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聚乙烯大口徑排水管道的介紹

發布日期:2014-05-23 來源:中國塑料管道技術論壇

聚乙烯大口徑排水管道的介紹
一、產品分類
    聚乙烯排水管道系統根據管材的結構和生產工藝不同,可以分為雙壁波紋管、纏繞波紋管、纏繞中空壁管、克拉管、金屬增強纏繞熔接管等。依據國家標準GB/T 19472.1-2004和GB/T 19472.2-2004,結構壁管可分為A型管和B型管,A型管具有平滑的內外表面,并且又可進一步分為A1型和A2型兩種,A1型管壁為多層結構或軸向中空;A2型管壁為螺旋或徑向中空,如中空壁纏繞管。B型管具有平滑的內表面,實芯或中空的螺旋或環行肋的外表面,常見的如雙壁波紋管,聚乙烯纏繞增強管(克拉管),螺旋纏繞式波紋管等。
    從管材的生產工藝講,結構壁管材的生產工藝有直接擠出成型和纏繞成型兩種成型工藝。采用直接擠出成型工藝的結構壁管又有雙壁波紋管和環行肋管兩種。其生產工藝是把聚乙烯熔融后通過擠出機擠出成管狀,再由成型機連續成型。這兩種管材的優點是整體性好,重量輕,且產量高,連接方便可靠,但其擠出生產工藝的技術含量高,設備造價高,投資規模較大,且管材直徑最大到1200mm。纏繞成型的結構壁可分為中空壁纏繞管和螺旋纏繞式波紋管。其生產工藝是把聚乙烯熔融后擠出成型管,在纏繞在一個柱型胎具上,再由第二臺擠出機擠出融膠,熔接形成結構壁管。這兩種管材的優點是可以比較容易的生產較大直徑的管材,最大可生產直徑3000mm的管材,此外生產設備簡單,投資較小。
二、所用原材料
    埋地排水排污用聚乙烯結構壁管道,主要以承受外負荷為主,盡管不承受內壓,但對于原材料還是有一定的要求的。在國家標準GB/T 19472中規定原材料的性能如下:
     1、生產管材所用的原料應以聚乙烯(PE)樹脂為主,其中可加入為提高管材加工性能或其它材料,聚乙烯(PE)樹脂含量應在80%(W/W)以上。根據prEN13476的規定,可以加入部分碳酸鈣填料,但對于碳酸鈣的顆粒尺寸、粒徑分布及是否活化等都提出了要求。另外,原材料的彈性模量對于結構壁管材也很重要,因此標準中給出了原材料彈性模量的要求和測試方法。――――
    2、在標準中對PE原料的性能給出了具體的要求,詳見下表。表1   PE管材的材料性能
序號 項目 要求 檢驗方法
1 耐內壓(80℃,環應力3.9MPa,165h)
耐內壓(80℃,環應力2.8MPa,1000h)
無破壞,無滲漏 GB/T 6111-2003
采用a型密封頭
2 熔體質量流動速率(5kg,190℃) MFR≤1.6g/10min GB/T 3682-2000
3 熱穩定性(200℃) OIT≥20min GB/T17391-1998
4 密度 ≥930kg/m3(基礎樹脂) GB/T 1033-1986
注:用相應的擠出料加工的實壁管進行試驗。
 
    耐內壓試驗的條件大致反映出原材料的要求基本在PE63級樹脂以上。熔體質量流動速率反映了樹脂中分子量的大小和流動性。熱穩定性(氧化誘導時間OIT)是評價材料在加工、貯存、焊接和使用中耐熱降解能力的指標。
    3、回用料允許使用來自本廠生產的同種管材的、清潔的符合本標準要求的回用料,生產的管道也應符合本標準的要求。使用大量的回用料影響到產品的強度,既對管材的環剛度有直接的影響。一些企業為了降低成本并保證環剛度不降低,一般大量加入無機填充物,有時雖然環剛度提高了,但是管材的沖擊性能和環柔性卻有所下降,這對于管道的低溫施工是有隱患的。現在,一些工程項目監理要求進行現場驗證試驗,但是檢驗項目一般僅有環剛度一項,這對于添加大量無機填充物的管材來說基本無效。如果利用灰分試驗就可以大致得到管材中的無機填充物的比例。
三、管材性能要求
    國家標準GB/T 19472.1-2004“埋地用聚乙烯(PE)結構壁管道系統第1部分:聚乙烯雙壁波紋管材”和GB/T 19472.2-2004“埋地用聚乙烯(PE)結構壁管道系統第2部分:聚乙烯纏繞結構壁管材”中規定的管材物理機械性能的項目大體相同。兩個標準中都規定了管材的外觀、尺寸、環剛度、環柔性、落錘沖擊試驗和蠕變率試驗的技術要求和測試方法。此外,還針對不同結構的管材又規定了相應的檢驗項目。如,對于PE纏繞結構壁管材中內外表面平整的管材要求進行縱向回縮率試驗,對于PE波紋管及PE纏繞結構壁管材中內表面光滑,外表面為中空螺旋形肋的管材則要求進行熱烘箱試驗。對于PE纏繞結構壁管材還要求進行縫拉伸試驗。連接密封方面,對于使用彈性密封圈連接的管道系統,還需進行一定條件下的系統適用性試驗;對于纏繞結構壁管材,還應進行焊接或熔接連接的拉伸強度試驗。
    1、外觀
    2、尺寸
    標準中在波紋管的尺寸要求方面是內徑系列和外徑系列并存,一般規定了管材的最小內徑或最大外徑、最小層壓壁厚、最小內層壁厚,在連接方面還規定了最小接合長度和最小熔接長度。同樣是為了降低成本,一些企業將管材的結構壁厚度做薄,減少原材料的用量,從而降低成本。這種情況在PE雙壁波紋管中比較常見。產品標準中分別規定了管材內層壁厚和層壓壁厚的最小值,但是一些廠家的產品達不到。這樣的結構在檢測過程中往往會出現兩種情況,一種是環剛度達不到預期要求,比如SN4系列的環剛度不到4kN/m2,SN8系列的環剛度不到8kN/m2;另一種情況是由于添加了比較多的無機填充物,環剛度可以達到預期要求,但是環柔性試驗不通過,主要現象是發生反向彎曲和永久變形。這種情況對于已埋設于地下的管道是比較危險的。此外,厚度不達標的管材在連接方面也存在隱患,很難達到連接強度要求。
    3、環剛度
    標準中規定的四種環剛度等級,分別是SN2,SN4,SN8,SN16,此外還有SN6.3和SN12.6兩個等級是非標等級,可以在滿足實際需要時選用。SN2等級,即要求管材的環剛度應不小于2kN/m2,其它等級的要求依此類推,恕不累述。根據標準規定,環剛度的測試方法為GB/T 9647-2003,其中規定管材試樣的長度一般為300mm±10mm,或是滿足3個肋的最小長度,試驗時采用平行平板壓縮,壓縮變形量為試樣平均內徑的3%。目前不同國家的不同標準中對于管材環剛度有不同的定義和相應不同的測試方法,而不同的定義和不同的測試方法得到的環剛度數值之間是沒有可比性的。因此需要指出的是在我國一般均按照國家標準GB/T 9647-2003進行環剛度試驗,該標準等同于國際標準ISO 9969:1994。近年來國際市場趨于統一,越來越多的國家接受ISO標準,ISO 9969:1994已經被歐洲標準化組織接受為歐洲標準EN ISO 9969:1995。
    4、環柔性
    對于纏繞管材的扁平試驗,只要不在管材中加入過多的填料,就不會有壁破裂和兩壁脫開的現象發生;而對于雙壁波紋管材特別是大口徑雙壁波紋管材,在進行環柔性測試時,當把管材壓至管材內徑的30%時,往往會發生反向彎曲的現象。產生反向彎曲問題的主要原因有三點:一是波形控制的不嚴格,這和管材加工設備特別是與模具的結構關系密切;二是未選用真正的埋地排水用管材專用料,有的甚至選用非管材專用料生產成品管;三是生產加工時廠家故意減薄管材的壁厚。
    5、落錘沖擊試驗
    該項檢驗的方法是GB/T 14152-2001,直徑小于500mm的管材進行整管沖擊,直徑大于500mm的管材可將管材切割成后再進行沖擊。標準中規定了不同直徑管材對應的錘重和錘高,同時規定了不同結構管材的沖擊位置。落錘沖擊試驗主要考核管材的低溫抗沖擊能力,試驗溫度一般為0℃,對于應用于低溫條件下的管材還需進行-10℃的沖擊試驗。聚乙烯材料的低溫沖擊性能是比較好的,但是如果結構壁單層厚度太薄或是原料中添加較多的無機填充物則會降低材料的沖擊性能,從而使管材質量下降,給施工和使用帶來隱患。
    6、烘箱試驗和縱向回縮率
    這兩項試驗主要是對管材加工塑化的考核。
    7、縫拉伸強度
    縫拉伸強度是針對纏繞結構壁管材的試驗。主要是考查螺旋形肋之間的熔接強度的。一般使用較多回用料或原料中加入較多無機填充物的管材縫拉伸強度較低,而試驗的破壞位置也往往是螺旋形肋之間的熔接縫處。一般情況下,如果管材原料滿足標準要求時,正常的熔接結果會是熔接處的強度高于未熔接部分,而破壞位置往往是非熔接部分。縫拉伸強度較低的管材,嚴重時在進行環柔性試驗時,會出現兩壁脫開的現象。
    8、蠕變比率
    蠕變比率是管道在埋地后的重要指標,因為排水、排污等無壓埋地塑料管材在使用中要承受管道上方及周圍填埋覆土層的外壓載荷,作用結果是使其產生不同程度的變形,隨時間的推移,這種形變會逐漸累積加大,即發生蠕變現象。外壓載荷在管道幾十年的使用期中的相當一段時間內存在,如果蠕變形變過大,將導致管道連接處滲漏、管壁向內曲折、破損,甚至結構垮塌,因此蠕變性能是無壓埋地塑料管材的重要技術要求。
試驗和經驗都表明,若外界負荷在設計的范圍內,管材變形發生時間的長短依賴于土質和安裝條件,僅在一定期限內(一般為兩年)與時間有密切關系,之后其形變就會自然接近于停止,管材的形變處于相對穩定狀態。這也是我們進行管材長期性能-蠕變比率測試的重要假設。管材發生蠕變的大小與管材的剛度有關。我們因此可以通過對管材的剛性進行測試然后得到管材蠕變率。這種預測可以在實驗室進行。試驗的方法是通過試驗建立管材形變與時間的關系曲線,分析數據的線性關系,通過計算外推兩年時的形變,進而計算管材的蠕變率。該項試驗的時間較長,一般為2.5~3個月。所以一般為定型檢驗項目。
    9、系統適用性試驗
    對于使用彈性密封圈連接的管道系統,需按照標準規定進行管道彈性密封連接處的徑向變形條件下和偏角條件下的常溫密封試驗;對于纏繞結構壁管材,應進行連接處的焊接或熔接部位的拉伸強度試驗。
    在上述檢驗項目中,根據標準規定,除蠕變比率試驗和系統適用性試驗外,其它項目均為型式檢驗項目。而在實際使用過程中,一般需進行現場復測的項目是環剛度、環柔性和縫拉伸試驗等。
四、管道應用領域、安裝、使用
    目前聚乙烯排水、排污管道工程應用的技術規程主要為中國工程建設標準化協會標準CECS164:2004《埋地聚乙烯排水管道工程技術規程》。
    該規程規定了無內壓作用的埋地聚乙烯排水管道工程的設計、施工和驗收。管材形式包括雙壁波紋管、雙壁矩形中空肋壁管、圓形中空肋壁管等結構壁管材。雙壁波紋管的公稱直徑不宜大于DN1200mm,纏繞結構壁管材的公稱直徑不宜大于DN2500mm。
聚乙烯管材的性能方面要求密度不小于0.93g/cm3,短期彈性模量不小于758MPa。
    在水力計算中,一般雙壁波紋管的粗糙系數采用0.01,而纏繞結構壁管材采用0.011。
    管材的環剛度選擇依具體情況從管道溝槽、原狀圖的性質、管區的回填材料和壓實度、管頂覆土深度、荷載情況和管材特性等因素綜合考慮,一般多為4kN/m2~8 kN/m2之間。
規程中對管道施工的溝槽、基礎、管道安裝及連接作了原則規定。管道應敷設在原狀土地地基或經開槽后處理回填密實的地基上。管道施工是應對管道最大覆土深度、管材的環剛度、溝槽及兩側原狀土的情況進行核對。若發現與設計不符,可要求改變設計或采取相應的保證管道承載能力的措施。管道基礎一般是在原狀土地基上鋪依層100mm的中粗砂基礎,土質較差時可采用200mm的砂礫基礎層。對軟土地基、地基承載力小于設計要求等情況仍需作地基的加固處理。
柔性管的工作原理是依靠管土共同作用。回填土的變形模量在很大程度上決定了管道的變形和承載力,而成為管道工程的關鍵。規程中對溝槽回填的條件、回填操作、溝槽各部位的回填材料和壓實度要求都作了具體規定。如果實際條件允許,對管區最好是采用粗顆粒的材料回填,如粗砂、中砂、石屑、粒徑不大于40mm的砂礫等。管底設計支承角部位(通稱腋角)重要的是要保證回填材料與管底的緊密接觸,應采用中、粗砂仔細填實。
 

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