8）两种。
样品切片由平行于轴线的方向切取获得，尽量将样品的边缘毛刺等加工痕迹去除防止扫描时出现不必要的干扰因素。扫描图如图2：
用游标卡尺和量角仪对该断面进行实际测量，测量结果如表1：
考虑到聚乙烯加工过程中的各种膨胀收缩，以及为加工方便而采取的结构性圆弧过渡等，可能造成对分析干扰，分析过程中，根据已测量的数据，将单个波峰看成一个梯形截面。通过PRO/E建模可以根据测量数据进行实物基本复原，便于AUTOCAD的进一步分析，其复原情况步骤如下：
(1)采用实体“旋转”命令，创建管道实体模型，包括波纹外型如下图3所示：
图3 实壁模型
(2)采用“抽壳”命令，将实体保留外壁厚度的壳体，包括波纹形状，如图4所示：
图4 波纹模型
(3)再采用实体“旋转’’命令，建立管道内壁模型，最终建模所得的实物图以及实体建模的模型树图如下所示：
图5 复原图
从以上建模得出的实物图可以看出，对于需要计算的“管道纵向截面每延米管壁的惯性矩m4/m”，可以先将管道纵向截面一个波纹长度的管道截面惯性矩用CAD分析得出，然后用分析得出的值除以波纹长度，从而换算成“管道纵向截面每延米管壁的惯性矩m4/m”。
目前国内用于PE双壁波纹管生产的企业主要使用燕山石化牌号为6360M以及齐鲁石化牌号为QHE16A/B的低压高密度聚乙烯作为主要的树脂原料，二者的弹性模量均在960MPa上下，因此以下分析时弹性模量E值以960MPa计。
样品1：根据以上得到的实测数据，在AUTOCAD中绘制截面图6如下：
图6 AUTOCAD制图
利用CAD中的region命令分别对截面图形建立2个如下图所示面域：
图7 面域分析图
然后用subtract命令减去多余的面域，获得波纹管在一个波长内纵向截面的面域如下图所示：
图8 面域分析图
最后利用massprop命令分析其截面的惯性矩，分析结果如下图所示：
图9 AUTOCAD惯性矩分析
根据以上分析结果，以及Pro/E建模所得的实物图可知，波纹管在相对于以上分析坐标轴的Y轴上受力，因此波纹管纵向截面处截面图形的面域的惯性矩值为：
Ix=40766.3327mm4
在波峰处S=EI/D3
其中：Ix=40766.3327mm4
因为在式EI/D3中的I严格定义为：管道纵向截面每延米管壁的惯性矩(mm4/mm)，所以对于Ix的结果值应该除以波纹的长度，换算为一个单位长度内的惯性矩，计算如下(以下所有分析均同)：
I=Ix/51.10=40766.3327mm4/51.10mm=797.78mm4/mm
则：I=797.78mm4/mm=O.79778x10.6m4/m
取值E=960MPa
D=500mm+30.37mm=0.530m，由于考虑的是波峰处的环刚度表现，因此此处的D应该取管材的外径，考虑到加工误差的影响，此处代入公称外径值。
计算可得：S=EI/D3=5.13KN/m2
通过上述方法，我们分析了近20组数据通过计算与经验公式实测得出的两组数据进行比较，考虑到建模过程中对于一些元素的简化以及测量不确定等的影响两组数据的具有基本的相关性。对PVC-U的分析得出相似的结论。
2.2小结
结果表明：
(1)惯性矩I的直接影响因素：
根据材料力学原理，我们知道获得较大惯性矩的方法就是在减少物料的同时，使用结构壁。通过对样品的理论分析及实际测量，我们可以得到一下惯性矩影响因素：
①内层壁厚；②内层壁厚；⑧层压壁厚；④外壁宽度；⑤内角大小。
通过对以上五个要素的搭配整合，尽量使材料分布在远离形心的位置，将会获得较大的惯性矩。因此在实际产品波形涉及的时候加高波峰、增大内角度数、增加外层塑料的厚度均可以在不增加物料质量的情况下，增加管材的环刚度
(2)由于树脂原料的限制，不能将提高环刚度的方法简单集中到提高E值上，容易导致成本急剧上升(如普通PE管材专用料弹性模量小于900MPa，11000元/吨，双壁波纹管专用料弹性模量9600-1200MPa，13200元/吨)。
上述的分析结果基本对于业内热衷的提高环刚度的两种方法的科学性以及及可性能、限制因素进行基本地解释。我们可以看到：
(1)所谓的通过物料改性达到提高环刚度目的的做法虽然可行，但是其基础树脂的性能决定了这种改变是在一定范围内才能够实现的而不能无限制增强，过度依赖于原料刚性的提高只能破坏强且韧的性能体系。
(2)优化结构对于环刚度的提高也是具有直接作用的，但是，在提高惯性矩的同时也需要充分考虑到波形结构的稳定性以及加工可行性。
3复合壁结构壁管的影响因素分析
在对复合结构的结构壁管材进行分析时，其环刚度乃至性能的影响因素就要更加复杂了。组成材料的性能、以及对整体结构的贡献方式、复合方式的稳定性都会对材料的环刚度及整体性能造成影响。以国家行业标准CJ/T225《埋地排水用钢带增强聚乙烯(PE)螺旋波纹管》，其复合结构如下：
图10 钢带增强聚乙烯(PE)螺旋波纹管结构图
可见其复合结构为五层平面复合结构，钢与塑料通过热熔胶粘合在一起，管段则通过异型钢塑复合体的聚乙烯部分热熔焊接缠绕而成。由于体系中引入了弹性模量很大的钢带(弹性模量约为高密度聚乙烯的200倍)。如果理想地认为该复合体系稳定完整的话，则聚乙烯在整个体系中对于环刚度的贡献是可以忽略不计的。实际上，在生产过程中，聚乙烯常常被认为是防腐层，而其重要的体系“维稳”作用却被常常被有意无意地忽视。
从管道的结构上可以到几个比较明显的应力集中部位：首先是聚乙烯螺旋焊接部位，在焊接过程中会受到钢带抵抗轴向变形的反作用力产生应力集中，其次，在钢塑复合区域各层(聚乙烯-热熔胶-钢-热熔胶-聚乙烯)各层之间在成型过程中，由于塑料与金属的导热系数相差巨大等原因也会在复合过程中在粘合层发生应力集中。应力集中是否会影响到整体性能，则相关部位的材料性能、以及工艺质量都是至关重要的。焊接部位的强度决定了管材是否能长久的保持管道整体的稳定性。焊接过程是高分子链在材料熔融状态时新缠绕的过程，焊接质量的影响因素有：①材料自身的强度；②管用材料配伍可焊性；③焊接工艺的稳定性。因此聚乙烯材料在整个工艺中的作用不止防腐层这么简单。对于角色重要性的误判，使得实际生产过程中所使用聚乙烯材料的质量不容乐观。在焊缝强度合格的管材中我们抽取了部分管材对其聚乙烯树脂进行，氧化诱导期、熔体流动速率的测试，发现约50％的样品氧化诱导期低于20min，且熔体流动速率高于1.0g/10min的样品明显高于管道专用料的熔指要求。这样的结果意味着：
(1)管用HDPE聚乙烯配伍存在较大的质量隐患，耐热氧破坏能力较低，由于高温焊接过程使得局部发生氧化断链明显影响焊接强度；或在储运环节的不规范行为(如长时间曝晒等)加速聚乙烯材料光氧破坏，导致复合体系的失稳；
(2)检测经验表明：高密度聚乙烯的熔体流动速率过高往往是原料过度添加低分子量甚至是无机材料的表征，这一类材料的理化性能稳定性极差，容易导致管道结构失稳。
在五层平面复合结构中，热熔胶具有重要联接作用，其粘结强度以及性能稳定性将保证内外应力可以在各层中顺利传递。热熔胶的分子结构普遍存在易于活化的基团，容易受空气中的氧攻击导致断链，降低粘结效果。在我们进行管材环刚度以及环柔性的过程中经常可以看见热熔胶失效导致各层分脱的情况。下图就是管材受压分层的解剖图。
图11 管材受压分层的解剖图
这种复合管道复杂的影响因素，极易在“重钢轻塑”思维引导下，使得复合结构由于聚乙烯材料及配方体系的随意选用，处于不稳定状态。特别是对于有大管径、大埋深的应用要求的工程，质量风险很高。
4 结束语
正确认识环刚度对于工程的力学贡献，可以有效的消除大家对于高环刚度的迷信，使得管材的设计、生产、工程设计、施工回到理性的正轨上。这里需要强调的两点是：
(1)良好的土壤级配条件下，较少的夯实作业形成良“管土共同作用(Soil-PipeInteraction)”体系，管材周围的土壤颗粒之间可被压缩的空间很小，由此引发管材变形量相应较小(土壤体积稳定)，对于管材环刚度值依赖性不高。
(2)较差的土壤级配条件下，敷设过程中管道周围的土壤较难处于稳定状态，由于土壤结构的失稳导致管道易于管材承受“土柱”压力，对于管材的环刚仍有较高要求。
对于管土共同作用的忽视和夸大都会导致结构壁管材质量中心偏移，只有本着实事求是的原则，勘察、设计、材料、施工并重，才有可能突破目前结构壁管应用中的质量瓶颈。(end)
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(7/21/2011) |
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