劉 軍,杜曉杰
(1.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司,天津 300452;2.天津北海油人力資源咨詢服務(wù)有限公司,天津 300452)
海洋工程中,用于輸送介質(zhì)的管道除鋼管外,還有復(fù)合柔性軟管。無(wú)論是鋼管還是復(fù)合柔性軟管,都會(huì)用聚合物作為功能層。管道在生產(chǎn)、鋪設(shè)、安裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,選材階段可利用彎曲模量來(lái)評(píng)價(jià)材料抵抗彎曲變形的能力。試驗(yàn)過(guò)程中,由于工程指標(biāo)區(qū)間較大,無(wú)法表征結(jié)果的分散性,因此采用測(cè)量不確定度來(lái)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)[1],此參數(shù)能夠在一定程度上反映出測(cè)量數(shù)值是否可信[3]。
測(cè)量不確定度就是合理地對(duì)被測(cè)量參數(shù)進(jìn)行多次測(cè)量(在統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)下),從而得到結(jié)果的分散性。測(cè)量不確定度是與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的一個(gè)參數(shù),可用來(lái)表征被測(cè)量值分散性的合理性。分散性的含義是一個(gè)量值區(qū)間,也就是測(cè)量結(jié)果在這個(gè)區(qū)間出現(xiàn),而不是一個(gè)定值[8]。彎曲模量試驗(yàn)是通過(guò)撓度值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值,根據(jù)規(guī)定的應(yīng)變值得出結(jié)果。由于試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)其影響的因素比較多,通過(guò)對(duì)影響因素的分量不確定度進(jìn)行計(jì)算,得出擴(kuò)展不確定度,這對(duì)彎曲模量測(cè)試來(lái)說(shuō)有著重要性意義。
根據(jù)ISO 178:2019《Plastics-Determination of flexural properties》[2],在室溫條件下,采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法,根據(jù)應(yīng)變數(shù)值要求記錄下試樣彎曲撓度變化下的應(yīng)力值。聚氨酯材料彎曲模量的指標(biāo)值為735MPa,相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1 聚氨酯材料彎曲模量試驗(yàn)結(jié)果
CMT4104電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),測(cè)量范圍(0~10)kN,試驗(yàn)力值示值誤差±1.0%,移動(dòng)橫梁位移相對(duì)誤差±0.5%,橫梁移動(dòng)速度示值誤差±1.0%;游標(biāo)卡尺,測(cè)量范圍(0~200)mm,允許誤差±0.05mm;鋼直尺,測(cè)量范圍(0~300)mm,示值誤差±1mm。
A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是利用統(tǒng)計(jì)分析法來(lái)評(píng)定的,由貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差S:
(1)
(2)
彎曲模量試驗(yàn)過(guò)程中,影響試驗(yàn)結(jié)果的因素較多,如試樣寬度和厚度數(shù)值重復(fù)性,彎曲模量結(jié)果重復(fù)性,試驗(yàn)設(shè)備、量具、測(cè)量結(jié)果的修約等。其中,試樣寬度和厚度數(shù)值重復(fù)性、彎曲模量結(jié)果重復(fù)性屬于A類不確定度評(píng)定,其他影響因素屬于B類不確定度評(píng)定[3]。分別對(duì)各分量不確定度進(jìn)行計(jì)算,得出合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度[4,7],即:
(3)
式中,μA1.rel為樣品寬度測(cè)量結(jié)果重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度μA1相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;μA2.rel為樣品厚度測(cè)量結(jié)果重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度μA2相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;μA3.rel為彎曲模量測(cè)量結(jié)果重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度μA3相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;μB1.rel為試驗(yàn)裝置位移、載荷、橫梁位移速度引入的不確定度μB1相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;μB2.rel為游標(biāo)卡尺引入的不確定度μB2相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;μB3.rel為跨度引入的不確定度μB3相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;μB4.rel為數(shù)值修約引入的不確定度μB4相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。
彎曲撓度的計(jì)算公式:
(4)
式中,Si為彎曲撓度,mm;εfi為相應(yīng)的彎曲應(yīng)變,εf1=0.0005,εf2=0.0025;L為跨度,mm;h為試樣厚度,mm。
(5)
式中,σf為彎曲應(yīng)力,MPa;Fi為施加的力,N;L為跨度,mm;h為試樣厚度,mm;b為試樣寬度,mm。
彎曲模量計(jì)算公式:
(6)
綜合式(4)和式(5),可得:
(7)
式中,Ef為彎曲模量,MPa;Ff1為撓度s1時(shí)的力值,N;Ff2為撓度s2時(shí)的力值,N。
3.3.1 試樣寬度b引入的不確定度
則試樣寬度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度μA1.rel=(0.043/10.29)×100%=0.42%。
3.3.2 試樣厚度h引入的不確定度
則試樣厚度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度μA2.rel=(0.022/3.09)×100%=0.72%。
3.3.3 彎曲模量Ef引入的不確定度
則彎曲模量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度μA3.rel=(6.44/743)×100%=0.87%。
3.3.4 試驗(yàn)裝置位移、載荷及橫梁位移速度引入的不確定度
按照校準(zhǔn)周期每年對(duì)試驗(yàn)設(shè)備位移/載荷以及橫梁位移速度進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如2-表4表所示。
表2 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
表3 試驗(yàn)裝置位移校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
表4 試驗(yàn)裝置橫梁位移速度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
3.3.5 游標(biāo)卡尺引入的不確定度
游標(biāo)卡尺引入的不確定度通過(guò)專業(yè)計(jì)量單位校準(zhǔn)證書查到,μB2=0.03(k=2)。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度μB2.rel=(0.03/2)/200×100%=0.0075%。
3.3.6 跨度引入的不確定度
3.3.7 數(shù)值修約引入的不確定度
根據(jù)式(3),可以將各分量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成為合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度μc.rel:
擴(kuò)展不確定度是合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與包含因子的乘積。取置信概率為95%,包含因子k=2,故擴(kuò)展不確定度μ=μck=13.2×2=26.4MPa(k=2)。
通過(guò)測(cè)量不確定度各分量的評(píng)定可知,跨度測(cè)量精度對(duì)彎曲模量的影響較大,因此在試驗(yàn)過(guò)程中,跨度的測(cè)量要采用經(jīng)過(guò)計(jì)量的鋼直尺。在測(cè)量過(guò)程中,試驗(yàn)操作人員要嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作,以減少操作過(guò)程中引起的誤差。