王 玉，呂 珂

(1.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430000)

1 聚乙烯(PE)材料

1.1 基本特征

聚乙烯(PE)在分子結(jié)構(gòu)上屬于一種半晶質(zhì)狀聚合物，由各長鏈狀的單體分子聚合而成。隨著PE樹脂內(nèi)分子的鏈條長度和分支數(shù)量發(fā)生變化，樹脂各種性能也會(huì)隨之不同。PE是聚烯烴類家族的分支之一，具有聚烯烴產(chǎn)品的各種特征，如低吸水性、中度偏低的氣體滲透性、良好的韌性、易彎曲性(低溫時(shí))以及低的熔點(diǎn)等。

密度是PE材料的重要指標(biāo)之一，PE管也是根據(jù)密度的不同進(jìn)行劃分的。密度對(duì)性能的影響有些是正面的，隨著密度的增加，抗拉強(qiáng)度、剛度和硬度等會(huì)隨之增強(qiáng)；但有些是反面的，隨著密度的增加，抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力裂紋阻力和滲透性會(huì)隨之降低。根據(jù)GB/T 1845.1—2016《塑料聚乙烯(PE)模塑和擠出材料第1部分：命名系統(tǒng)和分類基礎(chǔ)》，試樣在23℃±2℃條件下，當(dāng)測定密度超過911kg/m3，且不超過925kg/m3時(shí)，聚乙烯稱為低密度聚乙烯(LDPE)；當(dāng)測定密度超過925kg/m3，且不超過940kg/m3時(shí)，聚乙烯稱為中密度聚乙烯(MD PE)；當(dāng)測定密度超過940kg/m3時(shí)，聚乙烯稱為高密度聚乙烯(HDPE)。工程實(shí)踐顯示，當(dāng)材料密度在940～955kg/m3范圍內(nèi)，大多數(shù)管道工程展示了較高的運(yùn)行效果，所以建設(shè)單位一般會(huì)選擇HPDE，考慮工藝和成本等因素，不會(huì)要求更高的密度的管材。在PE管生產(chǎn)過程中，炭黑添加劑對(duì)樹脂密度有著適度的影響，當(dāng)炭黑含量在2.0%～3.0%時(shí)會(huì)造成密度9～13kg/m3的增加，而著色劑對(duì)密度的影響微乎其微。

1.2 機(jī)械性能

作為另一個(gè)重要特征，PE屬于粘彈性結(jié)構(gòu)材料，結(jié)合了彈性與粘性兩種特點(diǎn)于一體，一方面，在較小的荷載作用下，PE試樣反應(yīng)呈現(xiàn)彈簧狀的彈性方式，符合胡克定律；另一方面，在較大的荷載作用下，PE試樣反應(yīng)如同緩沖器的效果，類似牛頓流體。因此，PE材料的抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線可以劃分為三個(gè)明顯的階段，如圖1所示。彈性形變階段，當(dāng)施加的荷載作用下，試樣反應(yīng)呈現(xiàn)典型的線性形變，荷載一但去除，試樣回彈如初；塑性形變階段，荷載作用下的形變繼續(xù)保持，但比率持續(xù)減低，應(yīng)力應(yīng)變曲線持續(xù)改變，呈現(xiàn)曲線狀態(tài)，產(chǎn)生的形變也不能完全恢復(fù)；形變發(fā)硬階段，形變產(chǎn)生頸縮，伴隨明顯的延伸，直至韌性斷裂。

圖1 PE管通常抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線

當(dāng)PE管應(yīng)用于管道系統(tǒng)時(shí)，材料的粘彈性性能產(chǎn)生了兩個(gè)獨(dú)特的特征—蠕變和應(yīng)力松弛。不僅是PE管，所有的熱塑性管材都有蠕變的特征，與材料的反應(yīng)、超長時(shí)間和持續(xù)荷載均有關(guān)系。當(dāng)PE管持續(xù)承受荷載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生如同應(yīng)力應(yīng)變曲線一樣的形變，隨著時(shí)間的延長，形變依然繼續(xù)，但形變的比率會(huì)減??；如果荷載足夠大，持續(xù)時(shí)間足夠長，管道最終屈服甚至破裂。這種粘性流體產(chǎn)生的與時(shí)間對(duì)應(yīng)的形變現(xiàn)象稱之為蠕變。當(dāng)PE承受持續(xù)荷載(達(dá)到指定的形變)，且持續(xù)時(shí)間足夠長，伴隨緩慢的持續(xù)的形變，管材產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)緩慢衰減，這種現(xiàn)象稱之為應(yīng)力松弛。

在持續(xù)荷載作用下材料性能的改變不僅與使用時(shí)間相關(guān)，還與使用溫度相關(guān)。當(dāng)PE管應(yīng)用于管道工程時(shí)，材料性能指標(biāo)會(huì)因?yàn)槭褂脺囟鹊淖兓兓?，所以，PE管的工程標(biāo)準(zhǔn)中建立了以溫度23℃為標(biāo)準(zhǔn)材料性能測定方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，當(dāng)使用溫度發(fā)生變化時(shí)，采用溫度折減系數(shù)對(duì)承壓能力的修正，以保證工程安全，見表1。

表1 PE80和PE100壓力折減系數(shù)

2 PE管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 最小要求強(qiáng)度(MRS)

為了建立PE材料性能與管內(nèi)水壓的關(guān)系，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，我國PE管的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13663.1—2017《給水用聚乙烯(PE)管系統(tǒng) 第1部分：總則》引入了預(yù)測靜液壓強(qiáng)度置信下限(σLPL)和最小要求強(qiáng)度(MRS)兩個(gè)術(shù)語。預(yù)測靜液壓強(qiáng)度置信下限的含義是，置信度為97.5%時(shí)，對(duì)應(yīng)于溫度T和時(shí)間t的靜液壓強(qiáng)度預(yù)測值的下限σLPL=σ(T，t，0975)與應(yīng)力有相同的量綱。最小要求強(qiáng)度的定義是，將20℃、50年置信下限σLPL的值按GB/T 321—2005《優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系》的R10系列或R20系列向小圓整到最接近的一個(gè)優(yōu)先數(shù)得到的應(yīng)力值。

這兩個(gè)術(shù)語晦澀難懂，這里有必要做個(gè)通俗的解釋。PE管使用過程中會(huì)一直承受內(nèi)水壓力和外荷載兩個(gè)方面的作用，隨著時(shí)間的延長，PE管持續(xù)產(chǎn)生蠕變，同時(shí)又產(chǎn)生應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛的趨勢(shì)是肯定的，但應(yīng)力下降的變量不是一個(gè)定值，這是由于各個(gè)生產(chǎn)廠家使用的聚合材料不同和生產(chǎn)工藝中摻入了其他材料的不同，因此需要通過長期靜液壓試驗(yàn)來測定。該試驗(yàn)是在規(guī)定溫度T和時(shí)間t(通常為1年)條件下，測定管材所承受的應(yīng)力值；然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行外推，在概率不低于97.5%的情況下，預(yù)測50年使用時(shí)間下管材達(dá)到的應(yīng)力值σLPL，管材在相同的溫度T和時(shí)間t條件下，管材在50年后至少應(yīng)該達(dá)到上述應(yīng)力值相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度；最后對(duì)應(yīng)力值σLPL進(jìn)行分級(jí)，歸類到R10系列或R20，得出最小要求強(qiáng)度。

PE管的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13663.1—2017列出了PE混配料的工程性能指標(biāo)，見表2。

表2 PE混配料分級(jí)和性能指標(biāo)

2.2 PE管的工程性能對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用的影響

PE管在輸水過程中，內(nèi)水壓力的作用下，管壁產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，該值不得超過管材長期抗拉強(qiáng)度設(shè)定值，同時(shí)長期抗拉強(qiáng)度設(shè)定值應(yīng)當(dāng)根據(jù)輸水的水溫進(jìn)行修正。CJJ 101—2004《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》，給出了具體的計(jì)算公式：

(1)

γ0σθ≤γ0tf

(2)

式中，σθ—在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下的管壁截面環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)值，N/mm2；γQ—設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)；Fwd—管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2，應(yīng)采用管道工作壓力的1.5倍計(jì)算；D0—管道計(jì)算直徑，mm；t—管壁計(jì)算壁厚，mm；γ0—管道的重要系數(shù)；γ0t—管材抗力分項(xiàng)系數(shù)，可按不同水溫溫度確定；f—管材環(huán)向長期抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa，取管材的最小要求強(qiáng)度(MRS)。

從公式(1)和公式(2)可以看出，PE管在工程使用中的內(nèi)水壓力相對(duì)應(yīng)的是管壁截面環(huán)向應(yīng)力，而管材長期抗拉強(qiáng)度，即最小要求強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)滿足環(huán)向應(yīng)力的要求，以確保工程安全。PE管在生產(chǎn)過程中檢測出來的屈服強(qiáng)度僅反應(yīng)當(dāng)前管材的性能，不能代表長期使用過程中的性能，其原因就是因?yàn)樵诔掷m(xù)荷載作用下，材料產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛，導(dǎo)致的性能衰減。根據(jù)我們實(shí)際工作的調(diào)研，下面兩種情況比較典型。

第一種情況，某PE管廠家在生產(chǎn)過程中使用了回收料摻和在混配料中，試棒檢測結(jié)果顯示屈服強(qiáng)度達(dá)到了10MPa，根據(jù)公式(1)和公式(2)的計(jì)算結(jié)果自然滿足了管道的承壓能力。在管道安裝結(jié)束后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，驗(yàn)收合格，然而在管線運(yùn)行若干年后，管道破裂，這時(shí)管道工程已經(jīng)過了保質(zhì)期，廠家也就逃脫了責(zé)任。這個(gè)事例在我國PE管工程中反復(fù)上演，其根源就在于PE管在當(dāng)前生產(chǎn)中檢測出來的屈服強(qiáng)度不可以代表最小要求強(qiáng)度。

第二種情況，某PE廠家在管材生產(chǎn)過程中進(jìn)行試樣檢測，拉伸屈服應(yīng)力為21.5MPa，安裝并運(yùn)行5年后，管道出現(xiàn)了滲漏，經(jīng)取樣檢測，拉伸屈服應(yīng)力達(dá)到了17.7MPa。以此衰減比率進(jìn)行計(jì)算，管材在安裝15年后抗拉屈服強(qiáng)度就會(huì)降至10MPa，就可能出現(xiàn)管材承受能力無法抵抗內(nèi)水壓力，導(dǎo)致爆管事故。

因此，用戶單位要保證采購PE管的質(zhì)量合格，以下三個(gè)方面的審查非常重要：一是監(jiān)督生產(chǎn)廠家應(yīng)使用正規(guī)的PE原材料，不可以使用回收料(產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的除外)，可以通過廠家的原材料進(jìn)貨量和產(chǎn)品出貨量進(jìn)行一個(gè)大致的判斷；二是對(duì)到達(dá)施工現(xiàn)場的管材隨機(jī)采樣，送到第三方試驗(yàn)室檢測，檢測的各項(xiàng)指標(biāo)均應(yīng)達(dá)到GB/T 13663.1和GB/T 13663.2—2018《給水用聚乙烯(PE)管道系統(tǒng)第2部分：管材》規(guī)定的要求；三是PE管生產(chǎn)廠家應(yīng)提供真實(shí)的檢測報(bào)告，此報(bào)告是由有鑒定資格的第三方機(jī)構(gòu)出具的，且長期性能指標(biāo)可以滿足50年的使用期限。

2.3 PE管的工程性能對(duì)外荷載作用的影響

埋地PE管會(huì)受到豎向土壓力、地面堆積荷載和車輛荷載的等外荷載作用，與之抗衡的是管土共同作用，而管材抵抗外荷載能力最直接的指標(biāo)就是管材環(huán)剛度。根據(jù)《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，PE管的環(huán)剛度與彈性模量的關(guān)系為公式(3)。

(3)

式中，Sp—管材環(huán)剛度，MPa；Dl—變形滯后效應(yīng)系數(shù)，取1.0～1.5；Ep—管材彈性模量，MPa；t0—管材計(jì)算壁厚，mm；D0—管道計(jì)算直徑，mm。

公式(3)中管材的參彈性模量反映的是材料在彈性形變階段產(chǎn)生的應(yīng)力與形變的比率，考慮PE管在長期荷載作用下的蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，彈性模量在長期使用中一定不是定值，而是一個(gè)不斷的下降值。參考美國AWWA M55《PE管—設(shè)計(jì)與安裝》，在23℃時(shí)，PE管短期的有效彈性模量范圍為110000～1200000psi(758.45MPa～827.4MPa)，而長期的有效計(jì)算結(jié)果接近于20000～38000psi(137.9MPa～262.01MPa)；可以看出，PE管長期彈性模量是初始彈性模量的1/4左右；結(jié)合公式(3)中環(huán)剛度與彈性模量的關(guān)系，管線在長期運(yùn)行過程中的壁厚和直徑變化很小，所以，PE管長期環(huán)剛度也會(huì)是初始環(huán)剛度的1/4左右。在某地排水管網(wǎng)實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，大量的PE管線運(yùn)行5年后，存在豎向變形過大，甚至結(jié)構(gòu)破壞的問題，經(jīng)研究分析，除了管材質(zhì)量原因，工程技術(shù)人員未對(duì)環(huán)剛度進(jìn)行長期和短期的區(qū)分也是主要原因。

3 結(jié)論

作為粘彈性的材料，PE管具有蠕變和應(yīng)力松弛兩個(gè)特征，從而使得管材在長期使用中的抗拉強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，為了保證工程安全，應(yīng)當(dāng)采用50年后的抗拉強(qiáng)度和彈性模量作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，而這兩個(gè)值是通過長期靜液壓試驗(yàn)獲取的。因此，PE管的設(shè)計(jì)理念與球墨鑄鐵管和鋼管等金屬管材差異很大，金屬管材可以將生產(chǎn)時(shí)檢測出的性能指標(biāo)直接用于工程設(shè)計(jì)，而PE管僅可以將生產(chǎn)時(shí)檢測出的初始性能指標(biāo)作為質(zhì)量合格的判斷依據(jù)，不可以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，只有長期靜液壓試驗(yàn)推算出的指標(biāo)方可指導(dǎo)。我們常常聽到一些塑料廠家宣傳“管用50年”的概念，其理論上的真正含義是，管材在持續(xù)內(nèi)外荷載作用下，性能指標(biāo)的下降值應(yīng)當(dāng)能滿足工程50年的使用，并不意味著塑料管材無需防腐可以保證使用50年。

在我國排水PE管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19472.1《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》中僅列出材料的初始性能參數(shù)，如與工程相關(guān)的環(huán)剛度、抗拉強(qiáng)度和彎曲模量等，而對(duì)長期性能參數(shù)沒有做出說明；另外，工程技術(shù)人員對(duì)PE管材不甚理解，直接將這些初始參數(shù)用于工程設(shè)計(jì)，所以我國排水PE管的工程質(zhì)量事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于給水PE管，在此也希望引起給排水工程技術(shù)人員對(duì)這一問題的重視。

在我國有許多熱塑性或熱固性管材用于給排水管道工程，如PVC管、玻璃鋼管和聚乙烯復(fù)合管等，PE管的許多特性與之相同，本文闡述的觀點(diǎn)也可以作為這些管材的設(shè)計(jì)參考。