PVC-UH管材壁厚对环向拉伸强度的影响

范英奎，朱瑞霞，彭金刚，孙宝正，蔡耀东，程 亮

(河北泉恩高科技管业有限公司 ，河北 廊坊 065000)

0 前言

近些年来，国内的PVC-UH管材有很大的发展，在国内生产、建筑、大型工程项目上，如南水北调、引黄入晋等大型市政工程得到广泛地应用，然而如何保证管材的品质是重中之重。根据CJ/T 493—2016标准[1]要求，在正常生产及批次控制中，主要进行静液压试验以及整管水压试验，其中静液压试验是检验PVC-UH管材物性是否合格的重要的检测试验之一，在美国PVC管材的标准体系规定了PVC混配料的静液压设计基础(HDB)为27.58 MPa，其中HDB表示根据ASTM D 2837-11[2]测试的长期静液压强度，但是在AWWA C 900-16标准[3]中，除了规定爆破试验、整管水压试验，还规定了环向拉伸强度试验，在某些领域用环向拉伸试验来判定管材的品质是否合格；作为验证管材品质的重要试验之一，美国已经在标准中确立了环向拉伸试验的法律地位。

1 实验部分

1.1 主要原料

PVC-UH给水管材，直径(dn)为800、标准尺寸比(SDR)为41/33/26，dn900、SDR41/33/26，dn1 000、SDR41/33/26，dn1 200、SDR41/33/26，河北泉恩高科技管业有限公司。

1.2 主要设备及仪器

卧式拉伸试验机，TEST 35，AJT EQUIPMENT公司；

机械螺旋千分尺，0～25 mm、25～50 mm，哈尔滨量具刃具有限责任公司。

1.3 样品制备

本文环向拉伸试验执行标准为ASTM D2290-16[4]；本试验测试样品为全环切割，并且垂直于管材轴线的平行边，制成5个平行拉伸环样品，样品宽度依据ASTM D2290-16标准进行截取，样品宽度(W)应为(12.7～50.8)mm，本文试验标准的W选取为(50.0±2.5)mm，试样为全直径，外表面光滑无裂纹缺口；

拉伸环制好样品后，选用合适的开槽设备选取一个试验点进行开槽，开槽距离依据ASTM D2290-16标准,具体要求如下：开槽后余留距离范围为(6.35～19.05) mm、本文试验样品开槽余留距离为(6.35±0.127) mm、开槽铣刀半径为(3.175±0.127) mm，随后旋转180 °再开另一个试验点，2个试验点的连线过试验环的中心点，开槽时要匀速，整个试验面光滑平整，开槽减少区域必须居中，横截面均匀，边缘处无裂口，制样如图1所示。5个平行试样依次开槽，开槽处相对位置沿拉伸环试样均匀分布。

图1 环向拉伸试验样品的结构示意图Fig.1 Diagram of samples for the hoop tensile test

1.4 性能测试与结构表征

环向拉伸试样按ASTM D2290-16的标准在23 ℃下进行状态调节[5]24 h,选取5个平行试样中任意一个进行环向拉伸试验，试验速度参照ASTM D2290-16标准，选取12.7 mm/min，试验及试验装置情况如图2所示。5个试样依次完成试验，记录各个试样的试验数值结果，按式(1)计算处理所有的试验数据，选取处理后的5个试验数据的平均值，即该管材的环向拉伸强度。

(1)

其中δ——环向拉伸强度/MPa

F——施加的外力/N

m——面积，开槽距离h×(e1+e2)，即2个开槽处面积相加(计算时采用面积为开槽断裂处的试样原始横截面积，而不是开槽处断裂后的端口截面积)

(a)整体受力图 (b)局部放大图图2 环向拉伸试验示意图Fig.2 Schematic for the hoop tensile test

2 结果与讨论

环向拉伸试验是选取垂直于管材轴线的平行边制成拉伸环试样，PVC-UH管材环向拉伸试验的试验机理是采用卧式拉伸试验机，整个试验过程选定均匀和平稳的试验速度，经匀速拉伸使得PVC-UH管材试样发生形变[6]，在整个试验过程中PVC-UH管材试样受力点所受到的力为垂直于轴向方向，试验直至PVC-UH管材试样断裂为止，随后记录试验所受到的最大拉伸应力即为拉伸试验试样所产生的最大塑性变形应力F，利用拉伸强度=应力/面积，计算出PVC-UH管材环向拉伸强度δ的大小。由表1可以得出，在PVC-UH管材公称外径一定的情况下随着管材的SDR值减小，即管材厚度的增加，环向拉伸强度的大小也随之增加。

(a)整体受力图 (b)局部受力图图3 环向拉伸试验受力示意图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值一定的情况下，随着管材直径的增加即管材厚度的增加，环向拉伸强度也随之增加。

表2 不同直径的SDR26环向拉伸强度对比

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

由表3可以得出，在PVC-UH管材厚度相同的情况下，二者的环向拉伸强度的大小也近乎相等，随着PVC-UH管材的壁厚增加，环向拉伸强度也会随着增加。

表3 不同壁厚时环向拉伸强度对比

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

2.1 影响环向拉伸强度的因素分析

2.1.1管材原料

PVC树脂为PVC管材中最重要的原料，型号不同的PVC树脂其本身属性，如黏度、热稳定性、相对分子质量分布、分子链支链多少、颗粒形态是不同的，而这些不同的因素会影响到管材加工过程中添加剂的使用种类和数量，这些会影响到加工成型后管材的塑化度以及内部分子间的交联方式，这是管材环向拉伸强度最大的影响因素，因此生产PVC 管材树脂颗粒选取形态粒子的大小、分布均匀性好且初级粒子之间孔隙分布均匀性好的树脂尤为重要。

本文中试验选取的PVC-UH管材原料为SG-5型PVC树脂以及与其性能等同的其他型号PVC树脂原料，性能稳定，因而此次试验不考虑PVC-UH管材原料对环向拉伸强度的影响。

2.1.2管材加工设备

生产过程中，不同型号的挤出机[7]以及挤出机螺杆会有不同的长径比、压缩比，这使得生产时产生不同的熔融温度、熔融压力，从而会对PVC-UH管材原料的熔融、混炼均化性、管材粒料的压实程度产生影响，进而会影响到管材的耐压性能。同时加工温度过高、过低或者温度波动较大、分布不均都会对PVC-UH管材有很大的影响，温度过高会使得PVC-UH管材原料分解，温度过低影响管材的塑化，然而加工温度波动较大或者分布不均不但使得管材表面产生缺陷，还会使得管材产生严重的品质问题。

本文试验中选取的PVC-UH管材为产线上的稳定合格产品，受到产线设备的影响较小，无太大差异。

2.1.3管材壁厚

在PVC-UH管材加工工艺中，各个加工工段、参数对管材的品质有着至关重要的影响，这也同样影响管材的环向拉伸强度，其中在加工机头位置时，螺杆转速以及机身真空度对其影响最大，挤出机的转速不仅仅取决于挤出机螺杆本身的固有参数，同样受到产品的规格和原料的固有属性的影响，螺杆转速过高，会使得物料在挤出机中的停留时间变短，增加剪切摩擦热，使得挤出的管材塑化性增加很多，更有甚者会使得管材过塑，导致管材内壁发黄分解甚至产生气泡，从而使得管材的环向拉伸性能直线下降，严重影响管材品质。挤出机机身挤出段真空度同样会影响到管材的品质，真空度过低会使得机身在挤出段的排气效果不佳，使得物料自身自带或者过塑产生气体不易逸出，导致管材中产生气孔，影响管材的物理性能，使得管材抗张能力和抗拉伸能力减弱。

本文选取的PVC-UH管材全部为产线上的稳定的连续生产、静液压试验合格的产品做试验检测；由于螺杆转速异常、真空异常等生产异常的PVC-UH管材在品质和性能差异过大，不具有参考价值，本文不涵括此类管材与连续稳定生产产品的性能对比试验。

管材由挤出机挤出后，经定径套后进入循环喷淋水箱冷却，使得管材由高温橡胶态迅速转换为常温玻璃态，然而PVC-UH管材的热传导系数为0.17 W/m·K，已经接近保温材料的传导系数,PVC-UH管材在自然状态下由加工温度175 ℃左右降到室温25 ℃需要的时间要远远大于用循环冷却水强制冷却的时间，管材壁厚越厚，2种降温方式在时间上的差异也就越大，因此不同程度和速度的降温会使得管材不同位置尤其是内壁和外壁的收缩速率不同使得管材产生一定的应力，大口径厚壁管在此方面更为明显，口径越大、壁厚越厚，内壁和外壁降温速率的差异越大，过于剧烈的降温甚至会导致管材开裂(图4)，产生严重的品质问题，这些力会储存在PVC-UH管材中，对管材的环向拉伸强度产生相当大的影响。

(a)管材暗裂图 (b)管材明裂图 (c)管材开裂剖视图图4 降温过快导致PVC-UH管材开裂示意图Fig.4 Picture of PVC-UH pipe cracking caused by too fast cooling

管材挤出经过定径套后，沿挤出方向会受到牵引机的牵引力以及挤出机拉力[8]，不同口径管材的挤出速度不同，与之相匹配的牵引速度不同，管材口径大，壁厚就越厚，挤出速率和牵引速率就越慢；反之管材口径小，壁厚就越薄，挤出速率和牵引速率就越快，管壁沿挤出拉伸方向的取向就越严重，沿挤出拉伸方向取向就会使环向方向的拉伸强度[9]有所降低(图5)，因而挤出速率和牵引速率较慢的大口径厚壁管的环向拉伸强度就会相对要大一些。

(a)宏观拉伸方向取向图 (b)分子级拉伸方向取向图图5 PVC管材拉伸方向取向图Fig.5 Tensile direction diagram of PVC pipes

(a)由无序变取向图 (b)单向取向图 (c)双向取向图图6 PVC管材分子级拉伸方向取向图Fig.6 Orientation diagram of PVC pipes along molecular tensile directior

从分子级角度分析，PVC-UH管材主要原料为PVC树脂，PVC树脂为大分子聚合物，分子殓集程度较高，且由分子链组成结构可知，在PVC分子中含有大量的氯原子，分子极性大，分子链间的距离为2.8×10-10m，是极性聚合物，分子作用力较强；PVC树脂分子沿着分子链方向的力是共价键结合产生的，然而垂直于分子链方向的力是由氢键即范德华力产生的。自然状态下分子链的链段朝着各个方向的几率是相等的，在各个方面表现出来的力学性能是相同的，然而在外力作用下，分子链的链段会朝着受力方向择优排列，即分子链段发生取向(图6)，这就会导致管材产生各向异性(在取向方向表现出来的性能极为突出，在未取向方向表现出来的性能则略有下降)。

从管材的加工工艺流程综合分析可知，管材管壁受到牵引而发生的取向以及因管壁冷却速率的不同而产生的应力对环向拉伸强度的影响是非常明显的，而这些影响因素的关键就在于管材的壁厚。

2.2 环向拉伸试验意义

由PVC-UH管材环向拉伸强度试验的受力分析可知，试样受力点所受到的力为垂直于管材轴向，此试验可以验证试样受力点的抗张能力和抗拉伸能力的强弱，由此可以推算出整个试样、整个管材的抗张能力强弱，进而得出管材的环向耐压强度[10]。静液压试验是利用静态压力P来验证管材品质的一种试验方法，试验方法如下：对于一给定的管材，在与管材材质相匹配的环应力(静液压力P的环向分量)的作用下，在试验规定的温度和时间内所检测的管材管壁未完全屈服，视为管材品质合格，只有在管壁完全屈服[11]时，管材才判为失效。由PVC-UH管材静液压试验的受力图分析可知，试样受力点所受到的力同样垂直于管材轴向，此试验同样验证试样受力点的抗张能力和抗拉伸能力的强弱，静液压试验验证的管材受力点主要受力方向与环向拉伸试验受力方向一致(图7)。

(a)环向拉伸试验 (b)静液压试验图7 环向拉伸试验和静液压试验局部受力图Fig.7 Local force diagram of the pipes under the hoop tensile test and static hydraulic test

与静液压试验相比，环向拉伸试验过程所需时间短，而静液压试验的状态调节时间长，试验安装过程费时费力，口径越大所需时间越长(表4为本公司选取同SDR值的PVC管材在正常状态下静液压安装、试验和环向拉伸试验需要时间对比表)，而且大口径PVC-UH管材静液压试验安装完成后可能会因为各种原因(如不圆度过大、密封胶圈破损等)影响到试验器具的密封性从而使得管材在试验时发生泄漏而导致试验失败。与管材静液压试验相比，环向拉伸试验更为方便快捷，而且环向拉伸试验的结果可以数据化，可以由试验的数据结果直接判断管材的品质，而且本文重点分析壁厚对管材环向拉伸强度的影响，同样归纳总结了各个壁厚与之相应的环向拉伸强度的大小，对同规格不同厚度管材的环向拉伸强度指标的拟定有关键的指导意义。

表4 试验所需时间

Tab.4 Experiment time

整个环向拉伸试验检测设备简单，造价和试验费用低，可操作性强，试验成功率高，可以为企业生产环节及时提供指导性数据，作为品质判定和预控的方法之一，使得大口径PVC管材品质数据化、检验过程简单化、检测试验方便化成为可能，极大的减轻了生产企业在品质监控的人力物力的投入，使得企业对管材品质的监控更为有效，减少了原料浪费，节约了企业生产成本。

3 结论

(1)与管材静液压试验相比，环向拉伸试验更为方便快捷，其结果可以数据化，试验过程所需时间短，整个试验有多个平行试样，试验的误差可降到最低，可以由试验的数据结果直接判断管材的品质;

(2)分析了管材壁厚对环向拉伸强度的影响，归纳总结了各个壁厚与之相应的环向拉伸强度的大小;

(3)大口径厚壁管PVC-UH管材的厚度在一定的范围内(19.5～45.9 mm)对环向拉伸强度有一定的影响，管材的厚度越大，相应的环向拉伸强度也就越大，二者具有一定的线性关系，据此对同规格不同厚度管材的环向拉伸强度指标的拟定有关键的指导意义。