王秋騰

（廣東永高塑業(yè)發(fā)展有限公司）

在我國用于排水和排污管道的塑料結(jié)構(gòu)壁管材中，首先發(fā)展的是硬質(zhì)聚氯乙烯（PVC-U）雙壁波紋管。PVC-U雙壁波紋管有剛度好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的水泥管、鑄鐵管以及塑料實(shí)壁管材相比，具有節(jié)能、節(jié)材、使用壽命長等優(yōu)勢。但由于PVC 材料的脆性問題，該管材也有低溫抗沖擊性能差的缺點(diǎn)， 特別在我國北方， 冬季施工時(shí)非常容易破損。實(shí)際應(yīng)用中，在地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，墜落的石塊、溝底的亂石都可能造成PVC-U 雙壁波紋管的破損。此外，不規(guī)范的施工也容易導(dǎo)致PVC-U 雙壁波紋管在應(yīng)用中出現(xiàn)一系列的工程事故，影響了PVC-U 雙壁波紋管的進(jìn)一步發(fā)展。

進(jìn)入21 世紀(jì)，PVC-U 雙壁波紋管材面對(duì)諸多競爭對(duì)手，尤其是具有優(yōu)異的韌性和抗沖擊強(qiáng)度的PE 管材，對(duì)PVC-U 管材市場造成了巨大的沖擊。與PE 管道相比，普通PVC 管道更易發(fā)生脆性破壞。PE 管道之所以很快被人們接受恰恰是因?yàn)槠鋬?yōu)異的韌性。因此，如何提高PVC 管材韌性是我們真正需要考慮的問題。

1 開發(fā)背景

在各種熱塑性管道材料中，PVC 的強(qiáng)度最大，價(jià)格最廉。與其他材料相比，經(jīng)濟(jì)高效則是PVC 產(chǎn)品的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

盡管PVC-U 管道具有很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)而影響其使用。通常，PVC-U 的韌性不足，導(dǎo)致其抗沖擊、抗開裂性能較差，當(dāng)受到外力沖擊時(shí)，易發(fā)生脆性破裂。為了更好的方便用戶使用，同時(shí)讓用戶更放心使用PVC 管道，致力于提高PVC 的韌性，進(jìn)行了系列研究。為了保證韌性的長久性，采取只增韌性不增塑的方法，開發(fā)了PVC-M 管道。

近幾年，國內(nèi)已有很多企業(yè)開始采用PVC-M 材料來生產(chǎn)供水管材，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)在2008 年就已經(jīng)頒布實(shí)施。但在排水管領(lǐng)域，由于對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不夠重視以及市場整體環(huán)境的惡性價(jià)格競爭，PVC-M 材料在這一領(lǐng)域的應(yīng)用還很少，個(gè)別廠家有開發(fā)，但也僅限于315 規(guī)格小口徑管材，且基本是采用外徑作為管材公稱尺寸[1，2]，對(duì)于315 規(guī)格以上（500～800 規(guī)格）采用內(nèi)徑系列作為公稱尺寸的PVC-M 雙壁波紋管管材尚未有得到很好的開發(fā)，本公司聯(lián)合上海公元塑業(yè)發(fā)展有限公司近幾年已完成內(nèi)徑系列500～800 多種規(guī)格的開發(fā)及應(yīng)用。

PVC-M 雙壁波紋管材是一種以聚氯乙烯樹脂為主要原料，在配方中添加一定比例的抗沖改性助劑，經(jīng)過物理改性，經(jīng)擠出生產(chǎn)的一種高韌性的新型聚氯乙烯雙壁波紋管材。經(jīng)過抗沖改性的PVC-M 雙壁波紋管在低溫韌性上有明顯的優(yōu)勢，并且具有非常好的成型加工性能，可以生產(chǎn)更大直徑的管材，在產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)上也具有明顯的優(yōu)勢。本文著重研究內(nèi)徑系列管材DN/ID500SN8 的大口徑高抗沖PVC-M 雙壁波紋管。

2 材料性能對(duì)比

高抗沖聚氯乙烯（PVC-M）增強(qiáng)雙壁波紋管材，采用物理改性的方式，在保持PVC-U 管道原有的高強(qiáng)度和高模量的基礎(chǔ)上，提高韌性，進(jìn)而提高其抗沖擊性和抗開裂性。較之PVC-U 雙壁波紋管材，PVC-M 雙壁波紋管材的低溫抗沖擊性能得到了根本性的改善。有效克服現(xiàn)有PVC-U 雙壁波紋管材的韌性不足，導(dǎo)致其抗沖擊、抗開裂性能較差，當(dāng)受到外力沖擊時(shí)，易發(fā)生脆性破裂的問題。從表1 中我們應(yīng)當(dāng)要注意的是，傳統(tǒng)的PVC-U 雙壁波紋管采用型材的配方其彎曲模塊在2800～3200MPa左右[3]，PVC-M 管材由于提高了韌性，其彎曲模量有下降是必然的，通過對(duì)直壁管的檢測基本在2400～2800MPa之間。

表1 PVC-M材料與其他管道材料的力學(xué)性能對(duì)比

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 環(huán)剛度的定義

在PVC-M 雙壁波紋管的性能指標(biāo)中， 環(huán)剛度指標(biāo)尤其重要[4]， 它是表征PVC-M 管道抗外壓負(fù)載能力的綜合參數(shù)。環(huán)剛度的選擇是管材設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵， 如果管材的環(huán)剛度太小， 管材可能發(fā)生過大變形或出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)破壞。反之，如果環(huán)剛度選擇得太高， 必然采用過大的截面慣性矩， 將造成原材料用量太大， 成本相對(duì)過高[5]。

國際ISO 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于管材的環(huán)向剛度稱為環(huán)剛度，其物理意義是一個(gè)管環(huán)斷面的剛度， 可以用以下的公式計(jì)算：

其中，

S——環(huán)剛度，kN/m2；

E——材料的彈性模量，kN/m2；

I——慣性矩， m4/m；

D——管材的平均直徑，m。

根據(jù)國際ISO 標(biāo)準(zhǔn)可知， 環(huán)剛度與材料的彈性模量和慣性矩成正比， 而與管材的平均直徑的三次方成反比。若要計(jì)算環(huán)剛度，必須知道以上3 個(gè)物理量，材料的彈性模量可以根據(jù)管材生產(chǎn)廠家所選用的材料來查詢， 管材的平均直徑也可以測量，而關(guān)鍵在于計(jì)算慣性矩[6]。慣性矩I 嚴(yán)格的定義是管道縱截面每延米管壁的慣性矩(m4/m)，可以運(yùn)用CAXA CAD 分析截面慣性矩的方法， 分析得出慣性矩， 從而計(jì)算環(huán)剛度。目前，PE/PVC 塑料雙壁波紋管管道波紋形狀主要有梯形和弧形，PE 較多采用弧形，而PVC 偏向于梯形，從應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，弧形受壓感較梯形好，考慮到PVC-M 雙壁波紋管開發(fā)主要是向PE 雙壁波紋管靠攏，同時(shí)部分采用弧形對(duì)管材抗沖劑性能也是有幫助的，因此，本開發(fā)主要以弧形波紋形狀結(jié)合梯形雙壁波紋管（簡稱為圓梯形）為研究對(duì)象， 分析其截面特性。而按照慣性矩嚴(yán)格的定義可知， 所需要分析的是管道縱截面每延米管壁的慣性矩。因此在實(shí)際分析過程中， 可以取出一個(gè)波紋長度的截面來進(jìn)行分析， 然后用分析得出的慣性矩?cái)?shù)值除以波紋長度，從而換算成管道縱截面每延米管壁的慣性矩。

3.2 截面慣性矩及管材米重的CAXA CAD 分析

3.2.1 截面慣性矩的CAXA CAD 分析

本研究的管材采用大口徑DN/ID500SN8 規(guī)格作為例子，該規(guī)格PVC-M 雙壁波紋管管道的縱截面為圓梯形， 可以借助CAXA CAD 軟件中的分析模塊對(duì)管道縱截面一個(gè)波紋長度的截面進(jìn)行慣性矩分析。

根據(jù)圖1 CAXA CAD 分析結(jié)果， 波紋管在相對(duì)于分析坐標(biāo)軸上受力分析， 其縱截面處截面圖形面域的慣性矩為： Ix=47513.91mm4， 根據(jù)該分析結(jié)果便可以計(jì)算環(huán)剛度。因?yàn)樵诠絊=EI/D3中的I 嚴(yán)格定義為管道縱截面每延米管壁的慣性矩， 所以應(yīng)該將Ix 的結(jié)果值除以一個(gè)截距的長度， 換算為一個(gè)單位長度內(nèi)的慣性矩，計(jì)算如下：

圖1 波形設(shè)計(jì)及寄慣性矩計(jì)算

每米管材I=Ix/81.28×1000≈584570.7mm4/m

根據(jù)表1 中PVC-M 彎曲模量取最小值E=2400MPa=2.4×109Pa

管道平均直徑D=500+32.2=532.2mm

依據(jù)環(huán)剛度計(jì)算公式：

即S=9.3×103Pa=9.3×103N/m2=9.3kN/m2，可滿足SN8 的要求；

本計(jì)算采用了E 的最小值進(jìn)行，在實(shí)際配方中通過合理調(diào)配可能還會(huì)提高彎曲模量E 值。

3.2.2 管材米重的CAXA CAD 分析

同樣借助CAXA CAD 軟件中的分析模塊對(duì)管道縱截面一個(gè)波紋長度的旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行質(zhì)量分析[7]，根據(jù)PVC-M配方特性，假定管材密度為1.42g/cm3，管材內(nèi)徑為500mm 進(jìn)行計(jì)算。

采用軟件計(jì)算旋轉(zhuǎn)體重量自動(dòng)生成的重心，根據(jù)圖2 CAXA CAD 分析結(jié)果， 該截距結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)體重量為0.9757kg，則計(jì)算管道縱截面每延米管材米重，應(yīng)將結(jié)果值除以一個(gè)截距的長度， 換算為一個(gè)單位長度內(nèi)的米重， 計(jì)算如下：

每米管材重量=0.9757/81.28×1000≈12kg/m

即管材理論設(shè)計(jì)米重為12kg/m。本計(jì)算采用比較理想的波形結(jié)構(gòu)，實(shí)際生產(chǎn)中，由于壁厚不均勻性，波形壓腳積料等現(xiàn)象可能會(huì)存在一定誤差。

3.3 模塊設(shè)計(jì)

采用上海經(jīng)緯公司立式成型機(jī)，模塊寬度按203.2設(shè)計(jì)，數(shù)量31 對(duì)，帶承口模塊（圖3）。

4 生產(chǎn)加工

采用傳統(tǒng)的經(jīng)緯92 錐雙PVC-U 雙壁波紋管生產(chǎn)線，傳統(tǒng)的PVC-U 雙壁波紋管的承口為2 次成型工藝，先連續(xù)生產(chǎn)直管，再通過2 次加溫軟化、膨脹擴(kuò)口來成型承口，本工藝的PVC-M 雙壁波紋管的承口采用1 次成型方案，承口內(nèi)外壁通過模具緊密貼合一起。基礎(chǔ)配方如表2：

表2 PVC-M雙壁波紋管基礎(chǔ)配方

5 性能檢測

5.1 產(chǎn)品尺寸及性能檢測

從表3 產(chǎn)品檢測結(jié)果來看，實(shí)際生產(chǎn)的尺寸及性能均可較吻合設(shè)計(jì)要求，本研究可作為其它大口徑PVC-M雙壁波紋管的設(shè)計(jì)依據(jù)，但也應(yīng)該注意的是，實(shí)際生產(chǎn)密度和環(huán)剛度均略低與設(shè)計(jì)，米重略高于理論，但尚在可接受范圍之內(nèi)，后期經(jīng)過調(diào)整是可以降低米重的，米重略高原因在于生產(chǎn)時(shí)壁厚出現(xiàn)不均勻且很容易出現(xiàn)少量積料現(xiàn)象，內(nèi)外壁粘合位置及合?？p位置均有可能（圖5），積料對(duì)于環(huán)剛度基本是沒有幫助的，但會(huì)增加產(chǎn)品重量，增加材料損耗，后期生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)引起重視。

表3 PVC-M雙壁波紋管基礎(chǔ)配方

圖2 單位截距重量計(jì)算

圖3 產(chǎn)品示意圖

5.2 落錘沖擊試驗(yàn)

傳統(tǒng)PVC-U 雙壁波紋管采用3.2kg 進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，本研究PVC-M 采用3.5kg 落錘沖擊。經(jīng)沖擊試驗(yàn)后，PVC-M 雙壁波紋管在管材波形上出現(xiàn)凹坑（圖4），為典型的韌性變形。之所以在沖擊試驗(yàn)中并未出現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象，是因?yàn)榻?jīng)過抗沖改性后，其韌性有明顯提高。

圖4 沖擊試驗(yàn)

圖5 積料現(xiàn)象

PVC-M 材料由于采用了抗沖改性的方法，成功實(shí)現(xiàn)了材料脆韌轉(zhuǎn)化。其臨界斷裂韌性較PVC-U 有明顯提高，也高于PE80，基本達(dá)到了PE100 的韌性。良好的韌性提高了管材抗水錘和點(diǎn)載荷的能力，方便搬運(yùn)、運(yùn)輸和提高管道運(yùn)行的安全性。

5.3 其它參考模擬實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步表明PVC-M 雙壁波紋管在實(shí)際應(yīng)用中的抗摔、抗砸和抗壓性能，還可通過模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證。需要強(qiáng)調(diào)的是，這些模擬試驗(yàn)不能作為產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定的依據(jù)。

錘擊試驗(yàn)（如圖6 所示）：將管材置于水泥地面，用重5kg、柄長約1m 的金屬鐵錘猛砸管材，管材受力變形后很快恢復(fù)，管材無破壞。

高速?zèng)_擊試驗(yàn)（如圖7 所示）：在常溫下，將5kg 的尖銳重錘自20m 高自由落下。在錘頭與管材的撞擊位置，有凹坑和變形，但不會(huì)出現(xiàn)脆性破壞（圖8）。

6 結(jié)論

通過檢測論證表明高抗沖PVC-M 雙壁波紋管增強(qiáng)效果明顯，解決了傳統(tǒng)PVC-U 雙壁波紋管強(qiáng)而不韌的缺點(diǎn)。

圖6 錘擊試驗(yàn)

圖7 高速?zèng)_擊試驗(yàn)

圖8 高速?zèng)_擊試驗(yàn)效果

PVC-M 雙壁波紋管DN/ID500SN8 采用公稱內(nèi)徑表征，拓展了傳統(tǒng)PVC-M 雙壁波紋管只采用外徑系列局限性，并且推進(jìn)了大口徑發(fā)展趨勢，管材實(shí)際生產(chǎn)能滿足設(shè)計(jì)要求，米重12.7kg，環(huán)剛度9.13kN/m2，落錘沖擊，高速?zèng)_擊，捶打等試驗(yàn)均呈現(xiàn)出其韌性特點(diǎn)，對(duì)為其它內(nèi)徑系列大口徑規(guī)格設(shè)計(jì)開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

PVC-M 雙壁波紋管由于其韌性改進(jìn)，其彎曲模量相比PVC-U 有所下降，理論設(shè)計(jì)采取2400MPa 數(shù)據(jù)計(jì)算比較接近產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)環(huán)剛度。

高抗沖PVC-M 雙壁波紋管近幾年來陸續(xù)有多個(gè)廠家進(jìn)行推廣，同等公稱內(nèi)徑規(guī)格成本比PE 雙壁波紋管有優(yōu)勢，性能不亞于PE 雙壁波紋管，大口徑的內(nèi)徑系列管材開發(fā)有利于完善PVC-M 雙壁波紋管產(chǎn)品系列，為其它規(guī)格產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)良品質(zhì)的產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于市政排水排污領(lǐng)域。