三種硬質PVC給水管材性能①

滕謀勇 戰(zhàn)艷虎 葛祥才 吳國強 李希彬 王全龍 潘福渠 王太雷

(1．聊城大學 材料科學與工程學院，山東 聊城 252059；2．山東東信塑膠有限公司，山東 聊城 252323)

三種硬質PVC給水管材性能①

滕謀勇1戰(zhàn)艷虎1葛祥才1吳國強1李希彬1王全龍2潘福渠2王太雷2

(1．聊城大學 材料科學與工程學院，山東 聊城 252059；2．山東東信塑膠有限公司，山東 聊城 252323)

對比分析了三種PVC給水管材PVC-U、PVC-M、PVC-UH的物理性能、力學性能、液壓性能、最小要求強度，連接方式，系統(tǒng)適應性能.可以看出：PVC-UH管液壓試驗環(huán)應力要求最高，對原材料的最小要求強度有明確規(guī)定，而PVC-M對管材韌性要求高，PVC-M設計應力最高，PVC-U與PVC-UH設計應力相同明顯低于PVC-M，PVC-UH管采用一體式鋼骨架膠圈方便施工.

給水管材，PVC-U，PVC-M，PVC-UH，性能

1 研究前言

塑料給水管材主要包括PVC類、PE、PPR、PE-X、PB及PE鋼塑復合管、鋼絲增強聚乙烯管等，由于塑料管材具有質輕、衛(wèi)生性能好，水流阻力小，耐腐蝕克服了其它傳統(tǒng)給水管易出現“紅水”、“黑水”等現象，隨著建設部的大力推廣，得到了廣泛的應用.因PVC樹脂價格較低，在各類給水塑料管材中PVC給水管材具有較高的性價比，實際應用量較大[1].

隨著國內PVC樹脂生產、助劑品種及加工設備的技術進步，用戶對產品的衛(wèi)生性能、連接安全、力學性能的要求也逐漸提高.為適應用戶要求，國內PVC管材生產廠家進行大量的研發(fā)工作[2-4]，給水管材產品類型逐漸豐富，相關產品標準頒布實施.目前硬質PVC給水管材主要分為三類即PVC-U、 PVC-M、PVC-UH，這些產品執(zhí)行的標準分別為GB/T10002.1-2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》、GB/T10002.2-2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件》、GB/T32018.1-2015《給水用抗沖改性聚氯乙烯(PVC-M)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》、CJ/T493-2016《給水用高性能硬聚氯乙烯管材及連接件》，上述標準的實施對硬質PVC給水管材質量的提高起到了明顯的促進作用[5-8].

2 三種管材的性能對比

雖然三種硬質PVC管材的基材均為PVC，但從標準上看在物理性能、力學性能、液壓性能、最小要求強度、設計應力、連接方式等方面有一定的區(qū)別.

2.1 物理性能

管材的物理性能主要包括密度、維卡軟化點、縱向回縮率、二氯甲烷浸泡、丙酮浸泡等，其物理性能對比見表1.

表1 物理性能

密度是試樣質量與其在一定溫度下的之比，影響PVC管材密度的主要因素是填料的加入量；維卡軟化點是評價熱塑性塑料高溫變形趨勢的一種試驗方法.該法是在等速升溫條件下，用一根帶有規(guī)定負荷，截面積為1 mm2的標準壓針刺入熱塑性塑料試樣表面1 mm深時的溫度.通過控制維卡軟化點可以控制硬質PVC管材中增塑劑的加入；縱向回縮率表征管材生產工藝中擠出-牽伸-冷卻工藝的合理性與匹配性，通過控制該項指標可以完善擠出生產工藝.其測試方法是將規(guī)定標線長度的試樣置于給定溫度的恒溫介質中保持規(guī)定的時間，測定加熱前后標線之間的距離，以相對原始標線長度變化百分率表示.PVC管材的塑化質量(凝膠化)及均勻性與管材的強度及韌性密切相關，二氯甲烷溶解度參數為19.80 (J/cm3)1/2，聚氯乙烯溶解度參數19.40-20.50 (J/cm3)1/2，前者在后者范圍之內，對于塑化不良的PVC顆粒二氯甲烷的溶解能力明顯高于塑化良好的塑料，所以利用該試驗方法可以評價PVC管材的塑化情況及均勻性[9].

以上四項性能密度、維卡軟化點、縱向回縮率、二氯甲烷浸泡三種硬質PVC管材均有要求且指標相同.

除了以上四項指標外PVC-UH管還規(guī)定采用丙酮浸泡，丙酮的溶解度參數20.50 (J/cm3)1/2，與PVC的溶解度參數最大值相等.但相比二氯甲烷，丙酮與聚氯乙烯相容性略差，因此一般情況下二氯甲烷浸泡試驗通過的樣品丙酮浸泡試驗一般都合格.

2.2 力學性能

三種管材的力學性能包括落錘沖擊、壓扁試驗、表觀環(huán)向拉伸強度、高速沖擊、C-環(huán)韌度、切口管材液壓試驗、管材靜液壓強度6項，要求及指標如表2所示.

表2 力學性能

落錘沖擊(0℃)是以規(guī)定質量和尺寸的落錘從規(guī)定高度沖擊樣品規(guī)定的部位，用肉眼觀察試樣經沖擊后產生裂紋、裂縫或試樣破碎的樣品為破壞樣品，再用沖擊破壞總數除以沖擊總數即得真實沖擊率(TIR)，三種管材對該項性能要求相同；壓扁試驗，選取規(guī)定長度的樣品150 mm，將其水平放置于兩個平板之間，在平板垂直方向勻速對試樣施加壓力，指導兩個平板之間的距離達到管材外徑的40%停止加壓，該壓縮過程在2-5 min內完成，然后，將加載的壓力移除，檢查試樣有無破裂，該項性能只有PVC-UH有要求；表觀環(huán)向拉伸強度，該試驗按照ASTM D2290的規(guī)定進行.具體測試方法如下，按圖1制作試樣，樣品寬度為12.7-50.8 mm，將樣品安裝在圖2所示的工裝上，按12.7 mm/min的速度在拉伸試驗機上進行拉伸，記錄屈服拉力(最大拉力)，按式計算表觀環(huán)向拉伸強度.該項性能只有PVC-UH有要求.

(1)

式中σ：表觀環(huán)向拉伸強度，單位為MPa；P：屈服拉力(最大拉力)，單位為N；D1，D2：測試位置的實際管材壁厚，單位為mm；B1，B2：測試位置的實際管材寬度，單位為mm.

圖1 試樣示意圖

圖2 拉伸工裝示意圖

圖3 重錘形式

圖4 C-環(huán)韌度測試裝置示意圖

C-環(huán)測試是在試樣上加一定負載，使其在幾分鐘內發(fā)生破壞，檢查試樣表面是否發(fā)生脆性破壞.試驗裝置如圖4所示.該項性能只有PVC-M有要求.

液壓試驗條件如下表所示.

表3 液壓試驗

由表3可以看出：對于20℃，1 h液壓試驗 PVC-UH的環(huán)應力明顯高于PVC-U 、PVC-M；而20℃，100 h條件下地液壓試驗，PVC-U 、PVC-M試驗環(huán)應力相同，PVC-UH未規(guī)定該項指標；對于60℃，1 000 h 試驗條件PVC-UH、 PVC-M環(huán)應力高于PVC-U.

表4切口液壓試驗條件

溫度/℃環(huán)應力/MPa試驗時間/h2038120301006012．51000

切口管材液壓試驗具體實驗步驟為，查找試樣的最小壁厚，在此點上沿管材試樣軸向在其外壁上銑削第一個切口，切口應平行于試樣的軸線，長度至少達到100 mm，切口深度至少達到管材壁厚的10%；沿圓周旋轉到與第一個切口成180°的管材出，測量其壁厚并做第二個切口.然后對試樣分別作20℃、1 h，60℃、1 000 h液壓試驗，環(huán)應力符合表4要求，用于計算壓力值的壁厚取切口處剩余壁厚.該項性能只有PVC-M有要求.

2.3 σLPL、最小要求強度(MRS)、安全系數C、設計應力σs、管材標準尺寸比SDR、管材最大工作壓力MOP

σLPL是配混料以管材的形式進行檢測得到的與20℃、50年、概率預測97.5%相應的靜液壓強度，單位為MPa；最小要求強度σLPL(MRS)是圓整到優(yōu)先數R10或R20系列的下一個較小的值；安全系數C是一個數值大于1的總系數，它考慮了未在預測下限中體現出的使用條件和管道系統(tǒng)中配件等組成部分的性質.設計應力σs是在規(guī)定應用條件下的允許應力，MRS除以系數C，圓整到優(yōu)先數R20系列中的下一個較小的值，即

σs=[MRS]/C,

(2)

SDR=dn/en,

(3)

MOP=2×σs/(SDR-1).

(4)

三個標準中對PVC-U、 PVC-M、PVC-UH以上參數的規(guī)定如表5所示.

表5 PVC-U、 PVC-M、PVC-UH的MRS 、C及σs

由表5可以看出，PVC-U、PVC-UH的σs按管徑定為10 MPa和 12.5 MPa，而PVC-M不分管徑所有規(guī)格均為16 MPa.設計應力高意味著，相同管徑相同公稱壓力下管材的壁厚越薄.應該指出的是，PVC-UH還對所使用原材料的MRS進行了規(guī)定，這對規(guī)范硬質PVC管材的生產將起到促進作用.

2.4 連接方式

PVC-U、PVC-M的連接方式主要采用膠粘及膠圈連接.連接方式如圖5所示.

圖5 PVC-U、PVC-M連接方式

PVC-UH則采用一體成型的鋼骨架密封圈城口結構，管材的承口與插口結構如圖6所示.

圖6 PVC-UH連接方式注：1-承口；2-插入深度標口；3-插口.

該標準還規(guī)定了與PE材質連接件的連接方式如圖7所示.

圖7 PVC-UH與PE材質連接方式說明:1-加固層；m-配合深度.加固層可采用纖維增強或鋼塑復合增強等加固措施。

PVC-U、PVC-M管的連接方式比較有利于生產，但在施工過程中易出現粘結不牢和膠圈頂翻造成漏水的缺點，PVC-UH管材的一體式連接方式可以有效避免膠圈頂翻的問題.

2.5 系統(tǒng)適應性試驗

系統(tǒng)適應性是評價管材連接可靠性的重要手段，由連接密封性、偏角試驗及負壓試驗3部分組成.PVC-U、PVC-M、PVC-UH連接密封性試驗條件如表6所示.由表6可以看出三種管材偏角及負壓試驗條件相同，但在連接密封性上PVC-UH與PVC-U、PVC-M試驗條件不同：一是溫度為20℃試驗時，壓力和時間均不同，PVC-U、PVC-M試驗壓力為2倍公稱壓力，時間為1 h，而PVC-UH管試驗壓力為1.7倍公稱壓力，時間為1 000 h；二是PVC-UH管還規(guī)定了試驗溫度為40℃的試驗，試驗壓力為1.45倍公稱壓力，時間為1 000 h.

表6 PVC-U、PVC-M、PVC-UH連接密封性試驗條件

3 小結

(1) PVC-UH管材的各項性能要求明顯高于PVC-U、PVC-M管材，主要體現在力學性能的液壓試驗上，其20℃、1小時液壓試驗環(huán)應力為42 MPa，明顯高于PVC-U的36-38 MPa的環(huán)應力，也高于PVC-M管材的38 MPa.(2) 從對管材韌性及耐應力開裂性能要求看，PVC-M管材要求高于PVC-U、PVC-UH,其力學性能規(guī)定了高速沖擊、C-環(huán)韌度、切口管材液壓試驗，而PVC-U、PVC-UH對上述指標均未規(guī)定.(3) 從設計應力上看PVC-M為16 MPa，遠高于PVC-U、PVC-UH的10-12.5 MPa.(4) 連接方式PVC-UH采用一體式鋼骨架膠圈連接方式，且預置在管材中可有效避免施工過程中出現膠圈頂翻問題.(5) PVC-UH對管材所使用原材料的MRS進行了規(guī)定，這對提高硬質PVC管材的質量穩(wěn)定性將起到促進作用.應該說，PVC-UH是PVC-U管材的升級版.

[1] 王占杰，趙艷，郭晶. 中國塑料管道行業(yè)“十二·五” 期間發(fā)展狀況及“十三·五”期間發(fā)展建議[J].中國塑料，2016，30(5)：1-7.

[2] 張玉川. PVC管道行業(yè)要走技術創(chuàng)新的路[J]. 中國塑料，2010，24(11)：1-5.

[3] 滕謀勇，王艷芳，邵鑫.PVC管材抗沖改性及高抗沖PVC管材的評價方法[J].工程塑料應用，2009，37(10)：43-47.

[4] 楊成德.大口徑給水用抗沖改性PVC-M管材生產配方工藝研究[J].塑料制造，2016(1/2)：77-84.

[5] 全國塑料制品標準化委員會塑料管材、管件及閥門分技術委員會.GB/T10002.1-2006[S] :北京，北京：中國標準出版社，2006.

[6] 全國塑料制品標準化委員會塑料管材、管件及閥門分技術委員會.GB/T10002.2-2006[S] :北京，北京：中國標準出版社，2006.

[7] 全國塑料制品標準化委員會塑料管材、管件及閥門分技術委員會.GB/T32018.1-2015[S] :北京，北京：中國標準出版社，2015.

[8] 住房與城鄉(xiāng)建設部給水排水產品標準化技術委員會.CJ/T493-2016[S] :北京，北京：中國標準出版社，2016.

[9] 金日光，華幼卿.高分子物理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013．

PropertiesofThreeKindsPVC-UPipes

TENG Mou-yong1ZHAN Yan-hu1GE Xiang-cai1WU Guo-qiang1LI Xi-bin1WANG Quan-long2PAN Fu-qu2WANG Tai-lei2

(1．School of Materials Science and Engineering，Liaocheng University，Liaocheng 252059，China； 2．Shandong Dongxin Plastics Company，Liaocheng 252323，China)

sThe physical property, mechanical property，resistance to internal pressure，minimum required strength，join way and seat and packing test of three kinds PVC-U pipes PVC-U、PVC-M、PVC-UH were analysed. This is showed that: resistance of pipes to hydrostatic pressure of PVC-UH pipe is higher than PVC-U and PVC-M pipes，test of resistance to internal pressure Pipe of PVC-UH, minimum required strength of material for PVC-UH pipe is 25MPa，but the toughness and design stress of PVC-M pipe are higher than PVC-U and PVC-UH pipes，The built-in steel skeleton rubber ring of PVC-UH pipes is convenient construction.

pipes for water supply，PVC-U，PVC-M，PVC-UH，properties

2017-05-12

國家自然科學基金項目(51407087)資助

滕謀勇，E-mail：tengmouyogn@lcu.edu.cn.

TQ325

A

1672-6634(2017)03-0069-06