塑料管材品质研究介绍

         在影响塑料管材品质诸多因素中，首先人们关注的是管材生产的品质控制，其次是连接。但是，管材应用作为排水的系统工程，还要关注施工（即埋设）品质，埋设与管材环刚度之间的关系，防老化和温度对管材寿命的影响和如何防护等问题。
        埋设和环刚度决定管材变形程度

        有些人担心埋地排水管铺设後会长期不断增大变形。事实上，根据各国多年的实验和长期实际应用的经验，可以肯定塑料埋水管埋设後不会长期不断地增大变形。如果铺设良好（回填压实良好），埋设後很快就稳定下来不再增加。即使铺设稍差（也要满足验收合格），经过一段时间土壤的沉降，变形也会稳定下来，不再明显增加。这就是我们常说的：“决定柔性管变形的是埋设的品质而不是柔性管的材料性质。”

        在塑料埋地排水管铺设以後会有一定的变形量称为“铺设变形”，或称“初始变形”，铺设完成以後，尤其是受到车辆动荷载以後，塑料管可能会在一段时间内逐步增加变形。经过一段时间後，变形就会稳定下来达到“最终变形”，以後变化就很小了（以後100年变形量增加不超过1%）。即使承受重交通荷载也不会引起管材变形量明显增加。

        塑料埋地排水管长期承受载荷下会不会发生蠕变破坏？笔者认为：无压的塑料埋地排水管在使用寿命期间不是处在恒应力状态，而是处在恒应变状态。塑料是粘弹性材料，在承受恒应力状态下会发生蠕变，长期可能导致蠕变破裂；这时要做的事是在材料使用寿命期间不致发展到蠕动破坏程度即可。而塑料埋地排水管是处在恒应变状态，在恒应变状态下会发生应力松驰。塑料埋地排水管通常不存在蠕变破坏的危险。

        那麽，为什麽铺设品质决定塑料埋设排水管的成败？欧洲塑料管材管件协会TEPPFA在近年组织了多次重复试验研究，这些研究结果和提出的设计方法已经被欧洲标准组织所接受。其与传统的理论和方法有很大的不同。

        TEPPFA试验研究的结论是：

        埋深对管道的变形影响不重要； 
交通荷载对管道变形没有明显的影响； 
管道材料的蠕变比率对於变形不重要； 
当管道是用“良好的”或是“中等的”埋设类型埋设时，管材的环刚度也不很重要； 
决定管道变形（无论是铺设变形和最终变形，平均变形和最大变形，变形稳定时间）的主要原因是铺设的品质。

        据此，TEPPFA提出在一定条件下塑料埋地排水管的设计可以采用简单的设计图表。这个设计图表已经被欧洲标准组织接受，进入了塑料埋地排水管最新欧洲标准草案prEN 13476-3:2000。

图1 铺设条件分类图

        这个设计方法把铺设品质分成三个类型：“良好的”，“中等的”，和“不好的”，然後根据环刚度就可以预测“埋设变形”，或者根据要求的变形选择环刚度。其中完全没有考虑埋深、交通负载和材料的蠕变率。而且，在埋设条件是“良好”或 “中等”的情况下，环刚度对变形的影响也很有限。此设计图表如图1。

        显然这和传统的设计方法是有差异的，在传统的设计方法中变形是和荷载（埋深反映的静负载和交通负载代表的动负载）成正比关系的。

        欧洲标准接受了TEPPFA试验研究的结论和方法，因为大量实际试验资料证明其可信。这样一来施工条件大大简化，可以节约大量的工作成本。

        在理论上如何解释决定变形的是埋设而与荷载关系不大呢？TEPPFA试验研究报告中没有解释，只是提出一个观点：管材/土壤的相互作用是一个体积控制过程（volume steered process）。

        2001年在第11届国际塑料管道会议上Wavin的Frans Alferink 发表了一篇报告：“管土共同作用：进一步的理解和对於改进设计方法的建议”在第3部分对於“深埋和交通荷载对於柔性管不起重要作用”的实验结果和结论解释为：“在柔性管的情况下管土共同作用的过程主要是一个体积的过程（a volume process）。”在这个报告中对於柔性管变形时管道和周围土壤的体积变化做了一些分析。

        以下是本文作者之一张玉川先生对於“柔性管管土共同作用是体积控制过程”的理解和解释：

        在埋地柔性管承受上方压力荷载变形时，管道的变形和管道周围土壤的压实是同时发生的。因为在柔性管承受上方压力负载变形时，垂直方向直径减小和水平方向直径的增大同时发生（前提是柔性管有一定的环刚度，受荷载後从圆形变形为椭圆形，没有发生压屈失稳，没有发生“失圆”“内凹”等畸变）。

图2 管道周围部分土壤因被挤压而体积减少。

        如图所示，管道周围单位长度土壤原来的总体积是：

        Vtotal=b．d –π/4．d2

        在受上方压力负载压下Δ时，管道变形Δ成椭圆形，管道周围土壤受到挤压，总体积减少到：

        Vtotal=b(d-Δ) –π/4(d2-Δ2)

        土壤的总体积是由土壤中颗粒的体积和颗粒间空隙的体积组成。因为土壤中颗粒是不可压缩的，土壤总体积的减少只能是颗粒间空隙体积的减少。颗粒间空隙的体积的减少使土壤的‘空隙度’减少，相对密度增加。换句话说，就是土壤被压实了。

        众所周知，土壤的相对密度对於土壤模量有很大影响，图3是土壤模量和相对密度的关系。

        土壤空隙度减少和相对密度增加是有限的，土壤被压实到一定程度後就不能再压缩。（若回填材料是级配良好的砾石，空隙度较小，从松散的铺放到压实总体积变化不大；若回填材料是粉土砂，空隙度较大，从松散铺放到压实总体积可以变化很大。）

        根据以上的分析就可以解释柔性管的管土共同作用：

        因为在埋地柔性管承受上方压力荷载发生变形时，管道的变形和管道周围土壤总体积减少（被挤压）同时发生。换句话说，管道周围土壤可以进一步压实是管道变形的必要条件。

图3 土壤模量和相对密度的关系

        如果管道周围土壤在铺设时没有压实，埋地柔性管承受上方压力负载就可以发生变形，同时管道周围土壤受到压实。如果管道周围土壤在铺设时已经很好压实，埋地柔性管承受上方压力负载而变形的量就很小，且与荷载的大小无关。这就解释了为什麽TEPPFA试验研究的结论是埋深对管道的变形影响不重要，决定管道变形的主要是铺设的品质（决定管道周围回填材料的压实程度）。

        如果管道周围土壤在铺设时没有充分压实，铺设以後在土壤负载和交通负载作用下管道会继续变形，同时管道周围土壤也会逐步被压实。经过一段时间的土壤沉降，管道周围土壤被压实後管道就不再继续变形。这就解释了本文第一个疑问：“最终变形”和“铺设变形”的差和变形稳定时间取决於铺设品质。在良好的铺设条件下稳定时间可以非常小。因为是土壤沉降和管道周围土壤的压实过程在决定稳定时间长短，稳定时间和管道材料无关。

        近来在推广塑料埋地排水管中出现一种片面强调管土共同作用的误解和说法，认为只要铺设施工良好，管道的环刚度就不重要了。对於这个问题我们的解释是：足够的环刚度是形成管土共同作用的基础，是实现良好铺设的必要条件，所以既要重视铺设良好又要注意有适当的环刚度。形成管土共同作用是有前提条件的：柔性管要有一定的环刚度，受荷载後柔性管是从圆形变形为椭圆形，没有发生压屈失稳，没有发生“失圆”“内凹”等变形（畸变）。如果环刚度很低，受负载後管道可能压屈失稳，发生“失圆”“内凹”等变形（畸变）。上述的管土共同作用就根本不存在了（在管道畸变时，管道周围土壤的总体积没有减少，没有被挤压）。

        只有铺设在不需要大量压实作业的良好级配的土壤中，才可以采用低环刚度(2 kPa)管材。在级配差的土壤中采用低环刚度管材有危险，因为级配差的土壤需要进行大量的压实作业，在压实作业时低环刚度管材就可能出现形状畸变，出现压屈失稳。可见如果没有足够的环刚度也很难实现“良好”的铺设品质。

        传统设计计算方法的缺点

        中国已经制定了塑料埋地排水管的技术规程（如CECS 122:2001；CECS 164-2004），规定了设计计算的方法。中国有关技术规程中采用的设计计算方法是基於Spangler公式的传统方法。无疑在工程设计中应该遵守有关的规程，但是我们应该知道传统设计计算方法是有缺点的。

        事实上，TEPPFA和APME组织大规模试验研究的目的之一就是要评定目前国际上采用的各种设计计算方法，试图能够推动建立一个统一的设计计算方法欧洲标准。在TEPPFA的报告中比较了目前在欧洲应用的9种设计计算方法（包括德国采用的ATV 127，瑞典采用的VAV P70 等），并且比较了用不同设计计算方法计算出来的预计结果和实地试验中测量出来的实得结果。其结论是： 

在“良好的Well”铺设类型下各种设计计算方法都非常准确地预测变形量。 
在“不好的None”的铺设类型下，大部分设计计算方法难以确定正确的输入值，结果是有时过低或过高预计实际的变形值。 
几乎所有的设计计算方法都明显过高估计了交通载荷的影响。实际测量表明变形量并不受交通负载的影响。

        跟据L.E Janson教授的分析，目前各国应用的所有设计计算方法都基於Spangler公式，采用的都是Spangler公式的变化形式。基本的方法是分析一个承受一定负载的管环，其负载分布在管环周围。管环的承载能力和水平方向作用的土壤支撑负载一起实现平衡。水平方向支撑负载的大小取决於土壤的刚度。此公式的通常形式是：

        (1)

        (δ/D)= A*Q / B*SN+C*Es

        
其中：

        (δ/D) 管材变形

        A,B,C 系数

        Q 负载 [kPa]

        SN 管材环刚度 [kPa]

        Es 土壤刚度 [kPa]

        在各种方法之间的差别主要在A、B和C系数值的不同和负载的确定。

        使用这个公式得出的结论是变形的变化和负载成线性关系。

        为什麽这些设计计算方法预测的结果和实际有差距？在TEPPFA报告的结论中有简单的分析：“在管土共同作用的情况中，负载是施加在由管材和土壤组成的系统上。管材的刚度特性是相当清楚的，但是所接触土壤的刚度仅是相当粗略的。”

        Frans Alferink的报告中是这样分析的：在铺设“良好”，即土壤压实良好的场合中，土壤的刚度不变化，因此设计计算公式采用的土壤刚度是正确的，所有的设计计算方法都能够很好地预测管材的变形。在铺设“不好”，即土壤没有很好压实的场合中，土壤的刚度是变化的，管道周围负载的分布在变化。因此设计计算公式采用一个不变的土壤刚度进行计算，结果是不正确的。Frans Alferink认为传统的设计计算方法的缺点在於忽略了土壤特性（土壤刚度和模量）的变化。

        如何克服传统设计计算方法的缺点，已经提出有一些新方法的建议。但是至今还没有见到被公认的新设计计算方法。

        设计使用寿命和实际使用寿命的关系

表1 σLPL （20℃，50年）、MRS和分级数

        我们通常所说的塑料管材50年使用寿命是在20℃，50年、破坏率2.5%三个条件下应予控制的环应力上限。σLPL （20℃，50年）可直接用於计算设计应力。将σLPL （20℃，50年）向下按优先数系列圆整，得到最小要求强度MRS，单位为MPa。MRS乘10得分级数。利用得到的MRS值，可以根据下表对某种材料进行分级。

        塑料压力管原料的MRS值、分级数是对塑料压力管长期静液压强度性能的一种定量表示。塑料压力管道长期静液压强度有以下重要的应用：

        1）如果设定某种材料的安全系数为C，则可以由公式：

        σs=MRS/C

        计算出管材的设计应力（许用应力）。

        2）若管材直径和壁厚之比为SDR，则根据公式：

        [MOP]=20[MRS]/C×（[SDR]-1）

        可以计算出管材最大的操作压力（最大有效压力）MOP。

        3）若管材的公称压力用PN表示，则根据公式

        [PN]=20σs/[SDR]-1

        可以计算出管材的公称压力。（公称压力指管材输送20℃水的最大连续工作压力）

        4）若已知管材的公称压力和许用应力，则可以根据（3）式，简单的得到管材的壁厚尺寸。
 
表2 温度对压力折减系数ft的关系

        输送介质温度的变化对管道的性能产生较大的影响，应考虑管材的低温脆性和高温蠕变。推荐使用温度范围为0℃-45℃,常压系统短时间内最高不应超过60℃。以输送20℃水、预期50年寿命为参照，当输送温度不同时，应按下表温度对压力的折减系数（ft）修正工作压力。20℃时的工作压力与某一较高温度下的压力折减系数ft的乘积就是在该较高使用温度下的工作压力。

        从表2可看出20℃可使用1年的管材，在30℃同样工作压力下可使用0.8年，在45℃同样工作压力下可使用0.63年。

        塑料管材设计的使用寿命不仅和使用温度的高低有直接关系，还和管道使用的介质和水压波动有一定的关系。此外，管道在施工过程中的划伤，加入的抗老化剂的品质也对管道的最终使用寿命有一定的影响。

        塑料埋地排水管使用寿命决定因素

        耐腐蚀和耐磨损的性能，是决定塑料埋地排水管使用寿命的重要条件。

        排污水管要承受污水和污水产生气体的腐蚀（输送工业污水尤其严重），排雨水管也经常因为雨水含酸性或硷性而承受腐蚀，同时埋地排水管外表面可能要承受周围土壤和地下水的腐蚀。在通常情况下塑料埋地排水管可以保证在使用寿命期间不因腐蚀破坏。但塑料管道并不是对所有的化学物资都能耐腐蚀，塑料埋地排水管应用於排放工业污水就需要先查明污水的成份、浓度和温度，再判断是否适用。

表4 塑料埋地排水管内壁结构

        在塑料管道对於各种化学流体耐腐蚀性能方面，国际标准组织的技术报告ISO/TR10358塑料管材和管件－耐化学腐蚀等级表比较具有权威性。此报告是由国际标准组织ISO的技术委员会ISO/TC138（流体输送用塑料管材，管件和阀门）下的分技术委员会SC3（工业用塑料管材和管件）提出的。报告提供了低密度聚乙烯LDPE、高密度聚乙烯HDPE、不增塑的聚氯乙烯（硬聚氯乙烯）PVC-U、氯化聚氯乙烯PVC-C、聚丁烯PB、丙烯-丁二烯-苯乙烯ABS、聚偏氟乙烯PVDF、交联聚乙烯PE-X共八种塑料管材料对427种化学流体（在不同浓度和温度下）的耐化学腐蚀性能等级资料。

        为了保证使用寿命，塑料埋地排水管的内壁厚度是根据塑料的耐磨损性能设计的。所以在塑料埋地排水管的国际标准中对於各种结构壁管的结构形式和外形尺寸都没有强制性规定，但是对於内壁厚度最小值有明确规定。例如，在欧洲标准草案prEN 13476-1中对於塑料双壁波纹管的波纹形状和高度（如结构高度ec）等都不加限制，但是对於其内壁厚度e4（又称“水路壁厚”waterway wall thickness）的最小值则是规定的。

表3 prEN 13476-1中对於塑料双壁波纹管内壁厚度e4最少值的规定（ID 300-1200）

        因为没有认识到内壁厚度对於保证耐磨损性能的重要性，在中国早几年制定的聚氯乙烯双壁波纹管的行业标准QB/T 1916-93和国家标准GB/T 18477-2001中就没有对内壁厚度最小值做规定，因而国内有些企业为了降低成本把聚氯乙烯双壁波纹管内壁厚度做得很薄，这种聚氯乙烯双壁波纹管虽然环刚度可以达到标准，在短期使用中不一定暴露问题，但是长期寿命是没有保证的。近年制定的塑料埋地排水管标准都按欧洲标准做出相应规定。

        值得注意的是国外有些专家认为prEN 13476-1中的要求还偏低。例如德国Bochum大学的Stein教授根据其试验建议为了保证100年使用寿命，要提高对於“水路壁厚”的要求。

        由此可见，塑料埋地排水管的耐磨损性能是良好的，但是要注意保证对“水路壁厚”的要求。

        日照温度对管材寿命的影响

        塑料管材的使用寿命不仅由磨损、腐蚀度决定。在管材生产出来以後还要经过贮存、运输、施工现场等一系列环节才能安装铺设到地下成为埋地排水管。此时主要的品质隐患除了外壁的撞伤和划伤以外，主要是日照温度的破坏。

        强烈日照会使管材产生降解

图5 耐热PP-R聚丙烯管材环应力和使用寿命关联图

        当强烈阳光直晒堆放或散放室外无遮挡的地方时，由於日照温度高，强烈的紫外线可以使塑料管材产生降解。不管是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯材质都是如此，相对而言聚丙烯材料抵抗力要好一些。从图5可以看出：在60℃下，PP-R管材可以使用50年；到70℃只能使用15年；到80℃只能使用5年；到90℃则使用2年；到95℃以上则寿命不到一年。

        图5的纵坐标是应力（由内压力生产的管壁内环应力），单位是MPa，横坐标是使用寿命（即到管材发生破坏的时间），单位是小时和年。图中的一组曲线，分别代表不同温度下的性能。使用时先根据使用温度选择相应的曲线，然後根据应力就可以在曲线上查出其使用寿命，反过来，根据要求的使用寿命可以从曲线上查出允许的应力。

        降低日照温度对管材寿命的影响

        从图5可看出，高於70℃的温度，对於PP-R管材的使用寿命影响很大。

图4 国家规定PVC管/PE管相关温度和压力的折减系数

        温度对於耐热聚乙烯（PE-RT）管材使用寿命的影响情况是：低於50℃温度下，管材可使用50年；到60℃时，只能使用20年；到70℃，只能使用6年；80℃，只能使用2年；90℃以上，管材寿命不到一年。对於PVC管和PE管而言，情况更为严重，国家标准（行业标准）有两条规定：

        1）对PVC管，最高限用温度45℃，PE管则是40℃-45℃；2）对最高限用温度，给出温度和压力的折减系数，如表4。对於PE管，20℃时可以使用50年，30℃时只能使用40年，40℃只能使用36年。

        根据以上分析，我们可以看出，日照温度（或紫外线）对管材使用寿命影响很大。为了防止这一现象发生，必须采取严格的预防措施：

        1）改变观点，提高对日照温度能严重损坏管材，影响管材使用寿命的认识，从而自觉地把防止阳光对管材伤害的措施当作提高和维护管材品质工作一个重要组成部分看待。

        2）重视堆场基本建设。堆场要有硬结地面，最好是硬沙土地面上再铺一层空心砖面。一般不提倡水泥地面。堆场要方整，四面要规划道路，上下管材要方便。堆放层数要控制，大管（>500mm）6层以下，小管（<500mm）8层。

        3）堆场一定要建遮阳顶棚，屋面可用彩色瓦钢板、彩色PVC遮阳板。临时堆放管材一定铺设遮阳网。严禁管材胡乱堆放在室外地面上，如临时堆放也要堆放整齐，并盖上遮阳网。

        4）长途运输（超过两小时）管材时，需加盖蓬布或遮阳网。

        5）施工现场不允许管材随地乱放，一定要堆放整齐，盖上遮阳网。如遇特殊情况延迟施工，或遇长假休息，管材更要进行安全检查，保证不会因阳光损坏管材时才可临时放置。

        6）如遇特殊情况，管材因室外堆放时间过长或保护不够造成管材已经受伤，如变色、变形等，则一定要将这批管材当成废品运回工厂粉碎。