搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的長期靜液壓強(qiáng)度計(jì)算

李明軒

搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的長期靜液壓強(qiáng)度計(jì)算

李明軒

(四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都610065)

將16～32規(guī)格的搭接焊鋁塑管的長期靜液壓試驗(yàn)曲線外推至50年,通過考慮與對接焊鋁塑管相同的總體設(shè)計(jì)系數(shù)(C=1.25),證明在T0=95℃的長期工作溫度下,16～32規(guī)格的搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的允許工作壓力(P0)相當(dāng)。搭接焊鋁塑管也能滿足95℃、1.25 MPa下使用壽命為50年的要求。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的鋁管層最小壁厚和最小拉伸強(qiáng)度的要求,計(jì)算出16～50規(guī)格的搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的P0。結(jié)果表明,小規(guī)格二者的P0相當(dāng),大規(guī)格對接焊鋁塑管的P0優(yōu)勢明顯。

鋁塑管;對接焊;搭接焊;長期靜液壓強(qiáng)度

Abstract:The long-term hydrostatic pressure test curves of overlap-welding aluminum-plastic pipes with diameters of 16 mm to 32 mm were extrapolated to 50 years by considering the same overall design factor as 1.25 with butt-welding aluminum-plastic pipes.It showed that at 95℃long-term operating temperature,overlap-welding aluminum-plastic pipes with diameters of 16 mm to 32 mm had a comparative allowable working pressure(P0)compared with butt-welding aluminum-plastic pipes,and could meet the requirements of the 50-year service life under 95℃and 1.25 MPa.According to the requirements of minimum thickness and minimum tensile strength of aluminum layer in national standards,P0of the overlap-welding aluminum-plastic pipes and butt-welding aluminum-plastic pipes with diameters of 16 mm to 50 mm was calculated.The results showed that both had the sameP0for the small size,but butt-welding aluminum-plastic pipes had the obvious advantage for the large size.

Key words:aluminum-plastic pipe;butt-welding;overlap-welding;long-term hydrostatic pressure strength

0 前言

鋁塑管因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐溫、耐壓、彎曲不反彈、安裝方便且100%隔絕氣體滲透等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于建筑冷熱水、室內(nèi)燃?xì)夂透邷厣崞鞑膳阮I(lǐng)域。根據(jù)鋁管焊接方式不同可分為搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管。搭接焊是通過超聲波能量使搭接鋁帶界面處熔化而焊接成管,因?yàn)槭谴罱?焊接面較寬,所需鋁帶較薄。對接焊是通過氬弧或激光的高溫使對接處鋁帶完全熔化成管。因?yàn)橐ＷC對接時(shí)的焊接面積,所需鋁帶較厚。由于對接焊鋁管更厚,通常認(rèn)為對接焊鋁塑管比搭接焊鋁塑管適用于更高溫度和壓力的場合,GB/T 18997.2—2003《鋁塑復(fù)合壓力管第2部分：鋁管對接焊式鋁塑管》中規(guī)定XPAP1和XPAP2在95℃長期工作溫度 (T0)下,P0=1.25 MPa[1]。而 GB/T18997.1—2003《鋁塑復(fù)合壓力管第1部分：鋁管搭接焊式鋁塑管》中規(guī)定XPAP在82℃長期工作溫度下,P0=0.86 MPa[2],國標(biāo)中2種鋁塑管的T0和P0相差如此懸殊的根本原因在于：制訂 GB/T 18997.2—2003時(shí)依據(jù)ASTM F1335：1998中對接焊鋁塑管的長期靜液壓曲線,T0=95℃和P0=1.25 MPa都可從長期靜液壓曲線外推得到[3];而制訂 GB/T 18997.1—2003時(shí)依據(jù)ASTM F1281：2001中的搭接焊鋁塑管則沒有長期靜液壓曲線[4]。經(jīng)過十幾年的優(yōu)勝劣汰,搭接焊鋁塑管已占據(jù)國內(nèi)主流地位,在北方地區(qū)的高溫散熱器采暖領(lǐng)域應(yīng)用歷史已超過15年,至今運(yùn)行良好,多年工程應(yīng)用實(shí)踐證明搭接焊鋁塑管一樣可以在溫度和壓力較高的場合使用,但未有理論依據(jù)。

隨著鋁塑管行業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,國產(chǎn)鋁塑管已行銷全球100多個(gè)國家,制造商為了占據(jù)全球市場而需要進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證,長期靜液壓試驗(yàn)是產(chǎn)品認(rèn)證中最重要的一項(xiàng)測試。本文根據(jù)佛山日豐企業(yè)有限公司在德國SKZ實(shí)驗(yàn)室所作16～32規(guī)格搭接焊鋁塑管的長期靜液壓試驗(yàn)曲線外推,并且與 GB/T 18997.2—2003附錄E的對接焊鋁塑管試驗(yàn)壓力-持續(xù)時(shí)間曲線外推結(jié)果相比較,證明在T0=95℃時(shí),16～32規(guī)格的搭接焊鋁塑管 XPAP與對接焊鋁塑管 XPAP1和XPAP2的P0相當(dāng),并從2種鋁塑管的靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)和鋁管層理論強(qiáng)度計(jì)算得到了驗(yàn)證。

1 長期靜液壓曲線

ISO17456《塑料管道系統(tǒng)——確定多層管長期強(qiáng)度》中規(guī)定：由1層以上聚合物應(yīng)力層構(gòu)成的管道稱為P型多層管;由聚合物應(yīng)力層和1層或1層以上金屬應(yīng)力層構(gòu)成的管道稱為M型多層管。P型多層管的長期靜液壓強(qiáng)度可以由各應(yīng)力層的內(nèi)壓強(qiáng)度疊加計(jì)算,如式(1)所示。而M型多層管的長期靜液壓強(qiáng)度則需要實(shí)際測試[5]。

式中dn——應(yīng)力層的外徑,mmen——應(yīng)力層的壁厚,mmσn——環(huán)向應(yīng)力 ,MPa

圖1是德國SKZ實(shí)驗(yàn)室對佛山日豐企業(yè)有限公司生產(chǎn)的搭接焊鋁塑管 PE-Xb/Al/PE-Xb按DVGWW542的3.4.5節(jié)測試得到的長期靜液壓試驗(yàn)曲線。該測試方法將 ISO 9080對不同溫度下復(fù)合管靜液壓破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)按四參數(shù)模型計(jì)算的長期靜液壓強(qiáng)度(PLPL)與對應(yīng)的破壞時(shí)間(t)作圖。PLPL表示在溫度(T)和時(shí)間(t)預(yù)測的靜液壓強(qiáng)度的97.5%置信下限。不同規(guī)格搭接焊鋁塑管95℃、50年的PLPL值如表1所示。

表1 搭接焊鋁塑管50年的PLPL值Tab.1PLPLof overlap-welding pipes extrapolated to 50 years

從對接焊鋁塑管的95℃長期靜液壓曲線外推,其50年的PLPL值為1.56 MPa。

表1中的PLPL值除以一個(gè)考慮實(shí)際使用條件和管道系統(tǒng)組件性能的總體設(shè)計(jì)系數(shù)(C),即為該系統(tǒng)50年設(shè)計(jì)壓力(PD)或P0。多層復(fù)合管的總體設(shè)計(jì)系數(shù)(Ctot)可由各應(yīng)力層設(shè)計(jì)系數(shù)(Ci)和該層壁厚(ei)在總壁厚(etot)中所占比例計(jì)算,如式(2)所示。

作為對比,假設(shè)搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的總體設(shè)計(jì)系數(shù)相同。根據(jù) GB/T 18997.2—2003附錄E外徑16～32的 XPAP1和XPAP2對接焊鋁塑管試驗(yàn)壓力-持續(xù)時(shí)間曲線圖,選取95℃曲線外延到50年,對應(yīng)的縱坐標(biāo)試驗(yàn)壓力讀數(shù)為1.56 MPa,除以XPAP1和XPAP2在95℃時(shí)的允許工作壓力1.25 MPa,得到C=1.248,取值1.25。表1中搭接焊鋁塑管的PLPL除以1.25,得到搭接焊鋁塑管50年95℃下的允許工作壓力,如表2所示。

表2 搭接焊鋁塑管的允許工作壓力Tab.2P0of overlap-welding pipes

由表2可知,16～32搭接鋁塑管長期工作溫度95℃時(shí)的允許工作壓力與同規(guī)格的對接焊鋁塑管相當(dāng),可以滿足95℃、1.25 MPa、50年的設(shè)計(jì)使用壽命。比 GB/T 18997.1—2003中表1規(guī)定的 XPAP允許工作壓力0.86 MPa高出許多,說明該標(biāo)準(zhǔn)中對搭接焊鋁塑管長期工作溫度和允許工作壓力的規(guī)定極不合理。

2靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖1 搭接焊鋁塑管的長期靜液壓曲線Fig.1 Long-term hydrostatic pressure test curves of overlap-welding pipes

鋁塑管出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目中的靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)是管材在給定溫度和壓力下,安全使用50年的重要保障,為保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,國家標(biāo)準(zhǔn)要求每90 km或7天產(chǎn)量為1個(gè)出廠檢驗(yàn)批次,因此,靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)通常是從長期靜液壓曲線中取1 h或10 h的短期壓力值作為測試壓力,型式檢驗(yàn)項(xiàng)目可取1000 h或更長的時(shí)間為壓力驗(yàn)證點(diǎn),以保證所生產(chǎn)的鋁塑管符合長期靜液壓曲線,從而保證其 50年的外推使用壽命。GB/T 18997.2—2003中表6列出的靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)就是根據(jù)附錄E中70℃和95℃曲線1 h對應(yīng)的橫坐標(biāo)試驗(yàn)壓力值得來的。將 GB/T 18997.2—2003的表6與 GB/T 18997.1—2003的表6列出的16～32規(guī)格的XPAP靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理簡化成表3。

通常認(rèn)為對接焊鋁塑管比搭接焊鋁塑管使用溫度和壓力更高是基于國家標(biāo)準(zhǔn)出廠檢驗(yàn)靜液壓強(qiáng)度指標(biāo)中對接焊鋁塑管的要求更高。那么 95℃、1 h的2.42 MPa和82℃、10 h的2.72MPa哪個(gè)要求更高?

由于沒有82℃的長期靜液壓曲線,我們只能作近似估算。在 GB/T 18997.2—2003附錄 E的95℃曲線和70℃曲線間的中間位置虛擬1條82℃曲線,該曲線在時(shí)間10 h時(shí)對應(yīng)的試驗(yàn)壓力為2.5 MPa,即82℃、10 h的壓力驗(yàn)證點(diǎn)應(yīng)為2.5 MPa。顯然,搭接焊鋁塑管標(biāo)準(zhǔn)中2.72 MPa的要求更高。換句話說,對接焊鋁塑管標(biāo)準(zhǔn)中P0和T0均高于搭接焊鋁塑管,但其出廠靜液壓強(qiáng)度指標(biāo)則低于搭接焊鋁塑管。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)能通過82℃、2.72 MPa、10 h測試的管材也一定能通過95℃、2.42 MPa、1 h的測試,反之則不盡然。

表3 搭接焊與對接焊鋁塑管靜液壓強(qiáng)度測試方法比較Tab.3 Comparison of hydrostatic pressure test between overlap-welding and butt-welding aluninum-plastic pipes

3 鋁管強(qiáng)度計(jì)算

鋁塑管是由聚乙烯材料和鋁材這2種彈性模量相差很大的材料組成,尤其是在高溫的情況下。在聚乙烯和鋁之間有1層熱熔膠保證其始終處于黏合狀態(tài),受到內(nèi)壓時(shí)聚乙烯層和鋁管層的環(huán)向應(yīng)變相等。因此,聚乙烯層和鋁管層承受的環(huán)應(yīng)力之比就等于二者彈性模量之比。由于鋁材彈性模量遠(yuǎn)大于聚乙烯材料,鋁管層承受了大部分的環(huán)應(yīng)力。隨負(fù)載時(shí)間延長,鋁管層彈性模量不變,聚乙烯材料則因?yàn)閼?yīng)力松馳導(dǎo)致彈性模量下降,鋁管層承受的環(huán)應(yīng)力比例將進(jìn)一步提高。GB/T 18997.1—2003的附錄D.2.2強(qiáng)調(diào)了鋁塑管在長期強(qiáng)度方面的金屬特性。

張玉川根據(jù)鋁的彈性模量EA1=7×104MPa,聚乙烯的短期彈性模量EPE=850 MPa,長期彈性模量為200 MPa,計(jì)算規(guī)格為20的對接焊鋁塑管,得到鋁管層短期負(fù)載比例為93%,長期負(fù)載98%的結(jié)論[6]。

Farshad根據(jù)EA1=7×104MPa,EPE短期為1×103MPa,長期為150 MPa,用其自己開發(fā)的管道計(jì)算軟件計(jì)算規(guī)格為20的搭接焊鋁塑管,得到鋁管層短期負(fù)載比例78%,長期負(fù)載88%的結(jié)論[7]。

上述分析和計(jì)算結(jié)果表明,無論是搭接焊還是對接焊鋁塑管,鋁管層強(qiáng)度是決定P0的關(guān)鍵因素。鋁管層的P0可通過式(3)來計(jì)算。

式中P0——鋁管長期工作壓力,MPa

ea——鋁管層厚度,mmda——鋁管層直徑,mm

σa——鋁管層環(huán)應(yīng)力,MPa

為了簡化計(jì)算,假設(shè)所有規(guī)格的鋁管層均位于鋁塑管正中央,內(nèi)外層塑料管壁厚相等,分別根據(jù)GB/T 18997.1—2003和 GB/T 18997.2—2003中表3要求的公稱外徑(dn)、參考內(nèi)徑(di)和鋁管層最小壁厚(ea)來計(jì)算搭接焊和對接焊鋁管外徑,如式(4)所示。

GB/T 18997.1—2003中5.4規(guī)定鋁材的拉伸強(qiáng)度應(yīng)不小于100 MPa,取搭接焊鋁管σa=100 MPa。

GB/T 18997.2—2003中5.4規(guī)定鋁合金材料拉伸強(qiáng)度應(yīng)不少于80 MPa,純鋁材料拉伸強(qiáng)度應(yīng)不小于60 MPa。本文所討論的是適合較高工作溫度和流體壓力下使用的對接焊鋁塑管 XPAP1和 XPAP2,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用鋁合金材料,故取對接焊鋁管σa=80 MPa,據(jù)此計(jì)算的鋁管的P0見表4。

由表4可知,16～25的搭接焊鋁管與對接焊鋁管的P0相差不大,原因是搭接焊鋁帶要求的拉伸強(qiáng)度比對接焊鋁帶高20%,這在一定程度上抵消了厚度上的劣勢;32以上的搭接焊鋁管的P0比對接焊管差許多,說明大規(guī)格鋁塑管應(yīng)用時(shí),對接焊比搭接焊更有優(yōu)勢。但所有規(guī)格搭接焊鋁管的理論強(qiáng)度均高于1.25 MPa。

表4 鋁管的外徑和允許工作壓力Tab. Outside diameters and operating pressure of aluminum layers

4 結(jié)論

(1)將實(shí)測的16～32規(guī)格搭接焊鋁塑管的長期靜液壓試驗(yàn)曲線外推至50年,考慮相同的總體設(shè)計(jì)系數(shù)C=1.25,證明在95℃長期工作溫度下,搭接焊鋁塑管XPAP與對接焊鋁塑管XPAP1和XPAP2的P0相當(dāng)。搭接焊鋁塑管也能滿足95℃、1.25 MPa、50年的使用要求;

(2)在標(biāo)準(zhǔn)的95℃曲線和70℃曲線的中間位置虛擬1條82℃長期靜液壓曲線并取壓力驗(yàn)證點(diǎn)比較,證明搭接焊鋁塑管標(biāo)準(zhǔn)中的出廠檢驗(yàn)要求(82℃、2.72 MPa、10 h)高于對接焊鋁塑管的出廠檢驗(yàn)要求(95 ℃、2.42 MPa、1 h);

(3)根據(jù)國標(biāo)對搭接焊與對接焊鋁管層最小壁厚和最小拉伸強(qiáng)度的要求,計(jì)算出規(guī)格16～50的搭接焊與對接焊鋁管層的P0。證明小規(guī)格二者P0相當(dāng),大規(guī)格對接焊鋁管層P0優(yōu)勢明顯。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 18997.2—2003鋁塑復(fù)合壓力管第2部分：鋁管對接焊式鋁塑管[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 18997.1—2003鋁塑復(fù)合壓力管第1部分：鋁管搭接焊式鋁塑管[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[3] ASTM Committee F17.F1335-98 Standard Specificationfor Pressure-rated Composite Pipe and Fittings for Elevated Temperature Service[S].West Conshohocken：Annual Book of ASTM Standard,2001.

[4] ASTM Committee F17.F1281-01 Standard Specification for Crosslinked Polyethylene/Aluminum/Crosslinked Polyethylene(PEX-Al-PEX)Pressure Pipe[S].West Conshohocken：Annual Book of ASTM Standard,2001.

[5] Technical Committee ISO/TC138.ISO 17456：2006 Plastics Piping Systems-multilayer Pipes-determination of Long-term Strength[S]. Switzerland：ISO Copyright Office,2006.

[6] 張玉川.金屬增強(qiáng)復(fù)合塑料壓力管道的力學(xué)分析[Z].北京：北京塑料工業(yè)協(xié)會(huì),2007.

[7] Farshad M.Long-term Hydrostatic Resistance of Multilayer Pipe[C].笫13屆國際塑料管會(huì)議報(bào)告譯文集.北京：北京塑料工業(yè)協(xié)會(huì),2008：368-372.

Calculation of Long-term Hydrostatic Pressure Strength of Overlap-welding and Butt-welding Aluminum-plastic Pipes

LI Mingxuan
(College of Polymer Science and Engineering,Sichun University,Chengdu 610065,China)

TQ320.72+4

B

1001-9278(2011)01-0071-05

2010-09-13

聯(lián)系人,fsbql@126.com