PVC-UH管材壁厚對環(huán)向拉伸強度的影響

范英奎，朱瑞霞，彭金剛，孫寶正，蔡耀東，程 亮

(河北泉恩高科技管業(yè)有限公司 ，河北 廊坊 065000)

0 前言

近些年來，國內(nèi)的PVC-UH管材有很大的發(fā)展，在國內(nèi)生產(chǎn)、建筑、大型工程項目上，如南水北調(diào)、引黃入晉等大型市政工程得到廣泛地應(yīng)用，然而如何保證管材的品質(zhì)是重中之重。根據(jù)CJ/T 493—2016標(biāo)準(zhǔn)[1]要求，在正常生產(chǎn)及批次控制中，主要進(jìn)行靜液壓試驗以及整管水壓試驗，其中靜液壓試驗是檢驗PVC-UH管材物性是否合格的重要的檢測試驗之一，在美國PVC管材的標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)定了PVC混配料的靜液壓設(shè)計基礎(chǔ)(HDB)為27.58 MPa，其中HDB表示根據(jù)ASTM D 2837-11[2]測試的長期靜液壓強度，但是在AWWA C 900-16標(biāo)準(zhǔn)[3]中，除了規(guī)定爆破試驗、整管水壓試驗，還規(guī)定了環(huán)向拉伸強度試驗，在某些領(lǐng)域用環(huán)向拉伸試驗來判定管材的品質(zhì)是否合格；作為驗證管材品質(zhì)的重要試驗之一，美國已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中確立了環(huán)向拉伸試驗的法律地位。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PVC-UH給水管材，直徑(dn)為800、標(biāo)準(zhǔn)尺寸比(SDR)為41/33/26，dn900、SDR41/33/26，dn1 000、SDR41/33/26，dn1 200、SDR41/33/26，河北泉恩高科技管業(yè)有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

臥式拉伸試驗機，TEST 35，AJT EQUIPMENT公司；

機械螺旋千分尺，0～25 mm、25～50 mm，哈爾濱量具刃具有限責(zé)任公司。

1.3 樣品制備

本文環(huán)向拉伸試驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D2290-16[4]；本試驗測試樣品為全環(huán)切割，并且垂直于管材軸線的平行邊，制成5個平行拉伸環(huán)樣品，樣品寬度依據(jù)ASTM D2290-16標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行截取，樣品寬度(W)應(yīng)為(12.7～50.8)mm，本文試驗標(biāo)準(zhǔn)的W選取為(50.0±2.5)mm，試樣為全直徑，外表面光滑無裂紋缺口；

拉伸環(huán)制好樣品后，選用合適的開槽設(shè)備選取一個試驗點進(jìn)行開槽，開槽距離依據(jù)ASTM D2290-16標(biāo)準(zhǔn),具體要求如下：開槽后余留距離范圍為(6.35～19.05) mm、本文試驗樣品開槽余留距離為(6.35±0.127) mm、開槽銑刀半徑為(3.175±0.127) mm，隨后旋轉(zhuǎn)180 °再開另一個試驗點，2個試驗點的連線過試驗環(huán)的中心點，開槽時要勻速，整個試驗面光滑平整，開槽減少區(qū)域必須居中，橫截面均勻，邊緣處無裂口，制樣如圖1所示。5個平行試樣依次開槽，開槽處相對位置沿拉伸環(huán)試樣均勻分布。

圖1 環(huán)向拉伸試驗樣品的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of samples for the hoop tensile test

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

環(huán)向拉伸試樣按ASTM D2290-16的標(biāo)準(zhǔn)在23 ℃下進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)[5]24 h,選取5個平行試樣中任意一個進(jìn)行環(huán)向拉伸試驗，試驗速度參照ASTM D2290-16標(biāo)準(zhǔn)，選取12.7 mm/min，試驗及試驗裝置情況如圖2所示。5個試樣依次完成試驗，記錄各個試樣的試驗數(shù)值結(jié)果，按式(1)計算處理所有的試驗數(shù)據(jù)，選取處理后的5個試驗數(shù)據(jù)的平均值，即該管材的環(huán)向拉伸強度。

(1)

其中δ——環(huán)向拉伸強度/MPa

F——施加的外力/N

m——面積，開槽距離h×(e1+e2)，即2個開槽處面積相加(計算時采用面積為開槽斷裂處的試樣原始橫截面積，而不是開槽處斷裂后的端口截面積)

(a)整體受力圖 (b)局部放大圖圖2 環(huán)向拉伸試驗示意圖Fig.2 Schematic for the hoop tensile test

2 結(jié)果與討論

環(huán)向拉伸試驗是選取垂直于管材軸線的平行邊制成拉伸環(huán)試樣，PVC-UH管材環(huán)向拉伸試驗的試驗機理是采用臥式拉伸試驗機，整個試驗過程選定均勻和平穩(wěn)的試驗速度，經(jīng)勻速拉伸使得PVC-UH管材試樣發(fā)生形變[6]，在整個試驗過程中PVC-UH管材試樣受力點所受到的力為垂直于軸向方向，試驗直至PVC-UH管材試樣斷裂為止，隨后記錄試驗所受到的最大拉伸應(yīng)力即為拉伸試驗試樣所產(chǎn)生的最大塑性變形應(yīng)力F，利用拉伸強度=應(yīng)力/面積，計算出PVC-UH管材環(huán)向拉伸強度δ的大小。由表1可以得出，在PVC-UH管材公稱外徑一定的情況下隨著管材的SDR值減小，即管材厚度的增加，環(huán)向拉伸強度的大小也隨之增加。

(a)整體受力圖 (b)局部受力圖圖3 環(huán)向拉伸試驗受力示意圖Fig.3 Force diagram of hoop tensile test

Tab.1 Hoop tensile strength of pipes with various SDR

由表2可以看出，在PVC-UH管材的SDR值一定的情況下，隨著管材直徑的增加即管材厚度的增加，環(huán)向拉伸強度也隨之增加。

表2 不同直徑的SDR26環(huán)向拉伸強度對比

Tab.2 Hoop tensile strength of PVC-UH pipes with variaus diameter

由表3可以得出，在PVC-UH管材厚度相同的情況下，二者的環(huán)向拉伸強度的大小也近乎相等，隨著PVC-UH管材的壁厚增加，環(huán)向拉伸強度也會隨著增加。

表3 不同壁厚時環(huán)向拉伸強度對比

Tab.3 Hoop tensile strength of PVC-UH pipes with various thickness

2.1 影響環(huán)向拉伸強度的因素分析

2.1.1管材原料

PVC樹脂為PVC管材中最重要的原料，型號不同的PVC樹脂其本身屬性，如黏度、熱穩(wěn)定性、相對分子質(zhì)量分布、分子鏈支鏈多少、顆粒形態(tài)是不同的，而這些不同的因素會影響到管材加工過程中添加劑的使用種類和數(shù)量，這些會影響到加工成型后管材的塑化度以及內(nèi)部分子間的交聯(lián)方式，這是管材環(huán)向拉伸強度最大的影響因素，因此生產(chǎn)PVC 管材樹脂顆粒選取形態(tài)粒子的大小、分布均勻性好且初級粒子之間孔隙分布均勻性好的樹脂尤為重要。

本文中試驗選取的PVC-UH管材原料為SG-5型PVC樹脂以及與其性能等同的其他型號PVC樹脂原料，性能穩(wěn)定，因而此次試驗不考慮PVC-UH管材原料對環(huán)向拉伸強度的影響。

2.1.2管材加工設(shè)備

生產(chǎn)過程中，不同型號的擠出機[7]以及擠出機螺桿會有不同的長徑比、壓縮比，這使得生產(chǎn)時產(chǎn)生不同的熔融溫度、熔融壓力，從而會對PVC-UH管材原料的熔融、混煉均化性、管材粒料的壓實程度產(chǎn)生影響，進(jìn)而會影響到管材的耐壓性能。同時加工溫度過高、過低或者溫度波動較大、分布不均都會對PVC-UH管材有很大的影響，溫度過高會使得PVC-UH管材原料分解，溫度過低影響管材的塑化，然而加工溫度波動較大或者分布不均不但使得管材表面產(chǎn)生缺陷，還會使得管材產(chǎn)生嚴(yán)重的品質(zhì)問題。

本文試驗中選取的PVC-UH管材為產(chǎn)線上的穩(wěn)定合格產(chǎn)品，受到產(chǎn)線設(shè)備的影響較小，無太大差異。

2.1.3管材壁厚

在PVC-UH管材加工工藝中，各個加工工段、參數(shù)對管材的品質(zhì)有著至關(guān)重要的影響，這也同樣影響管材的環(huán)向拉伸強度，其中在加工機頭位置時，螺桿轉(zhuǎn)速以及機身真空度對其影響最大，擠出機的轉(zhuǎn)速不僅僅取決于擠出機螺桿本身的固有參數(shù)，同樣受到產(chǎn)品的規(guī)格和原料的固有屬性的影響，螺桿轉(zhuǎn)速過高，會使得物料在擠出機中的停留時間變短，增加剪切摩擦熱，使得擠出的管材塑化性增加很多，更有甚者會使得管材過塑，導(dǎo)致管材內(nèi)壁發(fā)黃分解甚至產(chǎn)生氣泡，從而使得管材的環(huán)向拉伸性能直線下降，嚴(yán)重影響管材品質(zhì)。擠出機機身擠出段真空度同樣會影響到管材的品質(zhì)，真空度過低會使得機身在擠出段的排氣效果不佳，使得物料自身自帶或者過塑產(chǎn)生氣體不易逸出，導(dǎo)致管材中產(chǎn)生氣孔，影響管材的物理性能，使得管材抗張能力和抗拉伸能力減弱。

本文選取的PVC-UH管材全部為產(chǎn)線上的穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)、靜液壓試驗合格的產(chǎn)品做試驗檢測；由于螺桿轉(zhuǎn)速異常、真空異常等生產(chǎn)異常的PVC-UH管材在品質(zhì)和性能差異過大，不具有參考價值，本文不涵括此類管材與連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)產(chǎn)品的性能對比試驗。

管材由擠出機擠出后，經(jīng)定徑套后進(jìn)入循環(huán)噴淋水箱冷卻，使得管材由高溫橡膠態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為常溫玻璃態(tài)，然而PVC-UH管材的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.17 W/m·K，已經(jīng)接近保溫材料的傳導(dǎo)系數(shù),PVC-UH管材在自然狀態(tài)下由加工溫度175 ℃左右降到室溫25 ℃需要的時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用循環(huán)冷卻水強制冷卻的時間，管材壁厚越厚，2種降溫方式在時間上的差異也就越大，因此不同程度和速度的降溫會使得管材不同位置尤其是內(nèi)壁和外壁的收縮速率不同使得管材產(chǎn)生一定的應(yīng)力，大口徑厚壁管在此方面更為明顯，口徑越大、壁厚越厚，內(nèi)壁和外壁降溫速率的差異越大，過于劇烈的降溫甚至?xí)?dǎo)致管材開裂(圖4)，產(chǎn)生嚴(yán)重的品質(zhì)問題，這些力會儲存在PVC-UH管材中，對管材的環(huán)向拉伸強度產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。

(a)管材暗裂圖 (b)管材明裂圖 (c)管材開裂剖視圖圖4 降溫過快導(dǎo)致PVC-UH管材開裂示意圖Fig.4 Picture of PVC-UH pipe cracking caused by too fast cooling

管材擠出經(jīng)過定徑套后，沿擠出方向會受到牽引機的牽引力以及擠出機拉力[8]，不同口徑管材的擠出速度不同，與之相匹配的牽引速度不同，管材口徑大，壁厚就越厚，擠出速率和牽引速率就越慢；反之管材口徑小，壁厚就越薄，擠出速率和牽引速率就越快，管壁沿擠出拉伸方向的取向就越嚴(yán)重，沿擠出拉伸方向取向就會使環(huán)向方向的拉伸強度[9]有所降低(圖5)，因而擠出速率和牽引速率較慢的大口徑厚壁管的環(huán)向拉伸強度就會相對要大一些。

(a)宏觀拉伸方向取向圖 (b)分子級拉伸方向取向圖圖5 PVC管材拉伸方向取向圖Fig.5 Tensile direction diagram of PVC pipes

(a)由無序變?nèi)∠驁D (b)單向取向圖 (c)雙向取向圖圖6 PVC管材分子級拉伸方向取向圖Fig.6 Orientation diagram of PVC pipes along molecular tensile directior

從分子級角度分析，PVC-UH管材主要原料為PVC樹脂，PVC樹脂為大分子聚合物，分子殮集程度較高，且由分子鏈組成結(jié)構(gòu)可知，在PVC分子中含有大量的氯原子，分子極性大，分子鏈間的距離為2.8×10-10m，是極性聚合物，分子作用力較強；PVC樹脂分子沿著分子鏈方向的力是共價鍵結(jié)合產(chǎn)生的，然而垂直于分子鏈方向的力是由氫鍵即范德華力產(chǎn)生的。自然狀態(tài)下分子鏈的鏈段朝著各個方向的幾率是相等的，在各個方面表現(xiàn)出來的力學(xué)性能是相同的，然而在外力作用下，分子鏈的鏈段會朝著受力方向擇優(yōu)排列，即分子鏈段發(fā)生取向(圖6)，這就會導(dǎo)致管材產(chǎn)生各向異性(在取向方向表現(xiàn)出來的性能極為突出，在未取向方向表現(xiàn)出來的性能則略有下降)。

從管材的加工工藝流程綜合分析可知，管材管壁受到牽引而發(fā)生的取向以及因管壁冷卻速率的不同而產(chǎn)生的應(yīng)力對環(huán)向拉伸強度的影響是非常明顯的，而這些影響因素的關(guān)鍵就在于管材的壁厚。

2.2 環(huán)向拉伸試驗意義

由PVC-UH管材環(huán)向拉伸強度試驗的受力分析可知，試樣受力點所受到的力為垂直于管材軸向，此試驗可以驗證試樣受力點的抗張能力和抗拉伸能力的強弱，由此可以推算出整個試樣、整個管材的抗張能力強弱，進(jìn)而得出管材的環(huán)向耐壓強度[10]。靜液壓試驗是利用靜態(tài)壓力P來驗證管材品質(zhì)的一種試驗方法，試驗方法如下：對于一給定的管材，在與管材材質(zhì)相匹配的環(huán)應(yīng)力(靜液壓力P的環(huán)向分量)的作用下，在試驗規(guī)定的溫度和時間內(nèi)所檢測的管材管壁未完全屈服，視為管材品質(zhì)合格，只有在管壁完全屈服[11]時，管材才判為失效。由PVC-UH管材靜液壓試驗的受力圖分析可知，試樣受力點所受到的力同樣垂直于管材軸向，此試驗同樣驗證試樣受力點的抗張能力和抗拉伸能力的強弱，靜液壓試驗驗證的管材受力點主要受力方向與環(huán)向拉伸試驗受力方向一致(圖7)。

(a)環(huán)向拉伸試驗 (b)靜液壓試驗圖7 環(huán)向拉伸試驗和靜液壓試驗局部受力圖Fig.7 Local force diagram of the pipes under the hoop tensile test and static hydraulic test

與靜液壓試驗相比，環(huán)向拉伸試驗過程所需時間短，而靜液壓試驗的狀態(tài)調(diào)節(jié)時間長，試驗安裝過程費時費力，口徑越大所需時間越長(表4為本公司選取同SDR值的PVC管材在正常狀態(tài)下靜液壓安裝、試驗和環(huán)向拉伸試驗需要時間對比表)，而且大口徑PVC-UH管材靜液壓試驗安裝完成后可能會因為各種原因(如不圓度過大、密封膠圈破損等)影響到試驗器具的密封性從而使得管材在試驗時發(fā)生泄漏而導(dǎo)致試驗失敗。與管材靜液壓試驗相比，環(huán)向拉伸試驗更為方便快捷，而且環(huán)向拉伸試驗的結(jié)果可以數(shù)據(jù)化，可以由試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果直接判斷管材的品質(zhì)，而且本文重點分析壁厚對管材環(huán)向拉伸強度的影響，同樣歸納總結(jié)了各個壁厚與之相應(yīng)的環(huán)向拉伸強度的大小，對同規(guī)格不同厚度管材的環(huán)向拉伸強度指標(biāo)的擬定有關(guān)鍵的指導(dǎo)意義。

表4 試驗所需時間

Tab.4 Experiment time

整個環(huán)向拉伸試驗檢測設(shè)備簡單，造價和試驗費用低，可操作性強，試驗成功率高，可以為企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)及時提供指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，作為品質(zhì)判定和預(yù)控的方法之一，使得大口徑PVC管材品質(zhì)數(shù)據(jù)化、檢驗過程簡單化、檢測試驗方便化成為可能，極大的減輕了生產(chǎn)企業(yè)在品質(zhì)監(jiān)控的人力物力的投入，使得企業(yè)對管材品質(zhì)的監(jiān)控更為有效，減少了原料浪費，節(jié)約了企業(yè)生產(chǎn)成本。

3 結(jié)論

(1)與管材靜液壓試驗相比，環(huán)向拉伸試驗更為方便快捷，其結(jié)果可以數(shù)據(jù)化，試驗過程所需時間短，整個試驗有多個平行試樣，試驗的誤差可降到最低，可以由試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果直接判斷管材的品質(zhì);

(2)分析了管材壁厚對環(huán)向拉伸強度的影響，歸納總結(jié)了各個壁厚與之相應(yīng)的環(huán)向拉伸強度的大小;

(3)大口徑厚壁管PVC-UH管材的厚度在一定的范圍內(nèi)(19.5～45.9 mm)對環(huán)向拉伸強度有一定的影響，管材的厚度越大，相應(yīng)的環(huán)向拉伸強度也就越大，二者具有一定的線性關(guān)系，據(jù)此對同規(guī)格不同厚度管材的環(huán)向拉伸強度指標(biāo)的擬定有關(guān)鍵的指導(dǎo)意義。