测试与标准

塑料管环向刚度的定义、标准、选择和实现

Ξ

张玉川

(北京塑料工业协会,北京　100078)

　　摘要:介绍了塑料管环向刚度的定义和标准及不同标准环刚度间的换算,也讨论了环刚度的选择和如何获得所选择的环刚度。

关键词:塑料埋地排水管;环刚度;国际标准

中图分类号:TQ320.724　文献标识码:A 　文章编号:1001-9456(2002)01-0050-08

Def initions ,Standards ,Selections and R ealization of Ring Stiffness for Plastics Pipes

ZHAN G Yu 2chuan

(Beijing Plastics Industry Association ,Beijing 100078,China )

　　Abstract :Described are the definitions and standards of ring stiffness for plastics pipes and the conver 2sion of ring stiffness between different standards by examples.And dissussed are the selections of ring stiff 2ness and the measures to obtain required ring stiffness.

K ey w ords :underground drainage plastics pipes ;ring stiffness ;international standard 　　塑料管按其使用时承受的负载大体可以分4大类:

1)承受内压的管材管件:如建筑给水用管等;2)承受外压负载的管材管件:如埋地排水管、埋地

的电缆、光缆护套管;

3)基本上不承受内压也不承受外压的管材管件:如建筑内的排水管、雨水管;

4)同时承受内压和外压负载的管材管件:如埋地给水管,埋地燃气管等。

管材管件在承受内压负载时在管壁中产生均匀的拉伸应力,设计时主要考虑的是强度问题(要根据其长期耐蠕变的强度设计)。如果强度不够,管材管件将发生爆裂破坏(有延性破坏或脆性破坏两种)。管材管件在承受外压负载时,在管壁中产生的应力比较复杂(在埋设条件比较好时,由于管土共同作用,管壁内主要承受压应力;在埋设条件比较差时,管壁内产生弯矩,部分内外壁处承受较大的压应力或拉伸应力),设计时主要考虑的是环向刚度问题。如果环向刚度不够,管材管件将产生过大的变形(引起连接处泄漏)或者产生压塌(管壁部分向内曲折)。

对于承受外压负载的管材管件环向刚度是最重要

的性能,本文对于塑料管的环向刚度的定义、标准、选择和实现做一个介绍。

1　管材管件环向刚度的定义、标准和检测

各国对于塑料管环向刚度有不同的定义和标准,很容易造成混淆和引起误解,我国一些企业从不同国家引进了塑料埋地排水管技术和设备,常常就应用引进国的定义和标准。

根据理论分析和试验证实:

环向刚度正比于

EI

D

3式中:E —材料的弹性模量;

I —管壁惯性矩;

D —管材的平均直径。

各国对于管材环向刚度的不同定义如下。1.1　国际标准ISO

国际标准中关于管材管件环刚度的标准有:ISO 9969热塑性管材—环刚度的确定

ISO 13967热塑性管件—环刚度的确定ISO 13966热塑性管材管件—公称环刚度

—

05—Ξ收稿日期:2001-11-28

ISO标准对于管材的环向刚度称为“环刚度”,其物理意义是一个管环断面的刚度,也可以用以下的公式计算:

S=EI D3

其中:S—环刚度;

E—材料的弹性模量;

I—惯性矩;

D—管环的平均直径。

因为环刚度用计算方法计算不够准确,所以ISO 标准规定环刚度是通过试验后用试验结果计算出来的。按ISO9969试验方法,将规定的管材试样在两个平行板间按规定的条件垂直压缩,使管材直径方向变形达到3%。根据试验测定造成3%变形的力F计算环刚度。计算的公式是:

S=010186+01025y

d i

F

L y

式中:S—环刚度,kN/m2;

d i—管材试样的内径,m;

F—造成3%变形的力,kN;

L—试验件的长度,m;

y—试验件的变形量,m。

ISO13966标准规定,产品的环刚度应按下列公称环刚度SN分级:2、(2.5)、4、(6.3)、8、(12.5)、16、32(注:括号内是非优选值)。标志时用SN后加数字。

1.2　欧洲标准EN

最新的埋地排水用结构壁管欧洲标准草案是pr EN1347621:埋地无压排水排污用热塑性管系统—硬聚氯乙烯(PVC2U)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)的结构壁管道系统—第一部分管材、管件和系统的规范pr EN1347621:试验方法按ISO9969。

管材应该按下列公称环刚度(SN)分级:

DN≤500:SN4、SN8、SN16;DN>500:SN2、SN4、SN8,SN16。

所以,对于管材管件的环向刚度,欧洲标准和ISO 标准是一致的。

1.3　我国标准

我国目前埋地排水管有关标准有:

行业标准QB/T1916293“硬聚氯乙烯(PVC2U)双壁波纹管材”;

报批中的国家标准:“埋地排水用硬聚氯乙烯(PVC2U)双壁波纹管材”;

国家标准G B/T10002.3:“埋地排污、废水用硬聚氯乙烯(PVC2U)管材”;

1993年公布的行业标准QB/T1916293“硬聚氯乙烯(PVC2U)双壁波纹管材”中规定环刚度分四级,并规定了环刚度的试验方法和根据试验结果计算环刚度的方法。

表1　环刚度的分级

级别S0S1S2S3

环刚度≥2≥4≥8≥16

　　试验方法基本上和ISO9969相同(除变形量用5%与ISO不同),可以认为其定义和国际标准基本是一致的。

正在报批的国家标准“埋地排水用硬聚氯乙烯(PVC2U)双壁波纹管材”中对于环刚度的分级和试验方法等和上述行业标准相同。

1996年公布的国家标准G B/T10002.3:“埋地排污、废水用硬聚氯乙烯(PVC2U)管材”中规定环刚度分2、4、8三级(相当S25、S20和S16.7管材系列)。试验方法和按试验结果计算环刚度的方法和ISO9969基本上相同(除变形量用5%与ISO不同)。可以认为其定义和国际标准基本是一致的。

1.4　德国标准

德国埋地排水管的标准有:

DIN16961有型材形式的外面和光滑内面的热塑性塑料管材管件第一部分:尺寸;第二部分:交货时的技术要求。

DIN标准对于管材的环向刚度也称为“环刚度”。ISO和DIN的名称都用“环刚度(ring stiffness)”,而定义不同,数值相差8倍,很容易造成误解和混淆。在下面将对两种标准的“环刚度”之间的差别和关系进行说明。

DIN标准中环刚度的物理意义见DIN16961第2部分第3页:“环刚度作为塑料管的一个固定参数来

自:S R=EJ

r3

式中:S R—环刚度;

E—材料的弹性模量;

J—管壁惯性矩;

r—管壁中性线的半径。

由此可见,DIN和ISO对于同一名称“环刚度”的

—

1

5

—

定义不同。因为管壁中性线半径大约等于管材的平均直径的一半,这两个公式计算出来的结果应该相差近8倍。所以同一管材用DIN定义计算出来的“环刚度”比用ISO定义计算出来的“环刚度”约大8倍。

在DIN16961第1部分第1页中有一段说明:“因为有型材形式外面的,管壁带孔的和复合材料做的管材的环刚度用计算方法不够准确,所以环刚度是通过试验后用试验结果计算出来的。”

按DIN16961第2部分的试验方法也是将规定的管材试样在两个平行板间按规定的条件垂直压缩,使管材直径方向变形达到3%,根据试验测定造成3%变形的力F计算环刚度。计算公式是(试验方法和ISO 相似,但是计算公式不同):

S R=

F

Δd

iv

L

ξ

式中:S R—环刚度,kN/m2;

F—造成3%变形的力,kN;

L—试验件的长度,m;

Δd

iv

—试验件的变形量,m;

ξ—变形的系数,可从表2根据变形百分比

Δd

iv

/d i查出(d i为管材内径,m)。

表2　变形百分比与变形系数的关系

变形百分比(Δd iv/di)/%变形的系数

ξ

00.1488

10.1508

20.1528

30.1548

40.1568

50.1588

60.1608

70.1628

80.1648

90.1668

100.1688

110.1708

120.1728

130.1748

140.1768

150.1788

　　比较ISO9969和DIN16961两个计算公式可以

看到:ISO公式中的y相当于DIN公式中的Δd iv,两个公式的差别就在ISO公式中的(0.0186+0.025y/ d i)和DIN公式中的ξ。按不同变形百分比计算其差别见表3。

表3　ISO标准和DIN标准计算的差别

变形百

分比/%

ISO的

(0.0186+0.025y/d)

DIN的ξ

相差

倍数

00.01860.14888

10.018850.15088

20.01910.15288

30.019350.15488

40.01960.15688

50.019850.15888

60.02010.16088

70.020350.16288

80.02060.16488

90.020850.16688

100.02110.16888

110.021350.17088

120.02160.17288

130.021850.17488

140.02210.17688

150.022350.17888

　　由此可见,两种标准从试验结果计算的环刚度也相差8倍。

表4　DIN16961规定的环刚度S R24系列管材系列1234567最小环刚度S R24/(kN/m2)2481631.563125 1.5　美国ASTM标准

美国ASTM标准对于管材环向刚度用到两个定义:(1)管刚度Pipe Stiffness(PS)定义在ASTM2412“用平行板加负载方法测定塑料管的特性”,(2)环刚度系数Ring Stiffness Constant(RS C)定义在ASTM F 894“聚乙烯大直径成型壁排水排污管”。在ASTM 2412标准中管刚度计算公式是:

PS=

F

ΔY=

EI

01149r3m

式中:PS—管刚度,psi;

—

2

5

—

F—负载,Ibs./lineal-in;

　　ΔY—变形,in;

E—弹性模量,psi;

　　I—管壁断面的惯性矩,in4/in;

r m—平均半径,in。

PS也是通过试验后用试验结果计算出来的,是将规定的管材试样在两个平行板间按规定的条件垂直压缩使管材直径方向变形。根据试验测定造成变形的负载F和变形量ΔY计算环刚度,这里的F是试样单位长度受到的负载。

我国在1988年公布一个国家标准G B9647288“塑料管耐外负荷试验方法”,参照的就是ASTM D 2414277标准,单位改成了公制,计算公式用的符号也不同。PS称为管材刚度,但是没有见到PS在国内被其他标准和规范采用。

因为美国的资料应用管刚度PS,我国近年引进韩国的设备和技术也应用管刚度PS(有的不用英制单位psi而用公制单位kg/cm2)。同一管材的环向刚度用ISO的环刚度定义的S数值和用ASTM的管刚度定义的PS数值完全不同。在换算时要注意不单是定义不同,用的单位也不同。

下面用实例说明从ASTM管刚度PS换算ISO 的环刚度:

例1:美国ASSHTO M252和M294标准系列的聚乙烯波纹管,内径12英寸(300毫米)的管刚度PS 是50psi。问相当ISO标准的环刚度S是多少?

第一步把英制单位换算为公制。50psi相当于344kN/m2;

因为管刚度定义:PS=EI

01149r3m

;

ISO环刚度定义S=EI

D3

,

S=EI

D3

=

EI

8r3m

=

01149

8

PS=1/5317

PS=344×0.0186=6.4

　　结论:这种管材按ISO标准环刚度为6.4kN/m2。

例2:韩国有明机械推荐的缠绕熔接管(双层壁PE管)的刚度分1级和2级。1级的管刚度是3.5kg/cm2。问相当ISO标准的环刚度S是多少?

第一步把单位换算为kN/m2,3.5kg/cm2相当于350kN/m2;

350×0.186=6.5。

结论是这种管材按ISO标准环刚度为6.5kN/m2。

ASTM F894标准中环刚度系数定义是:

RS C=6144

EI

D2

式中:RS C—一个试验得出的系数,是把平板试验中的负载(每英尺管材受的磅数值)除以管材变形量的百分数的数值;

　　　E—弹性模量,psi;

I—管壁的惯性矩,in4/in;

D—平均直径,in。

(更详细的资料可查ASTM F894和美国PPI的技术报告TN219/2000。)

总之,各国和各种标准对于管材管件环向刚度的定义和试验方法不同,当我们说到环向刚度时要说明是哪个标准的环向刚度,用的是什么单位。我国的政策是采用ISO国际标准,今后我国的有关标准和规范中对于管材管件环向刚度都将采用ISO标准的“环刚度”。

DIN标准的“环刚度”和ASTM标准的“管刚度”可以换算成ISO标准的环刚度,换算值是近似的,因为各种标准的试验方法近似,但不完全相同。

ISO9969和我国标准的环刚度转换为DIN16961的环刚度:近似乘以8。

ISO9969和我国标准的环刚度转换为ASTM D2412的管刚度(同样公制单位下):近似乘以53.7。2　环刚度的选择

2.1　环刚度是最重要的性能指标

因为在埋地排水的应用中管材内是没有压力或压力很低的,管材承受的负载是外压负载(包括动负载和静负载)。如果管材的环刚度太小,管材将发生过大变形或屈曲等破坏,所以选择的环刚度不够就不能保证产品的安全使用。国内有一个企业生产的缠绕成型结构壁管就因为环刚度过低,在实用中接连发生问题,失去了一部分用户的信任。反之,如果环刚度选择得太高,必然采用过大的截面惯性矩,将造成用材料太多,成本过高。目前国内结构壁管的竞争中价格是个重要因素,而结构壁管的成本中材料成本占很大比例。所以,必须要选择一个合适的环刚度,在截面设计上设法在尽量减少材料的用量下实现这个环刚度。

2.2　认真选择要求的环刚度

环刚度取决于塑料结构壁管的材料(弹性模量)、直径和截面的惯性矩。根据用途等因素选定材料和直径后,就靠截面的设计来实现对于环刚度的要求。结

—

3

5

—

构壁管的管壁截面是由设备和模具(波纹成型机)来实现的,设备模具做好后就很难改变。换句话说,如果需要改变环刚度(如非小量调整)就需要更改设备和模具。所以定购生产线前必须认真选择要求的环刚度。

2.3　国内选择管用环刚度的情况

我国早期引进设备生产的聚氯乙烯双壁波纹管和“加筋管”(直径400mm以下)大都选择了环刚度等于或大于8kN/m2。从实践看刚度比较高,使用中可以满足,因此我国现有的结构壁管设计规范中提出了有关建议:

在天津地方标准TBJ12296“天津市硬聚氯乙烯排水管道工程设计规程”第2.0.4条:“环形刚度大于或等于8kN/m2”。

2001年5月1日开始施行的由“中国工程建设标准化协会”批准的中国工程建设标准化协会标准CECS122:2001“埋地硬聚氯乙烯排水管工程技术规程”3.1.3:“管材的环向弯曲刚度,应根据管道承受外压荷载的推荐选用。管道位于车行道下,管材的环向弯曲刚度不宜小于8kN/m2”。

1996年山西塑料总厂引进加拿大CORMA的高密度聚乙烯双壁波纹管生产线选择的环刚度是2和4kN/m2。从实际应用中的效果看,在很多场合也可以满足要求。也有地区反映认为环刚度偏低,对于铺设的要求比较高,不如使用环刚度较高的聚氯乙烯“加筋管”等方便和可靠。

近年来我国埋地排水用结构壁管市场发展很快,促使一些企业引进新的结构壁管生产线,据调查:杭州东冠塑料制管有限公司UN ICOR生产线聚氯乙烯双壁波纹管内直径225、300、400毫米,环刚度9kN/m2。

江苏省星河集团FRAN KISCHE生产线,聚乙烯双壁波纹管,内直径200、250、300、400、450、500mm,环刚度8kN/m2。

安徽国风德安制管公司UN ICOR生产线,聚乙烯双壁波纹管,外直径400、500、630、800mm,环刚度6kN/m2。

2.4　国外的经验

近年国外对于塑料结构壁管进行了大量的试验和研究。根据这些试验研究的成果和几十年实际使用的经验,证明塑料结构壁管在正确的设计和施工下可以使用比较低的环刚度,也就是可以更加经济。这方面美国CPPA聚乙烯双壁波纹管协会有不少资料。从CPPA结构设计中推荐的聚乙烯双壁波纹管产品系列看,其环刚度都比较低。

表5　符合ASSHTO M252和M294的聚乙烯波纹管的有代表性的截面特性

内径ID/ in(mm)典型的外径

OD/in(mm)

在5%变形时管

刚度P S/ps i(kPa)

相当于IS O9969

环刚度3/kN/m2

截面面积AS/

in2/in(mm2/mm)

从内径到中性轴

距离C/in(mm)

惯性矩I/

in4/in(mm4/mm)

3(75) 3.6(91)35(241) 4.490.0448(1.138)0.1528(3.881)0.0004(6.55) 4(100) 4.6(117)35(241) 4.490.0568(1.443)0.1917(4.869)0.0007(11.47) 6(150)7.0(178)35(241) 4.490.0837(2.126)0.3158(8.021)0.0033(54.08) 8(200)9.9(251)35(241) 4.490.1044(2.652)0.4345(11.036)0.0087(142.57) 10(250)11.9(302)35(241) 4.490.1117(2.837)0.5319(13.510)0.0185(303.16) 12(300)14.0(356)50(344) 6.40.1250(3.175)0.6250(15.875)0.0240(393.29) 15(375)17.7(450)42(289) 5.380.1592(4.044)0.8750(22.225)0.0530(868.51) 18(450)21.1(536)40(276) 5.140.1950(4.953)0.8510(21.615)0.0620(1016.00) 21(525)24.5(622)38(262) 4.880.2820(7.163)0.6300(16.000)0.1220(1999.22) 24(600)27.5(699)34(235) 4.370.2617(6.647) 1.1340(28.804)0.1160(1900.90) 30(750)34.1(866)28(193) 3.590.3267(8.298) 1.3500(34.290)0.1630(2671.09) 36(900)41.0(1041)22(152) 2.830.3750(9.525) 1.6500(41.910)0.2220(3637.93) 42(1050)48.0(1219)20(138) 2.560.3906(9.921) 1.7800(45.212)0.5742(9409.45) 48(1200)54.0(1372)17(117) 2.180.4294(10.902) 1.8600(47.244)0.6919(11338.21)

3此列环刚度数据是本文作者换算的。

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4

5

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　　从CPPA介绍的结构设计方法看也比我国有关的设计规程更先进。例如:CPPA容许聚乙烯双壁波纹管的变形限度是7.5%。而根据中国工程建设标准化协会标准草案“室外埋地硬聚氯乙烯排水管工程设计、施工及验收规程”2000/4送审稿,“一般情况下,管材的允许直径变形率可采用5%”。

CPPA推荐的聚乙烯双壁波纹管产品系列是根据美国运输和公路协会AASHTO M252和M294标准。

建议进一步收集资料,了解国外在选择环刚度方面的经验,因为如果确实有根据可以采用较小的环刚度,就可以明显地降低埋地排水用塑料结构壁管的成本,增加其竞争能力。

2.5　初步建议

考虑到国内施工条件还比较落后,使用埋地排水用塑料结构壁管还缺乏经验,目前选择环刚度还要比较保守。

　　(1)对于内直径小于等于500mm的埋地排水用结构壁管选择环刚度大于8kN/m2。

在合理设计下,结构壁管直径较小时达到大于8kN/m2的环刚度材料用量不是很大。如江苏省星河集团引进FRAN KISCHE生产线,聚乙烯双壁波纹管环刚度达到8kN/m2,内直径500mm管,重达17kg/ m;内直径400mm管,重达11kg/m。

环刚度达到8kN/m2以上对于铺设的要求就可以降低,铺设的工程费用也可以相应减少。直径较小采用环刚度较高的结构壁管一般总体上比较经济,而且,直径小于等于500mm的埋地排水用结构壁管使用量大,有些分散的用户很难保证设计和施工的质量。

(2)对于内直径大于500mm的埋地排水用结构壁管选择4kN/m2和8kN/m2两系列。

塑料结构壁管直径较大时要环刚度达到8kN/m2费用材料较多(环刚度与直径三次方成反比)。经验证明,如果铺设的设计和施工质量高(如采用较高等级的填埋材料并分层压实到较高密度),环刚度在4kN/m2以上的结构壁管在大多数场合已经足够。直径较大的埋地排水用塑料结构壁管主要是市政工程用,可以要求较高的水平设计和施工。

芬兰凯威赫KWH公司是国际上生产大直径聚乙烯缠绕熔接管较多的著名企业。该公司的经验是生产环刚度4kN/m2和8kN/m2两个系列的聚乙烯缠绕熔接管。在大部分应用场合采用环刚度4kN/m2系列。

生产直接挤出双壁波纹管的企业要生产两个环刚度系列比较困难(成型模头投资大),如何选择还有待探索。国内能够生产内直径大于500mm的双壁波纹管目前只有安徽国风德安制管公司,2000年引进的UN ICOR生产线可生产的聚乙烯双壁波纹管,外直径800mm(内直径693mm),环刚度达到6kN/m2,质量31139kg/m,用料比较省。韩国有明机械来华推荐聚乙烯缠绕熔接管,外直径788mm(内直径700mm),环刚度6.5kN/m2,质量5017kg/m。按最新的欧洲标准,公称环刚度只有SN2、SN4、SN8、SN16四个等级。国风这种实际环刚度6kN/m2的双壁波纹管应该标明的公称环刚度是SN4,但是在计算时可以用6kN/m2。3　环刚度的实现

埋地排水管等承受外压负载的塑料管必须达到足够的环刚度,怎样达到要求的环刚度又尽量降低材料的消耗是关键。在埋地排水管领域发展结构壁管代替实壁管,就是因为结构壁管可以用较少的材料实现较大的环刚度。结构壁管有很多的种类和不同的设计,在选择和决策时比较在同样的直径和环刚度下材料的消耗量多少常常是决定性的因素,大量生产塑料管材的总成本中材料成本常要占到60%以上。

在决定环刚度的三个因素中,直径D是根据输送量的需要确定的,设计和选择结构壁管中可以变化的是管材材料的选择(决定材料的弹性模量E)和管壁的截面设计(尽量降低材料消耗下保证结构壁管管壁的惯性矩I)。

3.1　管材的材料选择

塑料埋地排水管应用的材料有聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯三大类(玻璃钢管2玻璃纤维增强塑料管属于热固性塑料,本文没有涉及)。从材料的弹性模量E 讲,显然聚氯乙烯最高、聚丙烯次之,聚乙烯最低。因为聚氯乙烯材料的弹性模量E大于聚烯烃材料,达到同等的环刚度可以用较小的惯性矩I,如果采用同样的波形设计可以用较小的壁厚。在一定范围内聚氯乙烯双壁波纹管在经济性上占优势,所以在埋地排水管领域中聚氯乙烯结构壁管应用最早,用量也最大。

表6　三种材料的弹性模量E(根据pr EN1347621)

聚氯乙烯PVC2U聚乙烯PE聚丙烯PP

弹性模量E(1m in)/MP a≥3000≥800≥1250

　　近年聚烯烃的结构壁管发展比较快,其原因为:

(1)聚氯乙烯材料的流动性和热稳定性比较差,生

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5

5

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产大直径结构壁管有困难,目前国外市场聚氯乙烯双壁波纹管的最大直径是1m,而聚烯烃材料可以生产直径很大的双壁波纹管,有报道最大直径2m。

(2)聚烯烃可以熔接,可用缠绕熔接的工艺生产直径更大的管材。国内已经引进德国和韩国的缠绕熔接管生产技术和设备,生产的最大直径可达3米以上。

(3)聚烯烃材料的柔韧性较好,可在低温下施工。

(4)聚烯烃管材可以熔接。

(5)聚烯烃双壁波纹管可以用两台挤出机分别挤出内外层,内外层可以用不同材料,如内层用新材料保证密封性,外层用回收材料降低成本。

(6)聚烯烃材料弹性模量E比较小,需要较大惯性矩I的缺点可以通过波形设计弥补一部分。同时聚烯烃材料的密度比聚氯乙烯低很多,所以在正确设计下达到同等环刚度下每米管材的质量可以接近。

我们分析,在500mm直径以下范围可能采用聚氯乙烯双壁波纹管比较经济;在更大直径范围比较适合采用聚烯烃的双壁波纹管。

在聚烯烃双壁波纹管中聚乙烯双壁波纹管的柔韧性最好,而聚丙烯的双壁波纹管刚性较高,可以根据需要选择。

从国外的资料看美国大量应用聚乙烯双壁波纹管,做了大量的试验和研究,有比较成熟的使用经验和比较完备的标准和规范。

值得注意的发展动向是,近年欧洲开始有不少国家在开发埋地排水排污用的聚丙烯结构壁管。因为聚丙烯的弹性模量E比聚乙烯高出不少,同时聚丙烯也同样具有容易加工、可以熔接、方便回收等优点。这个领域采用的聚丙烯是嵌段共聚聚丙烯PP2B。北欧化工BOREAL IS公司专门开发了一种高刚度聚丙烯Stiff PP,其弹性模量E可以达到1600MPa~ 1800MPa。

3.2　管壁的截面设计

(1)各种类结构壁管之间和实壁管比较,达到同样的环刚度时降低材料消耗的可能性是有区别的。

聚氯乙烯芯层发泡管在国内应用于建筑内排水管已经有多年经验。芯层发泡管和实壁管比,在达到同样环刚度下可以节约材料大约20%~30%。因为在节约材料方面不及双壁波纹管等结构壁管显著,可节约材料50%~60%,所以主要应用在直径比较小的建筑排水管和埋地排水管。

环状肋管在国内有上海氯威公司生产,因为连接可靠,在上海和华东等地区应用于埋地排污管受到用户好评。但据调查,在同样的直径和环刚度下环状筋管的材料消耗量要稍高于双壁波纹管。

聚乙烯缠绕熔接管在不少国家都有生产,国内已经引进德国和韩国的技术,并已有自己开发的生产设备。缠绕熔接管有其独特的优点,如可以生产很大直径的管材,每条生产线的投资比较低(产量也较低)等。但是也有其明显的短处,其中一个缺点是在同样的直径和环刚度下材料的消耗量要明显高于双壁波纹管。

表7比较了不同结构壁管在同样直径(内径400mm)和相近环刚度下材料的消耗量。

表7　不同结构壁管在同样条件下材料消耗量的比较

上海氯威CORMA加筋管杭州东冠UNICOR

PVC双壁波纹管

江苏星河FR ANK ISCHE

PE双壁波纹管

宝石克拉KRAH

PE缠绕熔接管

芬兰凯威赫KWH

PE缠绕熔接管

韩国有明机械

PE缠绕熔接管

环刚度/(kN/m2)>8988.5/54 6.5材料量/(kg/m)13.69511.15011.00016.667/11.50010.80018.000

　　(2)同类的结构壁管中,管壁截面设计不同,在同样的直径和环刚度下材料的消耗量也可以相差很大。换句话说,管壁截面设计十分重要。

例如,同类的缠绕熔接管,芬兰K WH的设计在同样的直径和环刚度下材料的消耗量就比较低(见表8)。

当然,管壁截面的设计不能只考虑材料的节约,还要考虑制造时成型的可能性、冲击性能、连接的方便和可靠性等。国外一些著名的结构壁管产品和设备生产企业已积累了丰富的经验,如加拿大的CORMA公司,德国的DROSS BACH公司、FRAN KISCHE公司、UNICOR公司、HEG LER公司,芬兰的K WH公司等。我国在引进和开发结构壁管设备时要注意吸收国外的先进经验,特别注意比较在同样直径和环刚度下材料的消耗量。如果决定引进技术和设备,要做好调查,争取引进最先进的技术。

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表8比较了三个不同公司的缠绕熔接管在同样内直径和相近环刚度下材料的消耗量。

表8　不同公司在同样条件下材料消耗量的比较

内径/mm40050060070080010001200

芬兰K WH 环刚度/(kN/m2)4444444材料量/(kg/mm)10.816.122.730.938.955.079.0

德K RAH PR系列环刚度/(kN/m2)5 4.5 3.88 4.5 4.13 4.13 3.63材料量/(kg/mm)11.520.8327.1735.1747.593.67155.2

韩国有明2级

环刚度/(kN/m2) 2.79 2.79 2.79 2.79 2.79 2.79 2.79材料量/(kg/mm)12.8319.8429.7839.8652.0480.33109.7

内径/mm140015001600180020002200

芬兰K WH 环刚度/(kN/m2)444444材料量/(kg/mm)106.8122.3140.3176.8217.5285.2

德K RAH SQ1,2系列环刚度/(kN/m2) 3.13 4.25 4.125 3.625 3.625 2.375材料量/(g/mm)261298.2335409525.8604.7

韩国林光环刚度/(kN/m2) 6.5 6.5材料量/(kg/mm)221.5400

注:德KRAH原用DIN标准的环刚度/(kN/m2),已经换算为ISO标准的环刚度/(kN/m2)。

在内径1200mm下PR系列有环刚度接近4的规格,在内径1400mm以上SQ1和SQ2系列才有环刚度接近4的规格。

韩国有明公司只有内径1200mm以下的数据,第2级原用ASTM标准的管刚度1.5kg/cm2,换算为ISO标准的环刚度2.79kN/m2。韩国林光公司有内径1400mm以上的数据,原用ASTM标准的管刚度3.5kg/cm2,换算为ISO标准的环刚度6.5kN/m2。

　　在管壁的截面设计中还有一个应该引起注意的问题:国际标准对于埋地排水用结构壁管内层的厚度(接触水的内壁)有强制规定,见最新的欧洲标准prEN1347621。因为内壁有足够的厚度是管材耐腐蚀和耐磨损的保证。国际标准中对于结构壁管的其它尺寸,如双壁波纹管波纹部分的高度和壁厚就没有规定,容许企业自定。因为我国现行的标准中没有规定内壁厚度,国内有的企业为了降低材料的消耗,有采用减薄内层壁厚的,这不符合国际标准,且不能保证埋地排水管的长期寿命。

参考文献:

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　　　stiffness[S].

[2]　ISO13967,Thermoplastics fittings—determination of

　　　ring stiffness[S].

[3]　ISO13966,Thermoplastics pipes and fittings—nominal

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[4]　pr EN1347621,Thermoplastics piping systems for non2　　　pressure under2ground drainage and sewage—structured2　　　wall piping systems of unplasticized poly(vinyl chloride)

　　　(PVC2U),polypropylene(PP),and polyethylene(PE)2

　　　Part1:Specification for pipes,fittings and the system[S].

[5]　QB/T1916293,硬聚氯乙淆(PVC2U)双壁波纹管材[S].

[6]　G B/T10002.3,埋地排污、废水用硬聚氯乙烯(PVC2U)管　　　材[S].

[7]　DIN16961,Thermoplastics pipes and fittings with profiled 　　　outer and smooth inner surfaces Part1:Dimensions;Part 　　　2:Technical delivery conditions[S].

[8]　ASTM2412,Determination of characteristics of plastic pipe 　　　by parallel2plate loading[S].

[9]　ASTM2412,ASTM F894,Polyethylene(PE)large

　　　diameter profile wall sewer and drain pipe[S].

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[11]　美国聚乙烯双壁波纹管协会CPPA资料,Structural

　　　design method for corrugated polyethylene pipe[R].

(本文编辑W J W)

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