（化工过程机械专业论文）abs塑料管耐压性能及工程应用研究.pdf

n 浙江大学硕士论文 摘要 y 0 t9 3 7 a b s 塑料管具有质量轻、管壁光滑、耐腐蚀性、电绝缘性好以及 较高的抗冲击强度、较宽的尺寸及压力应用范围，无毒污染等优良性 能，在国外得到了快速发展，并广泛应用于给排水管道、室内通风排气 和农田水利灌溉等领域。 而国内a b s 塑料管的生产及应用起步较晚且对其性能的研究相对 较少，也不象金属管道那样形成了一套标准方法和数据资料，至今尚无 国家标准，这在相当程度上阻碍了a b s 管生产、应用的发展。针对这 些情况，本文从以下几方面对a b s 管进行研究分析。 首先，设计和开发a b s 管高温水压爆破试验装置，研究其在不同 温度下的耐压性能。用该装置测定不同温度下a b s 管爆破压力，通过 测试数据的分析整理，得到a b s 管爆破时环向应力和温度关系曲线。 其次，以a b s 管屈服压力和爆破压力试验数据为基础，参照美国 a b s 塑料蠕变试验数据，通过拟合分析得到时间修正系数，据此给出 的a b s 许用应力可用于工程设计。 最后，由于a b s 塑料性能与钢材性能相差很大，在工程应用中不 能套用金属管道的设计和施工方法，本文从理论上对a b s 管道架空敷 设时的跨度计算方法作了探讨。 关键词：a b s 工程蛹管温度耐磨桎能爆破觑工程孟用 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t a c r y l o n i t r i l e - b u t a d i e n e s t y r e n ep i p ew i t h f i n ep e r f o r m a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ， s m o o t ht u b ew a l l ，l i t t l ep o l l u t i o na n dr e m a r k a b l ee f f i c i e n to f e n e r g ys a v i n g ，e t c ，i s w i d e l yu s e di nw a t e rs u p p l y ，s e w e r ，f a r m l a n di r r i g a t i o np i p e l i n e ，a n ds o o n f o rl a c ko f s y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o n o ns u c hp i p ei np r c h i n a 、n on a t i o n a ls t a n d a r d h a sb e e np r o p o s e d s u c hs i t u a t i o nc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to f e n g i n e e r i n g d e s i g n s o ， d e e ps t u d ya b o u t a b s p i p ei sn e c e s s a r y a n dc o n d u c t e di nt h i sp a p e r t h em a i n a c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s 1 at e s te q u i p m e n ti sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，w h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r e b u r s tp r e s s u r eo f p l a s t i cp i p ea tv a r i o u st e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt ot e s td a t a ，t h ea u t h o r o b t a i n e dac u r v eo f t e m p e r a t u r e a g a i n s tb u r s th o o p s t r e s s 2 b a s e do nt e s td a t ao b t a i n e db yt h ea u t h o ra n d c r e e pt e s td a t ao f a m e r i c a na b s m a t e r i a l ，t i m ec o r r e c t i o nf a c t o r sa n d a b sa l l o w a b l es t r e s s e sw a se s t i m a t e db y a p p l y i n g c o m m e r c i a ls o f t w a r eo r i g i n ，w h i c hc a nb eu s e di ne n g i n e e r i n gd e s i g n 3 f o ra b s p i p ei sm a d eo f h i g h m o l e c u l a rm a t e r i a l ，t h e r ei sm u c hd i f f e r e n ti n p r o p e r t yb e t w e e n t h ea b sa n dm e t a lp i p e m e t h o do f d e t e r m i n i n gs p a nl e n g t ho f o v e r h e a da b s p i p e l i n eh a s b e e np r e s e n t e d k e y w o r d ：a b sp i p e ，t e m p e r a t u r e ，r e s i s t a n c e t op r e s s u r e ，b u r s tp r e s s u r e ，e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n 浙江大学硕j ：学位论文 l 文献综述 塑料是2 0 世纪发展最快、用途最广的新型材料之一，目前已广 泛用于工业、农业和各种工程建设中。通常，塑料按其用途可以分为 三大类：通用塑料、工程塑料、特种塑料。其中，工程塑料是指一类 高性能的高分子材料，它可以作为结构材料，在较宽的温度范围内承 受机械应力，并且能在较为苛刻的化学物理环境中使用。今天，工程 塑料与工业陶瓷、超导材料一起被称为科学技术发展的三大支柱，引 起各国的重视。工程塑料已成为塑料行业发展的重点，并且也是衡量 一个国家工业发达水平的重要指标之一。其定义范围随着树脂工业的 发展而改变，一般可分为结构型工程塑料和复合型工程塑料两大类。 1 1a b s 工程塑料概况 a b s 是一种复合型热塑性工程塑料( c e t p ) 。所谓复合型工程塑 料就是采用a b c ( a l l o y i n gb l e n d i n gc o m p o u n d i n g ) ，即合金化、共 混、复合等技术，通过简便的加工工艺，对通用塑料进行改性，使其 成为工程化和高性能化的塑料。 i 1 1 国内外发展状况“。 a b s 塑料于1 9 4 6 年在美国u s r u b b e r 公司用混炼法首先投产， 1 9 5 4 年m a r b o n 公司研究成功化学接枝法，1 9 6 0 年美国b o r g w a r n e r 化学公司( 现g e 塑料公司) 采用丁腈橡胶( n b r ) 和丙烯腈一苯乙烯共聚 物( s a n ) 机械混合法，进一步显著提高了a b s 的性能，使其生产与应 用迅速地发展起来。1 9 6 3 年u s r u b b e r 公司又制成a b s 泡沫塑料。 而我国对a b s 的研究起步较晚，1 9 9 6 年我国a b s 树脂的总生产能力 只为6 0 k t a ，1 9 9 7 年由于新建的大庆石化总厂5 0 k t a 装置和吉化公 司l o o k t a 装置投产，国内a b s 树脂产量达1 2 5 k t a ，增幅为1 9 2 0 6 ， 另外正在建设的还有盘锦天然气化工厂与韩国鲜京集团合资的 5 0 k t a 装置和宁波永兴化工厂韩国l g 集团合资的5 0 k t a 装置，如 果顺利投产，那么2 0 0 0 年我国的a b s 树脂的生产能力有望超过 浙江大学硕上学位论文 1 1 2 组成和特性 a b s 塑料是丙烯睛( a c r y l e n i t r i l e ) 、丁二烯( b u t a d i e n e ) 及苯 乙烯( s t y r e n e ) 三元共聚物的简称，主要成分是a b s 树脂，其分子 式为 匠hc h j c h 。一c 一 c h 。一c 忙。c hc h 鲁 cn a b s 中的组分比一般是丙烯腈占2 0 3 0 ，丁二烯占6 3 5 ，苯乙烯 占4 5 7 0 为了满足其特殊性能也可加入少量其他单体a b s 的组 成与特性见图卜l 。 b a 一，jl 1 i t l 一【e 丙烯腈 | | 耐老化 耐热 耐化学药品 | | bs ) 低温性能 保留性 抗冲性 h 1u 1j l p 丁二烯 光泽 加工性 剐性 一_、 ) 苯乙烯t 、 rp f 、p 图卜1a b s 的组成与特性 a b s 具有优良的综合性能： 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 耐腐蚀 a b s 为高分子聚合物，化学稳定性高，能抵抗腐蚀性盐水溶液 和含有流体腐蚀剂的有机物( 如原油和食物) 等。 ( 2 ) 韧性好 a b s 具有较好的抗冲击强度，在一4 0 。c 也能保持韧性。 ( 3 ) 耐紫外线化学键结构稳定，耐紫外线。 ( 4 ) 耐候性好 当a b s 制品长期暴露在大气中，暴露表面会有一些微小的变化， 将使表面光泽降低，但这种变化仅限于暴露的表面层。 ( 5 ) 内壁光滑 a b s 的管材制品，其内壁光滑，不易生管垢，可以提高管内流 质流速。 ( 6 ) 无毒性 不含任何金属稳定剂，不会有重金属渗出污染，符合环保要求 等。 a b s 塑料的优良综合性能，再加上价格低廉，原料易得，所以近 几年在国内得到重视且发展很快，并带动了a b s 塑料管材制品的发 展。 1 2a b s 工程塑料管“7 1 1 2 1 塑料管在国内外发展状况 塑料管材的问世大约已有6 0 年的历史，产品从原材料、加工设 备、加工技术到应用已经具备了较成熟的生产体系。常用于制造塑料 管材的主要热塑性塑料按其使用量排列，j i n 序如下。 (1)聚氯乙烯pvc ( 2 ) 聚乙烯 p e ( 3 ) 丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物a b s ( 4 ) 苯乙烯一橡胶塑料 s r ( 5 ) 聚丁烯 p b ( 6 ) 聚丙烯 p p 浙江大学硕士学位论文 1 9 3 3 年聚氯乙烯首先在德国和美国开始工业化生产，随后德国 于1 9 3 6 年开发并使用塑料管材，1 9 3 9 年英国开始铺设了第一条塑料 输水管线。随着科学技术的发展，塑料管的生产及应用也逐步增加。 从1 9 8 0 1 9 9 0 年的十年中，在工业发达国家塑料管的增长率达到8 。进入9 0 年代，塑料管的需求量仍然以每年4 2 的速率增长， 美国1 9 9 7 年塑料管产量为2 1 6 万吨。塑料管在某些领域基本取代了 铸铁管、水泥管、缸瓦管，广泛地应用于化学工业、建筑业、市政工 程等领域中。塑料管材如此高速增长并得到广泛应用，其中较为重要 的原因是：塑料管材的标准化、系列化和不断开发新品种。目前，塑 料管材产品标准已走上国际化、通用化、系列化。1 9 7 0 年，国际标 准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n 简称i s o ) 专门成立了“塑料管材、管件及阀门标准化技术委员会”。该组织每 年对塑料管材的标准进行制定或修改，召开各国标准化专家参加的会 议，审查塑料管材有关标准。此外，每隔三、五年对已发布的标准进 行复审或修订，从而促进各国塑料管材生产与应用。进入8 0 年代以 后，很多国家开发了许多新品种的管材，如 ( 1 ) 塑料燃气管 美国开发交联聚乙烯管材、聚丁烯管材，用于地下供热 系统，中高密度聚乙烯管材用于燃气的输送。其中美国c h e v r o n 公司生产燃气用聚乙烯管道规模较大其产量占全美国4 0 。 ( 2 ) 聚氯乙烯双壁波纹管材 它具有中空环的特殊结构，形成一种合理的力学体系。特 别在德国、意大利、日本、美国、奥地利、加拿大等国家应用 广泛。被大量用来代替传统的金属管、水泥管作建筑工程上、 下水管等。 ( 3 ) p v c u 芯层发泡复合管道 它由独特的双机三层共挤工艺技术生产并具有复合管材所 共有的相关物理性能，使传统实壁管的性能发生质的变化。该 产品于8 0 年代起源于法国的p v c u 复合管材技术经过十多年的 发展，已在欧美和亚洲少数发达国家达到成熟的工业化市场化 阶段，广泛应用于建筑、邮电、交通等领域。 浙江人学硕士学位论文 ( 4 ) 芯层发泡a b s 复合管材 它是由同一型号的a b s 树脂三层材料共挤而成。8 0 年代初由法国 a t o c h e m 公司研制成功后，在西方几个发达国家得到积极推广和应用。 目前，拥有此种管材制造技术的仅有法、德、美少数国家。 塑料管材的新品种较多，以上仅为在国外引起关注的几种代表 性产品。 而我国于5 0 年代末才开始开发使用塑料管材。当时塑料管主要 应用于输送带有腐蚀性的酸、碱等化工流体，其产量及应用面非常窄 小。但随后塑料管材发展比较迅速，1 9 8 1 年，我国正式加入i s o t c l 3 8 塑料管材、管件和阀门的国际标准化组织。1 9 8 6 年轻工部和建设部 主持制定了建筑排水用硬质聚氯乙烯管材、管件国家标准。1 9 8 8 年 制定了供水用硬质聚氯乙烯管材、管件国家标准，同时建设部制定了 相应的塑料管材施工规范，促进了我国塑料管材规范化发展。据中国 塑料加工工业协会管道专业委员会年会调查统计，1 9 8 0 年我国塑料 管产量为5 1 万吨，1 9 9 0 年为9 9 万吨，1 9 9 3 年为1 3 3 万吨，到 1 9 9 7 年全国塑料管材产量达2 5 万吨。我国塑料管材的生产已引起许 多部门的重视，1 9 9 6 年共有塑料管生产企业近2 0 0 家，有1 0 家万 吨级大型管材生产企业。发展到今天，塑料管生产企业已达到1 0 0 0 家，万吨级的有3 0 多家。可以生产多种用途的管材，如建筑排水用 p v c 管材、供水用硬质p v c 管材、钢塑复合和铝塑复合p v c 管材、a b s 管材、p p 管材、喷滴用p e 管材等。虽然通过近十多年的努力，塑料 管的发展取得一定的成绩，但我国的塑料管技术水平与国外先进水平 相比，尚有较大差距。仅在塑料管应用方面就存在两大问题：1 ) 标 准规范严重滞后，缺乏，有些塑料管的产品标准、设计、施工规范、 标准图以及概预算定额不配套；2 ) 工程技术人员缺少专业培训，在 实际造作中沿用金属管道的方法进行设计和施工，影响塑料管的性能 发挥等。 当前我国塑料管的主导产品为聚氯乙烯塑料管，并且其优良性能 及工程经济性已被人们所接受，但近几年随着技术的进步、树脂行业 产品结构调整和我国a b s 树脂生产能力的提高，从而使材料佳，性能 好的a b s 塑料管的广泛应用成为可能。如某有限公司生产各种型号的 浙江大学硕上学位论文 a b s 管材、a b s 塑料管道阀门及配件，已应用于给排水。 1 2 2a b s 管和金属管的比较 目前a b s 管子的主导应用市场是建筑和市政工程，其中，生活上 下水、排污和放空系统用的最普遍，和传统的镀锌钢管相比其优点为： ( 1 ) 经济效益显著 a b s 塑料管因重量轻、绝缘性好、施工方便与钢管相比其经 济效益显著。据厦门塑胶有限公司1 9 9 6 年调查，使用塑料管的 安装费用为钢管的6 0 左右，材料费用仅为钢管的3 0 8 0 ，生 产能源可节省8 0 。 ( 2 ) 耐腐蚀 金属管因土壤或水中侵蚀性物质的作用，容易腐蚀损坏，并 且也易被地下电流所电蚀，特别是建筑物内供水管道用冷镀锌钢 管，般使用不到5 年就容易锈蚀，且铁腥味严重。而a b s 管具 有很好的耐化学稳定性，可以避免这些现象。 ( 3 ) 耐老化 欧洲各国经过长期使用证明，a b s 管的使用寿命可达5 0 年 以上，而钢铁管为1 0 2 0 年。塑料管在其适用的温度范围内和 正常压力下，可大大提高管路的使用寿命。 ( 4 ) 管壁光滑，水头损失小 a b s 塑料管内壁光滑( 摩擦系数u = 0 0 0 9 ) ，与金属管相比输 送流体的水头损失小3 0 。在同样的输流体下，管径可减少2 0 左右。并且由于管壁光滑，不易在管壁上结垢，因此不会出现随 使用年限增加而使压力损失增大的现象。 ( 5 ) 保温性佳 a b s 塑料管具有低传热性能，当输送热水进入下水管时可保 存更多的热量。这样可使油污废料不会在管子中固化而可能引起 结渣以至堵塞管道。金属管在输送过程中热损失非常迅速，特别 是紫铜管。 ( 6 ) 韧性好 a b s 塑料的韧性优于铸铁和紫铜，即使在温度很低的情况 浙江大学硕卜学位论文 下，其韧性可保持不变。因而在严寒的气候下进行装卸、运输 和安装可以避免损坏。 1 2 3a b s 管和其他塑料管比较 目前国内塑料管仍以硬聚氯乙烯( u p v c ) 和聚乙烯( p e ) 为主导 产品，和a b s 管子相比各有特点： ( 1 ) a b s 和硬聚氯乙烯( u p v c ) 相比，在主要性能方面，a b s 超 过了u p v c 。首先a b s 的抗冲击强度高于u p v c ，特别是在1 0 一2 0 之间。u p v c 随着温度的下降，冲击性能下降，开始变脆，会引起裂 纹扩展。所以u p v c 管在零度以下工作时，如果预计内部流体有冻结 的可能，应该给u p v c 管道加保温层，并且温度降到冰点以下时，一 般应推迟施工。然而a b s 在一4 0 下仍然保持其韧性，如果管壁足够 厚，可以保护流体不凝固，就无须增加保温层。其次a b s 具有比较好 的耐热性能，在低压条件下其工作温度可高达7 5 8 0 。c ，而u p v c 只 能用于温度不超过6 0 的场合。但是，a b s 对于浓的无机酸及酒精 的耐蚀能力较差，u p v c 对于大多数无机酸、碱及盐类溶液以及石油、 植物油有良好的耐蚀性能，然而会被卤化有机液体所腐蚀。 5 0 6 0 年代时，a b s 树脂的价格较p v c 高，且当时发展塑料管的 主要目的是为了节约，所以当时a b s 难以同p v c 竞争。这也是我国开 发商偏重于p v c 的原因，但这种看法并不全面，p v c 管子之所以占较 大的份额主要原因是开发早且当时的价格相对低廉。目前因树脂技 术、价格的变化，已经有了新的平衡点，a b s 同样有机会同p v c 竞争 发展。 ( 2 ) 和大多数热塑性材料一样，聚乙烯( p e ) 的表面光滑，不易 结垢，有较好的流体流动条件，并具有很强的抗冻性。同a b s 管材比 较，聚乙烯( p e ) 具有极好的耐化学性，以至于其表面如不经过特殊 处理，连粘合剂也涂不上，故需采用机械方法、熔焊方法进行连接， 如管材采用热熔法、插入或压入管件法进行连接，所以其接装反而没 有a b s 管子简便。如日本横滨水道局，7 0 年代末及8 0 年代初大量采 用p e 管，但在8 0 年代后期，横滨水道局放弃p e 管，其重要原因就 是管件连接困难，且漏水、开裂很多”。另外p e 管子不能用于超过 浙江大学硕士学位论文 6 0 的场合。 总之，国外发达国家对a b s 塑料管的开发、研究和应用已经比较 成熟并配备了较完整的产品标准及设计、施工等技术规范。如美国标 准有：( 1 ) d 2 2 8 2 8 9a b s 塑料管；( 2 ) d 2 7 5 卜8 9a b s 下水道管和 管件；( 3 ) d 2 6 6 t 一9 0 排水、排污、通风用a b s 塑料管和管件等。英 国标准：b s5 3 9 1 ：p a r t l ：1 9 7 6 a b sp r e s s u r ep i p e ：p a r t1 p i p ef o r i n d u s t r i a lu s e s 等。自8 0 年代后，发达国家除了继续开展a b s 塑 料管新品种的开发外，把工作的重心逐步转移到提高塑料管的性能和 节材方向。相继开发了a b s 发泡管及a b s 塑料和金属复合管等产品， 进一步提高了塑料管的刚性、耐压等级和耐温等级。目前，国内尚无 专门从事塑料管工程技术的研究机构1 ，研究手段也不健全。虽然通 过十多年的努力，先后编制颁布了2 0 多项塑料管道方面的技术规范， 如建筑排水用硬质聚氯乙烯管材、管件国家标准和供水用硬质聚氯乙 烯管材、管件国家标准等，但只着重于u p v c 塑料管道，而对a b s 管 研究很少。a b s 管几乎没有国家标准，更不用说配套的评价试验装置 和手段，这使的a b s 管在工程应用方面无标准、规范可循，难以统一 和指导生产，给产品的推广使用带来了困难，阻碍了a b s 管材进一步 向前发展。 1 3 本文主要研究内容 针对以上国内a b s 工程塑料管的发展、应用和研究状况，提出本 文的研究重点。 1 3 1 不同温度下a b s 管材耐压性能试验 目前，国内对a b s 管在不同温度下的承压性能研究很少，也缺 乏这方面的试验数据。为此本文依据美国、英国、澳大利亚和我国台 湾省的相关标准，自行设计、开发a b s 塑料管常温及高温水压爆破测 试装置。利用该装置对浙江某塑胶公司生产的a b s 管材进行不同温度 下水压爆破测试和一般拉伸试验、压扁试验力学性能试验，并对试验 数据进行分析整理，绘制a b s 管工作压力和温度的设计曲线。借此对 浙江大学硕士学位论文 国产a b s 管的某些性能作出评论，为制定我国的a b s 管和管件标准提 供依据。 1 3 2a b s 管子工程应用中支撑跨度的理论探讨 无论室内管道还是室外管道，跨度计算是地面管道设计的一个重 要组成部分。本文通过上面a b s 管不同温度下水压爆破试验取得的屈 服压力和爆破压力数据，再参考美国a b s 塑料管蠕变试验数据拟合分 析的曲线，采取爆破失效准则和时间修正系数给出a b s 管合适的许用 应力，并利用这些结果对a b s 管架空支撑间距的计算方法作了探讨。 浙江大学硕士学位论文 2a b s 管材不同温度下耐压性能试验 在本章中利用白行设计、开发的塑料管常温及高温水压爆破试验 装置，对国内某厂一批a b s 管产品进行了不同温度下的水压爆破试 验。 2 1 a b s 管材拉伸试验 塑料的拉伸性能是塑料力学性能中最重要、最基本的性能之一。 其拉伸性能的好坏通过拉伸试验进行检验。所以首先进行a b s 管材 拉伸试验。 2 1 1 试件准备 在公称直径1 1 0 r a m 的管子上，取一段长度为1 5 0 m m 的管段， 并延管周且平行于轴线方向均匀取样条，试样尺寸如图2 1 和表2 1 所示。截取的试样在1 2 0 1 3 0 的烘箱中加热后压平，然后按 g b l 0 4 0 9 2 塑料拉伸试验方法中要求进行拉伸试验。 一 ll 一 li t i t 一 一 fd ，l ，j l 一 l - ，_ - t 一- ! 一 图2 - 1 机械加工试样 浙江大学硕士学位论文 表2 - 1 机械加工试样尺寸 符号说明尺寸偏差 l 3最小总长度1 1 5 b ，端部宽度不小于1 5 l l平行部分长度3 32 b 平行部分宽度 60 4 r半径1 41 l o标线间距离2 51 l 2夹具间距离8 05 d 厚度管材壁厚 2 1 2 试验方法 使用恒速运动的拉力试验机，测试时试样置于试验机的夹头中。 夹头均匀并牢固地夹紧试样，防止试样发生任何滑移，使试样纵轴 与上、下夹具中心连线相重合。调好测试速率，开动拉力试验机测 试。 2 2 3 试验结果 a b s 管拉伸试验得到的屈服强度试验结果整理列于表2 - 2 。 表2 - 2 不同温度下a b s 管屈服强度 温度2 04 06 07 08 0 屈服强度o 。m p a 4 5 63 9 43 1 72 8 32 7 6 o 。os 2 0lo 8 60 7 00 6 20 6 0 从表2 - 2 中看到，当温度升高时a b s 管材的屈服强度不断的降 低。这是因为a b s 原料是含有聚合物和( 或) 聚合物的掺合物的一种 热塑性塑料，分子结构是线形的。它与金属不同，对温度的变化极为 浙江大学硕士学位论文 敏感当温度升高时变软，强度下降。所以其承载能力与温度有密切的 关系。 2 2a b s 管材压扁试验 管材压扁试验是一种简单易行的韧性检验方法。试验过程很简 单：把试样放在两平行板之间，加载直至试样破坏。如当试样出现裂 缝或断裂，则认为试样破坏。依据g b 2 4 6 8 2 金属管压扁试验方法来 确定a b s 管材简单压扁试验。 2 2 1 试验准备及过程 对一批外径为5 0 、6 3 、7 5 、9 4 、0 1 1 0 m m ，壁厚分别 为4 0 、5 0 、5 5 、6 0 、6 5 m m 的五种规格a b s 管，在车床上各加工 出长度为5 0 0 2 m m 的压扁试样各3 件，再在w d s 1 0 0 电子式万能 试验机上做压扁试验( 济南试验机厂制造的电子式万能试验机) ，压 缩速度为5 、1 0 、2 0 m m m i n 。 2 2 3 试验结果 图2 - 2压板距离h +刮j 一 一 一 一 | 二二一 。111ft 工 浙江大学硕士学位论文 表2 - 3压扁试验结果 外直径试样编外直径壁厚平压缩速度压缩量 d d r a m 县 平均实均实测 m m m i nm m 测值值m m m m # 11 0 9 7 75 7 553 3 0 6o 3 0 中1 1 0拌21 0 9 7 25 7 91 01 3 0 60 1 2 拌31 0 9 8 06 2 82 03 2 9 90 3 0 19 3 6 05 8 754 4 4 00 4 7 9 4拌29 3 4 55 9 l1 04 2 0 10 4 5 # 39 3 4 45 9 62 04 4 9 10 4 8 拌17 5 0 35 8 251 8 4 90 2 5 中7 5# 27 5 0 55 4 21 02 0 9 50 2 8 拌37 5 0 l5 8 72 02 4 5 3o 3 3 # l6 2 8 84 9 452 3 7 4o 3 8 中6 3拌26 2 8 94 8 61 02 0 0 60 3 2 拌36 2 9 45 0 92 02 9 7 30 4 7 群l4 9 8 34 1 751 7 1 30 3 4 5 0拌24 9 8 44 0 81 02 1 5 60 4 3 牟34 9 8 64 1 82 01 9 5 50 3 9 注为试样出现裂纹或破裂时的压缩量。 第一批管材中，当试样出现裂纹或破裂时的压缩量与外径之比： 0 1 2 0 4 8 ，绝大多数在0 3 2 附近，再对第二、第三批1 1 0 m m 管材 做压扁试验，结果显示，试样压缩到外径的一半时无裂缝及破裂现象 的产生。 2 3 3 试验分析 对于金属管进行压扁试验，压扁后的外壁距h 由下式计算： 肚罐 协4 ) 浙江大学硕士学位论文 式中 s 一钢管的公称壁厚，m m ； d 一钢管的公称外径，m i l l ； a 一单位长度变形系数，奥氏体钢为0 0 9 ，其它为0 0 7 。 由此可知，金属管的压扁程度于管子壁厚、外径有关。同样通 过试验得知a b s 管的压扁程度也于管子壁厚、外径有关。从表2 3 中看出，随着管子公称外径的增大d 值在减小。并且当管子壁厚 增大时，其压扁程度降低。对于同一管径的a b s 管，试验中的压缩 速度也影响压扁程度。 2 3a b s 管子液压爆破试验 2 3 1 测试装置 依据g b 6 1 11 - 8 5 长期恒定内压下热塑性塑料管材耐破坏时间的 测定方法的要求，开发设计了一套a b s 管常温水压爆破测试装置， 如图2 - 3 所示。其中，试验压力产生的轴向力由图中螺杆、螺母及带 通孔的螺杆来承担，被测试的a b s 管仅受环向拉应力作用。 图2 3a b s 管水压爆破试验装置 1 螺杆2 螺母3 连接座4 - a b s 试验管件 6 - o 形圈7 带通孔的螺杆 液体进口 浙江大学硕士学位论文 由于用于管子和管件的a b s 原料是含有聚合物和( 或) 聚合物的 掺合物的一种热塑性塑料，与金属不同，它对温度的变化极为敏感。 所以其承载能力与温度有密切的关系，因此为了测试不同温度下a b s 管的耐压性能，对图二3 装置进行了设计改造，如图2 - 4 所示。即在a b s 管外加上一个保温外筒( 由件1 、2 和5 组成) ，此时内外筒之间的夹 套循环流动的是经过恒温水浴加热的水，使被测试的管材连同其内部 的水保持测试温度。整个测试台除了高温耐压性能试验装置外，还包 括加压泵、超级恒温水浴、压力表、温控器和管道系统，如图2 5 所 示。 图2 - 4a b s 管高温耐压性能试验装置 1 短接2 o 形圈3 。热水出口管4 补强板5 套筒 6 水压爆破试验装置7 热水进口管8 一超级恒温水浴9 温控器 ， 、 r、 口 一 进 一 体液 浙江大学硕士学位论文 图2 一s 不同温度下a b s 管水压爆破测试台示意图 1 - 试压泵 2 - 压力表及表阀3 - 液压管道4 。高温耐压试验装置 5 热水橡胶管6 。超级恒温水裕7 温控器 2 3 2 测试 ( 1 ) 常温水压爆破试验 常温水压爆破试验中，取公称压力为1 0 m p a 的a b s 管，管 径规格分别取：由5 0 、中7 5 、巾1 1 0 三种，每种规格的试验管子 的长径比分别为：1 0 ：l 、7 ：l 、5 ：1 和3 ：l 。整个试验过程中， 管材前后分三批由生产企业提供。 试验前先用游标卡尺对各a b s 试验管的壁厚、外直径进行仔 细测量，结果精确至0 0 1 r a m ，测出管子的壁厚最小值和平均外直 径。安装时管子两端锯割平齐，并修磨倒角，打磨光滑，以利密封。 然后用高压无缝钢管将加压泵与a b s 管常温水压爆破试验装置连 接好，启动泵缓慢升压。当压力升到1 5 倍的管子公称压力值时， 保压6 0 m i n 。而后再继续升压，并开始记时，直至爆破，记录爆破 压力值和升压时间。 表2 4 、表2 - 5 、表2 6 为公称外直径为巾5 0 m m 、中7 5 m m 、 中11 0m m 的a b s 管常温水压爆破试验数据。 t耐盯j【1- 乒，汕 。1 r l 产，蠢 一， 广卜 ； r m 上 ll1 浙江大学硕t j 学位论文 表2 - 4m5 0 a b s 管常温水压爆破试验数据 规格试样编号外径平均值壁厚最小值爆破压力爆破时环向 i n nm i l l m p a应力m p a 1 ：3# l4 9 8 03 77 44 6 3 # 24 9 8 13 88 04 8 6 # 34 9 8 03 78 05 0 1 1 ：5# 14 9 8 03 97 44 3 5 # l4 9 8 03 97 14 2 o 1 ： 7 # 24 9 8 04 07 14 0 8 # 34 9 8 0 4 o 6 93 9 7 # 14 9 8 54 o6 93 9 7 1 ：1 0# 24 9 9 03 96 63 9 0 # 34 9 8 04 o6 73 8 5 表2 5 巾7 5 a b s 管常温水压爆破试验数据 规格试样编号外径平均值壁厚最小值爆破压力爆破时环向 m mm mm p a 应力m p a # 17 5 1 95 5 26 03 7 8 1 ：1 0# 2 7 5 o l5 1 66 04 0 6 # 37 5 1 05 6 05 93 6 6 # 17 5 1 45 1 06 04 1 2 l ：7# 27 5 2 5 5 3 25 93 8 8 # 37 5 0 95 3 06 03 2 9 # l7 5 0 45 3 04 42 8 9 1 ：5# 27 5 0 45 1 0 6 2 4 2 5 # 37 5 0 75 4 46 44 1 0 # 47 5 0 35 4 86 34 0 0 # 17 5 0 15 2 06 44 2 9 1 ：3# 27 4 9 6 5 1 25 73 8 9 # 37 5 0 15 5 65 53 4 4 # 47 5 0 65 5 06 23 9 2 浙江大学硕士学位论文 表2 - 6mi l o a b s 管常温水压爆破试验数据 规格试样编号外径平均值壁厚最小值爆破压力爆破时环向 m mm mm p a应力m p a 1 ：31 0 9 7 36 1 03 12 6 3 # 11 0 9 8 96 0 03 83 2 9 # 2 1 0 9 7 65 5 0 1 4 1 3 3 l ：5# 31 0 9 6 86 2 04 33 6 0 # 1 料1 0 9 7 21 2 8 61 1 34 8 2 # 2 料1 0 9 7 41 2 8 81 0 64 5 2 # l1 0 9 6 06 2 04 84 2 4 1 ：7 +# 21 0 9 6 36 3 04 84 1 8 # 31 0 9 6 86 1 84 94 3 5 # 41 0 9 7 3 6 3 2 4 8 4 1 7 1 ：1 01 0 9 8 36 1 24 13 4 7 $ 第二批管子 料：第三批管子 ( 2 ) 高温水压爆破试验 取公称压力为1 0 m p a ，公称直径为巾7 5m m 、长为7 6 0 m m 的6 根a b s 管，分别在2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、和8 5 下进行水压爆 破试验。另取公称压力p n 为1 0 m p a ，公称直径为中5 0 m m ，长为 7 6 0 m m 的2 根a d 3 s 管，在8 0 下做水压爆破试验。 试验时，将恒温水浴的温控器调至设定的测试温度值，温控误差 在i 2 。c 以内，开启恒温水浴中水泵连通高温水压试验装置的热水循 环，加热并保温6 0 m i n 使a b s 试验管件的内外壁温度均匀，并达到 测试温度，启动加压泵进行升压爆破，同时开始记时。表2 7 为a d 3 s 管子高温耐压试验数据。 浙江大学硕士学位论文 表2 7a b s 管材高温耐压试验数据( 长度为7 6 0 r a m ) 管径试样最小平均外试验温屈服压 爆破压屈服时 编号壁厚直径度。c力m p a力m p a 环向应 ，m m 力m p a 群15 2 87 5 1 04 04 34 33 0 6 # 25 3 07 5 0 36 03 53 32 4 8 中7 5 拌35 _ 3 07 4 9 67 03 22 62 2 6 45 2 4 7 4 9 3 8 0 2 41 7 2 撑55 2 07 4 9 28 52 71 9 5 拌13 9 44 9 8 68 03 01 9 0 中5 0 拌23 9 24 9 8 58 03 0 1 9 1 测试中看到，随着温度的升高，a b s 管发生鼓胀的程度越来越 明显。在4 0 时仅局部发生鼓胀，鼓胀处直径为7 7 m m ，到6 0 时 就发生了较明显的均匀鼓胀，鼓胀最大直径为8 2 m m ，而到7 0 时 多处明显鼓胀，鼓胀处最大直径达到由9 0 m m ，但是在8 0 和8 5 时， 由于鼓胀的不均匀试件严重弯曲变形，导致泄露，未能达到最后爆破。 为了进一步验证8 0 时a b s 管的承压能力，又在8 0 对两根中5 0 r a m 的a b s 管进行了水压爆破测试，测试结果也列于表2 - 4 中。测试结果 显示，当压力达到3 0 m p a 时，试件发生多处鼓胀，鼓胀处最大直径 一根为由6 7 m m ，另一根达巾7 2 m m ，最后也因变形严重导致泄露，测试 停止。拆卸后发现，试件发生多处鼓胀。当高温水压爆破试验完毕后， 对试件破口进行检查，发现a b s 管最终的爆破一般发生在鼓胀最大 的地方，参见图2 - 6 ( 为m 7 5 m m 的a b s 管在6 0 和7 0 爆破后的 实物照片) ，且爆破时均只裂开一条缝隙，没有碎片飞出，同时，在 较高的试验温度下出现，爆破压力低于发生鼓胀( 或屈服) 压力等现 象。上述现象均为韧性爆破过程的基本特征，因而表明该爆破属于韧 性破坏。 塑望查兰堡! 堂垡堡塞 图2 - 6 a b s 管爆破后的实物照片 ( a ) 6 0 。c ( b ) 7 0 2 0 浙江大学硕士学位论文 2 1 3 测试结果分析 从表2 5 中看，公称压力为1 o m p a 、公称直径为7 5 m m 的 四组a b s 管常温水压爆破试验的数据，不同长径比的爆破压力值有 所不同，分析其主要原因是管子两端密封对管子有加强作用。试验数 据表明，当长径比大于7 ：1 时，该加强作用已基本消除，因而可确 定p n = i 0 m p a 、7 5 m m a b s 管的爆破压力为6 0 m p a 。该压力与公称压 力之比为6 0 ，此时a b s 管壁中环向爆破应力可通过公式( 2 一1 ) 计算： 仃；= 万p d = 盟 ( 2 一1 ) 式中一一t 温度时管壁中环向爆破应力，m p a ； p 一为爆破压力，m p a ； d 一为管材中径，m m ； 6 一为管材厚度，m m 。 表2 6 中，第一批直径为中1 1 0 m m 的a b s 管的质量较差，有的在 1 4 m p a 下就破坏，相对于公称压力的爆破安全系数只有1 4 。而第二 批直径为中l1 0 m m 的a b s 管质量相对较好，爆破时管壁的环向应力在 4 1 7 4 3 5 m p a 之间，相对于公称压力的爆破安全系数有4 8 4 9 。 第三批中1 1 0 m m 的a b s 管质量最好，爆破时环向应力达4 5 2 4 8 2 m p a ，相对于公称压力的安全系数6 6 2 5 7 0 6 2 。在1 5 倍公称 压力下保压l 小时，对a b s 管的爆破压力没有影响，不足以反映a b s 管的承压能力。 高温测试时，a b s 管的长径比为1 0 ：l ，已大于7 ：1 ，因而长度 满足要求。从表2 7 ( a b s 管高温水压爆破试验数据) 及表2 8 ( 不同 温度下a b s 管屈服和爆破时的环向应力及a b s 材料的屈服强度) ，可以 看出，随着温度的逐渐升高，a b s 材料的强度逐渐降低，其承压能力 也随之下降。这一结果与a b s 管材的屈服点测试结果( 见表2 2 ) 变 化趋势致。当温度大于7 0 。c 时，本批a b s 管发生塑性流动，试件 均因变形严重导致泄漏。因此该批a b s 管的最高使用温度不应超过 7 0 。c 该值与有关文献中的a b $ 材料的维卡软化点数值相比，有一定 的差距，说明该批a b $ 管材料耐热性能有待进一步改善。 另外，通过观察这组高温爆破测试试验现象，可以准确地判断出 浙江大学硕士学位论文 这批管材属于韧性破坏”。因为热塑性塑料管在极限环向应力作用 下，即拉伸应力进入极限状态时，其变形初期应出现较为明显的鼓胀 过程，最后出现破裂。否则变形初期会突然出现裂纹，并立刻发展为 渗漏现象，出现脆性破坏的特点。 表2 8 不同温度下a b s 管屈服和爆破时环向应力及a b s 材料屈服强度 温度2 04 06 07 08 08 5 a b s 管鼓胀时的 4 1 2 02 8 4 32 3 0 32 1 0 31 5 9 61 8 1 0 环向应力m p a a b s 管爆破时的4 1 2 02 8 4 32 1 7 11 7 0 9 环向应力m p a a b s 屈服强度m p a 4 5 63 9 43 1 72 8 32 7 6 通过表2 7 中所示数据，根据公式( 2 - 1 ) 可计算出4 0 。c 、6 0 。c 、 7 0 0 c 时a b s 塑料管爆破时的环向应力值o 。，可确定a b s 塑料管压力 与温度的关系，计算高温爆破时环向应力与2 0 。c 爆破时环向应力的比 值m = 盯；o - 0 2 。，并列于表2 9 。 表2 9 不同温度下a b s 管爆破时环向应力及m 值 温度。c2 04 06 07 0 a b s 管爆破时的环向应力4 1 22 8 4 32 1 7 11 7 0 9 0 。m p a m 2o 。0n 2 0 10 6 9 0 5 20 4 1 以温度( ) 为横坐标，以o 。0 2 0 为纵坐标作图，可得m 与温度的 关系曲线，如图