孫丹丹，曹增龍，羅 偉，付家敏，張 年

(湖北正平水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，湖北 武漢 430070)

隨著國(guó)家對(duì)水利工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度逐漸加大，塑料管材因其價(jià)格優(yōu)惠、節(jié)能環(huán)保和性能優(yōu)越等優(yōu)勢(shì)在水利工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，常見的管材類型主要有：聚氯乙烯管(PVC管)、聚乙烯管(PE管)和聚丙烯管(PP管)3類[1]。為了使塑料管材的質(zhì)量得到保證，檢測(cè)水利工程塑料管材的物理力學(xué)性能顯得尤為重要[2]。物理力學(xué)性能檢測(cè)的指標(biāo)主要包括：靜液壓強(qiáng)度、氧化誘導(dǎo)時(shí)間、縱向回縮率、維卡軟化溫度、落錘沖擊試驗(yàn)等，主要針對(duì)落錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行介紹。

落錘沖擊試驗(yàn)是衡量水利工程塑料管材耐沖擊韌性的重要檢測(cè)方法，通過(guò)一定質(zhì)量的落錘從不同的高度沖擊管材規(guī)定的部位，以沖擊破壞總數(shù)除以沖擊總數(shù)即真實(shí)沖擊率(TIR)小于或等于10%則判定為合格，依據(jù)主要為GB/T 14152—2001《熱塑性塑料管材耐外沖性能試驗(yàn)方法 時(shí)針旋轉(zhuǎn)法》。為提高水利工程塑料管材落錘沖擊試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，引入不確定度理論對(duì)落錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行修正，并對(duì)該試驗(yàn)的方法進(jìn)行系統(tǒng)性地概括和研究，以期為水利工程塑料管材質(zhì)量檢測(cè)提供新的思路。

1 不確定度理論

對(duì)于水利工程質(zhì)量檢測(cè)，為保證測(cè)量結(jié)果的可靠程度應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行定量說(shuō)明，表征測(cè)量值的分散性，即不確定度[3]。不同于誤差的是，不確定度是主要衡量測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)，測(cè)量結(jié)果不確定度的大小在一定程度上表明了測(cè)量結(jié)果的可用性[4]，即不確定度愈小，測(cè)量結(jié)果與測(cè)量真值愈接近，測(cè)量結(jié)果質(zhì)量愈高，其使用價(jià)值愈高；反之不確定度愈大，測(cè)量結(jié)果與測(cè)量真值相差愈大，其使用價(jià)值愈低[5- 8]。落錘沖擊試驗(yàn)中所需的沖擊能量主要通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]，管材落錘沖擊試驗(yàn)的不確定度的重點(diǎn)在于校核落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的不確定度，不確定度的評(píng)定過(guò)程如圖1所示。通過(guò)評(píng)定落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的不確定度，以提高落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)的整體準(zhǔn)確性和可靠度。

1.1 儀器與設(shè)備

采用的試驗(yàn)儀器為XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，滿足ISO3127對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求，由工作臺(tái)、防止二次沖擊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向管、錘體、錘體升降及自動(dòng)落錘機(jī)構(gòu)、電機(jī)、減速器、電控箱、機(jī)座等組成，主要的技術(shù)參數(shù)見表1。

XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物如圖2所示。

1.2 識(shí)別和分析不確定度來(lái)源

XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)不確定度的來(lái)源主要有：隨機(jī)因素引起的落錘質(zhì)量測(cè)量的不確定度，包括衡器不準(zhǔn)確引起的不確定度um1和重復(fù)測(cè)量引起的不確定度um2；跌落高度的測(cè)量所引起的

圖1 不確定度評(píng)定步驟

表1 主要技術(shù)參數(shù)表

圖2 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖

不確定度，包括測(cè)量高度裝置不準(zhǔn)確引起的不確定度uh1和重復(fù)測(cè)量引起的不確定度uh2；沖擊速度測(cè)量的不準(zhǔn)確所引起的不確定度，包括測(cè)量速度裝置不準(zhǔn)確引起的不確定度uv1和重復(fù)測(cè)量引起的不確定度uv2。

1.3 數(shù)學(xué)模型

落錘沖擊試驗(yàn)中誤差主要來(lái)源于落錘跌落過(guò)程中的能量損失，根據(jù)能量守恒定律和能量轉(zhuǎn)化原理，能量損失公式為[10]：

(1)

落錘沖擊速度和跌落高度互不相關(guān)，即相互獨(dú)立：

(2)

式中，C1、C2—靈敏度系數(shù)。

(3)

(4)

所以，不確定度為：

(5)

1.4 不確定度評(píng)定

1.4.1落錘質(zhì)量測(cè)量的不確定度評(píng)定

衡器采用電子計(jì)重秤，允許誤差為±1g，區(qū)間半寬δm=1g，通常假設(shè)為均勻分布，采用B類方法評(píng)定[11]，計(jì)算公式為：

(6)

由重復(fù)測(cè)量值引起的不準(zhǔn)確度采用A類方法中的極差法進(jìn)行評(píng)定[12]，計(jì)算公式為：

(7)

則落錘質(zhì)量測(cè)量的不確定度為：

(8)

1.4.2跌落高度測(cè)量的不確定度評(píng)定

測(cè)量高度裝置采用鋼卷尺，允許誤差為±1.0mm，區(qū)間半寬δh=1mm，通常假設(shè)為均勻分布，采用B類方法評(píng)定，計(jì)算公式為：

(9)

由重復(fù)測(cè)量值引起的不準(zhǔn)確度采用A類方法中的極差法進(jìn)行評(píng)定，計(jì)算公式為：

(10)

則跌落高度測(cè)量的不確定度為：

(11)

1.4.3沖擊速度測(cè)量的不確定度評(píng)定

(12)

由重復(fù)測(cè)量值引起的不準(zhǔn)確度采用A類方法中的極差法進(jìn)行評(píng)定，計(jì)算公式為：

(13)

則沖擊速度測(cè)量的不確定度為：

(14)

1.5 不確定度的計(jì)算

對(duì)XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不確定度評(píng)定，落錘質(zhì)量、跌落高度和落錘速度重復(fù)進(jìn)行n=5次測(cè)量，各有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

通過(guò)上述計(jì)算公式，各有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定度及能量損失的擴(kuò)展不確定度見表3。

由表3計(jì)算結(jié)果可知，XJC- 300系列落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)能量損失擴(kuò)展不確定為2.26%(k=2)，測(cè)量結(jié)果與測(cè)量真值接近，采用此系列的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)的結(jié)果使用價(jià)值高。

表2 各測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表3 各測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定度

2 落錘沖擊試驗(yàn)方法研究

落錘沖擊試驗(yàn)現(xiàn)行的規(guī)范主要為GB/T 14152—2001《熱塑性塑料管材耐外沖性能試驗(yàn)方法時(shí)針旋轉(zhuǎn)法》[13]，對(duì)該規(guī)范進(jìn)行了系統(tǒng)性地總結(jié)和研究。落錘沖擊試驗(yàn)步驟如圖3所示。

圖3 落錘沖擊試驗(yàn)步驟

2.1 試樣制備

試樣制備的內(nèi)容主要包括試樣切割、試樣長(zhǎng)度、試樣標(biāo)線和試樣數(shù)量。

(1)試樣切割。試樣從連續(xù)生產(chǎn)的管材中隨機(jī)抽取，切割斷面應(yīng)光滑無(wú)損傷，與管材軸線垂直。

(2)試樣長(zhǎng)度。試樣長(zhǎng)度取200mm±10mm。

(3)試樣標(biāo)線。當(dāng)前試樣標(biāo)線有2種畫法[14]：軸向畫線法(如圖4所示)和徑向畫線法(如圖5所示)。

圖4 軸向畫線法

圖5 徑向畫線法

在實(shí)際操作過(guò)程中，圖5存在管材無(wú)法進(jìn)行時(shí)針旋轉(zhuǎn)、沖擊點(diǎn)集中于管材的某一軸線上而無(wú)法綁定管材的整體質(zhì)量、標(biāo)線間距過(guò)小導(dǎo)致實(shí)際操作無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)每道劃線的沖擊等缺陷。推薦采取圖4的軸向畫線法。不同外徑管材試樣應(yīng)畫線數(shù)根據(jù)GB/T 14152—2001中表3確定。

(4)試樣數(shù)量。試驗(yàn)所需試樣數(shù)量根據(jù)GB/T 14152—2001中表3確定，根據(jù)TIR值為10%時(shí)的判定表，試樣沖擊總數(shù)須≥25次。即：試驗(yàn)所需試樣數(shù)量=沖擊總數(shù)/不同外徑管材試樣應(yīng)畫線數(shù)。

2.2 狀態(tài)調(diào)節(jié)

狀態(tài)的調(diào)節(jié)主要包括溫度的調(diào)節(jié)，一般采取(0±1℃)的水浴和(20±2℃)的空氣浴進(jìn)行管材溫度的調(diào)節(jié)，不同管材壁厚狀態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間根據(jù)GB/T 14152—2001中表4確定。

2.3 確定落錘質(zhì)量和沖擊高度

GB/T 14152—2001中規(guī)定落錘的質(zhì)量和沖擊高度按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所需來(lái)確定，未明確實(shí)際落錘質(zhì)量和沖擊高度的參考值，建議可參照GB/T 19472.1—2019《埋地用聚乙烯(PE)結(jié)構(gòu)壁管道系統(tǒng)第1部分：聚乙烯雙壁波紋管材》[15]中表8確定(使用地區(qū)氣溫-10℃以下)，見表4。

2.4 沖擊試樣

管材外徑DN≤40mm的試樣，僅進(jìn)行一次沖擊；對(duì)于管材外徑DN>40mm的試樣，首先沖擊管材的1號(hào)標(biāo)線，若試樣未破壞，對(duì)管材進(jìn)行時(shí)針旋轉(zhuǎn)，沖擊管材的2號(hào)標(biāo)線，直至試樣破壞或全部標(biāo)線均被沖擊一次。每個(gè)試樣均應(yīng)進(jìn)行沖擊。落錘回跳捕捉率應(yīng)保證100%。

2.5 結(jié)果判定

以真實(shí)沖擊率(TIR)來(lái)判定水利工程塑料管材的沖擊性能，一般要求TIR值小于等于10%，或試樣沖擊的破壞數(shù)集中在A區(qū)；若根據(jù)現(xiàn)有沖擊試樣數(shù)不能作出判定，應(yīng)增加試樣數(shù)量繼續(xù)進(jìn)行沖擊，直至可以得出判定結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)水利工程塑料管材耐沖擊韌性常采用落錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)，本文嘗試性地識(shí)別該試驗(yàn)的不確定度來(lái)源，建立數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其不確定度進(jìn)行評(píng)定，為測(cè)量結(jié)果與測(cè)量真值接近程度提供定量數(shù)據(jù)支撐。

(2)現(xiàn)行規(guī)范未明確試樣標(biāo)線方式，建議采用軸向畫線法，提出了落錘質(zhì)量和沖擊高度的參照值，對(duì)水利工程塑料管材落錘沖擊試驗(yàn)具有較好的指導(dǎo)意義。

(3)不確定度理論僅用于落錘沖擊試驗(yàn)，水利工程塑料管材的其他物理力學(xué)性能如靜液壓、氧化誘導(dǎo)時(shí)間、維卡軟化溫度等均可參照本文理論進(jìn)行系統(tǒng)分析，在今后的研究中將以此為重點(diǎn)。