聚氨酯保溫管的應(yīng)力松弛及蠕變分析

楊錕昊 羅維多 蔣 沛

（天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國內(nèi)管網(wǎng)高層次技術(shù)革新推動聚氨酯保溫管的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。聚氨酯材料是一種新型高性能高分子聚合物，與傳統(tǒng)材料相比，具有無與倫比的優(yōu)勢。

聚氨酯材料主要可以細(xì)分為硬質(zhì)泡沫、半軟半硬質(zhì)泡沫及柔性泡沫，根據(jù)選用的配方、原材料和催化劑有所差異。聚氨酯保溫管通常選用堅硬泡沫塑料。聚氨酯材料是以各種固態(tài)材料作為基體，具有良好的機(jī)械性能，如硬度、強(qiáng)度、耐磨性和抗沖擊性相對于傳統(tǒng)材料優(yōu)良。聚氨酯保溫管不僅導(dǎo)熱系數(shù)低，提高了保溫效果，降低熱損耗，節(jié)約能源，而且具有防腐優(yōu)勢，延長了管網(wǎng)運(yùn)行壽命。

尺寸穩(wěn)定性差是聚氨酯高分子材料的一個固有缺陷，在正常環(huán)境下也可能會出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，從而直接導(dǎo)致聚氨酯保溫層的結(jié)構(gòu)破壞，在其生產(chǎn)和使用過程中我們需對此進(jìn)行充分考慮。在恒定的溫度和應(yīng)力的條件下，隨著時間不斷延長，固體材料的應(yīng)變會持續(xù)增加，這種現(xiàn)象叫蠕變現(xiàn)象。蠕變現(xiàn)象會不斷增加固體材料的塑性變形，并且相應(yīng)減少彈性變形，在總變形保持不變的條件下，應(yīng)力會緩慢減弱，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象普遍存在于聚氨酯保溫管的日常存儲過程中，如若存儲場所環(huán)境溫度較高，這種現(xiàn)象尤為明顯。蠕變和應(yīng)力松弛對聚氨酯保溫層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了破壞，嚴(yán)重影響管網(wǎng)的運(yùn)行壽命。在不影響聚氨酯保溫層材料特性的前提下，進(jìn)行蠕變和應(yīng)力松弛研究，對于管網(wǎng)運(yùn)行壽命及安全性有深遠(yuǎn)意義[1]。

1 聚氨酯在保溫管行業(yè)中的應(yīng)用

1.1 聚氨酯材料的基本性質(zhì)

聚氨酯是一類具有高分子結(jié)構(gòu)化合物共聚體的總稱，由異氰酸酯與羥基化合物（多元醇）作用而成。聚氨酯產(chǎn)品種類繁多，應(yīng)用最廣泛的為聚氨酯保溫材料類產(chǎn)品，而聚氨酯彈性體類產(chǎn)品應(yīng)用于生活方方面面，聚氨酯涂料類產(chǎn)品多應(yīng)用于工業(yè)。

聚氨酯材料通過改變原材料的配比，添加不同的催化劑或采用不同的成型工藝，可獲得差異較大的產(chǎn)品。聚氨酯材料按其密度和導(dǎo)熱系數(shù)大致可分為三類，即：硬質(zhì)聚氨酯泡沫、半軟質(zhì)聚氨酯泡沫和柔性聚氨酯泡沫。聚氨酯保溫管行業(yè)中多采用堅硬的彈性聚氨酯泡沫。

1.2 聚氨酯在保溫管行業(yè)中的應(yīng)用

聚氨酯材料作為新型保溫材料，具有隔熱保溫性能優(yōu)良、強(qiáng)度高、重量輕、成型工藝簡單等優(yōu)點，在保溫管網(wǎng)行業(yè)中顯示出明顯的效益性，廣泛應(yīng)用。

聚氨酯材料在保溫管道復(fù)合體系中發(fā)揮出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能和承重性能；

聚氨酯泡沫具有良好的保溫性能，節(jié)約管線運(yùn)行成本；

聚氨酯泡沫吸水率低，具備較好的防水性能，運(yùn)行壽命長久；

聚氨酯泡沫可根據(jù)不同管徑及運(yùn)行環(huán)境，調(diào)整泡沫密度，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化；

聚氨酯泡沫可采用多元化加工方式，加工成本低廉，生產(chǎn)效率高。

2 蠕變的研究

蠕變是使構(gòu)件失效的主要形式。固體材料隨著其保持的應(yīng)力和溫度不變，時間不斷推移和延長，應(yīng)變也不斷地增加，這種現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變的持續(xù)過程大致可以分為三個階段，第一階段被稱為初始加速蠕變過程，在初始蠕變的持續(xù)過程中，應(yīng)變強(qiáng)度的增加會使蠕變速度持續(xù)增加，但蠕變速度隨時間的推移而逐漸減慢；第二階段被稱為穩(wěn)態(tài)加速蠕變過程，此階段應(yīng)變會勻速增加；第三階段則稱為加速穩(wěn)態(tài)蠕變的持續(xù)過程，此階段應(yīng)變會加速增加，直至構(gòu)件發(fā)生失效[2]。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度、載荷大小及加載時間會直接影響聚氨酯保溫層的蠕變性能。在高溫環(huán)境中，材料的蠕變速率明顯加快。施加的載荷逐漸增大，加快蠕變進(jìn)程，甚至只表現(xiàn)出加速蠕變過程，發(fā)生斷裂。

聚氨酯保溫管的工作環(huán)境恰恰存在這樣的條件，保溫管長期暴露在土壤中，工作鋼管中輸送的流體具有一定溫度，長期在此環(huán)境下運(yùn)行必會導(dǎo)致保溫層發(fā)生蠕變。

3 應(yīng)力松弛的研究

應(yīng)力松弛主要是一種由高分子粘彈性特殊而產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象，用外力突然讓其發(fā)生特定的變形，維持這個變形過程中所需力量與時間的關(guān)系。蠕變現(xiàn)象會不斷增加構(gòu)件的塑形變形，而構(gòu)件的總形變始終保持在一定范圍內(nèi)，相應(yīng)地會大大減少彈性變形，隨著時間不斷延長，應(yīng)力緩慢降低，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。

蠕變是在恒定應(yīng)力作用情況下，應(yīng)變緩緩增加的一個過程，應(yīng)力松弛也可以類比為高、低不同應(yīng)力作用下的蠕變。通過構(gòu)造蠕變和應(yīng)力松弛的轉(zhuǎn)換模型，既能有效降低轉(zhuǎn)換時間成本，亦可利用蠕變的實驗?zāi)Ｐ屯茖?dǎo)出應(yīng)力松弛特征參數(shù)。

4 聚氨酯保溫管力學(xué)性能計算

本文根據(jù)聚氨酯材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，采用實驗和理論相結(jié)合的方式，對常溫環(huán)境中的聚氨酯保溫管進(jìn)行應(yīng)力松弛及蠕變分析。在相同溫度、不同應(yīng)力、不同初始應(yīng)變下聚氨酯保溫管的應(yīng)力松弛和蠕變行為，探索其影響因素及變化機(jī)理。

選取保溫層筒壁半徑為r的任意一點，以Z軸建立空間坐標(biāo)軸系（r，θ，Z）。任意截取一段聚氨酯保溫層，如圖1所示，以此微元體作為研究對象。

圖1 聚氨酯保溫層中彈性微元體

微元體主要受三個方向作用力， 以σr表示沿半徑r方向的徑向應(yīng)力，以σθ表示沿θ方向的周向應(yīng)力，以σZ表示沿Z方向的軸向應(yīng)力。相應(yīng)的，以εr表示徑向應(yīng)變，以εθ表示周向應(yīng)變，以εZ表示軸向應(yīng)變。w表示軸向徑向位移，u表示軸向位移。在不計重力的情況下，微元體的幾何結(jié)構(gòu)和受力載荷基本軸對稱，而且Z軸方向保持不變，保溫層筒體的幾何結(jié)構(gòu)、受力載荷沿Z軸方向基本不變，w只與r有關(guān)，u只與Z有關(guān)[3]。

微元體的平衡方程為：

幾何方程為：

物理方程為：

其中：E為彈性體彈性模量；

μ為彈性體泊松比。

以聚氨酯保溫管為例，在工作環(huán)境中，受外力P0和內(nèi)力Pi，鋼管直徑為Ri，聚氨酯彈性體半徑為R0，如圖2所示。

圖2 保溫管聚氨酯彈性體示意圖

計算聚氨酯彈性體徑向位移方程為：

當(dāng)保溫管聚氨酯彈性體所受的外力為特定值時，忽略工作鋼管的徑向形變，可給定其邊界 條件：

在r=Ri處，；

在r=Ro處，。

由此可計算未知量Pi和Ro。

5 聚氨酯保溫管常溫蠕變實驗

通過蠕變實驗考察聚氨酯保溫管隨時間變化獲得的蠕變數(shù)據(jù)，對其蠕變影響因素及變化機(jī)理進(jìn)行探索，建立聚氨酯保溫管常溫條件下蠕變的模型。

5.1 實驗裝置

設(shè)計搭建聚氨酯保溫管常溫蠕變實驗裝置，如圖3所示。實驗裝置由裝置底架、保溫管固定塊、保溫管、砝碼、砝碼支架、千分表支架及千分表組成。聚氨酯保溫管放置在裝置底架，由固定塊固定位置。在保溫層中部放置砝碼支架，下方加裝砝碼，千分表測定聚氨酯保溫層偏移量[4]。

圖3 保溫管聚氨酯管常溫蠕變實驗裝置示意圖

5.2 實驗材料

截取一段φ219聚氨酯保溫管，管段的長度約為800mm。泡沫層厚度75mm，長度為300mm，聚氨酯密度60kg/m3。如圖4所示，保溫管中部B段作為檢驗承壓部分，長度為100mm。本次測試承壓件的兩部分為保溫層段A，長度為100mm。A段與B段之間剪切有兩個5mm貫穿的剪切口，保溫層完全分離，鋼管保持完整，切口垂直于鋼管軸線。

5.3 實驗步驟

（1）首先將試樣聚氨酯保溫管置于溫度為23±2℃環(huán)境中，測量聚氨酯保溫層的厚度S；

（2）將試樣的鋼管內(nèi)部中通入熱流體進(jìn)行提高溫度，溫度升到140±2℃后仍需保持溫度恒定。環(huán)境條件下的溫度維持23±2℃不變，進(jìn)行蠕變性能 檢測；

（3）采用不同重量的砝碼，對實驗保溫層施加不同徑向力F。砝碼的重量定為1.5±0.01KN。待負(fù)載作用力恒定后，記錄千分表數(shù)值。

（4）保持試樣鋼管溫度不變，分別在施加徑向力后的100h和1000h的時刻，記錄徑向偏移量ΔS100和ΔS1000。

5.4 數(shù)據(jù)處理

試樣聚氨酯保溫管蠕變實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 蠕變實驗數(shù)據(jù)

其中Δε為實驗記錄時間時，試樣的壓縮總應(yīng)變減去了蠕變，即：

創(chuàng)建雙曲軸對數(shù)坐標(biāo)曲線示意圖，橫向軸坐標(biāo)表示時間（h），縱向軸坐標(biāo)表示徑向量的位移（mm）。以測定的ΔS=0為坐標(biāo)原點，依次將ΔS100和ΔS1000測得值標(biāo)示在該雙對數(shù)坐標(biāo)圖，連接形成一條直線，如圖5所示。

圖5 試樣保溫層蠕變實驗結(jié)果

5.5 壓縮蠕變實驗結(jié)果推算

根據(jù)不同時間的蠕變位移量，可模擬計算試樣保溫層蠕變公式。因為保溫管蠕變是一個長期的過程，只與時間、載荷和溫度有關(guān)，蠕變公式為：

其中：ε為總應(yīng)變；

ε0為蠕變開始時的應(yīng)變；

t為蠕變時間；

σ為蠕變的應(yīng)力水平；

Q為活化能；

R為氣體常數(shù)；

T為熱力學(xué)溫度；

n、m為材料常數(shù)。

在相同的溫度和載荷下，Q、R、T都是常數(shù)，公式可簡化為：

其中：

式中的k與蠕變載荷、溫度有關(guān)，載荷越大、溫度越高，k值越大。

將公式兩邊取常用對數(shù)得到：

將表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到：

由此得到蠕變公式為：

根據(jù)此蠕變公式，可推算保溫管使用3 0年（262800小時）時的徑向位移增量為16.3mm。

6 結(jié)語

（1）本文聚氨酯保溫管保溫材料抗蠕變性能測試的試驗方法和實驗裝置參照GB/T 29046《城鎮(zhèn)供熱預(yù)制直埋保溫管道技術(shù)指標(biāo)檢測方法》設(shè)計；

（2）聚氨酯保溫管保溫層可類比為無限長度的筒體，在工作環(huán)境中受到環(huán)向的壓力載荷并不相同，徑向壓縮量也不相同。本實驗裝置模擬單一徑向的壓力載荷對聚氨酯保溫層的壓縮位移；

（3）本文所述蠕變實驗及推算結(jié)果可用于不同工藝直埋聚氨酯保溫管的性能比較。亦可用于研究運(yùn)行輸送流體溫度對聚氨酯保溫管的壽命影響。