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管材環剛度的基本常識 

發布時間:2019/08/20
管材環剛度的基本常識

排水管道系統的力學評價主要有環剛度、環柔度、縫拉伸、剝離、蠕變比率.沖擊及系統適用性,其中環剛度、環柔度、蠕變比率方法近似模式相同其設備電子萬能試驗機同時可引申進行縫拉伸剝離等試驗;落錘沖擊試驗機可進行各種沖擊試驗;不同領域的管道也有不同的系統適用性評價方法和設備。

一、環剛度   

1.理論依據

環剛度是無壓管最主要的設計和測試指標,就像有壓管道的耐內壓試驗一樣。相應標準為GB/T 9647《熱塑性塑料管材環剛度的測定》、 ISO 9969《熱塑性塑料管--環剛度的測定》、 ASTM D 2412、DIN 16961等。通過環剛度的評價和測試來確定管道能否在埋地受外力情況下保持長期性能和使用功能不發生大的變化。

環剛度的定義是單位長度試樣垂直變形單位尺寸所需的力(kN)。根據材料力學,管材在受到垂直力作用下的徑向變形。

  Y=0.149FR3/EI

則  EI=0.149R3 F/ Y

式中: F——力;R——半徑;E——彎曲彈性模量;I——慣性矩

在中國及ISO,環剛度 S=EI/D3(德國S=EI/R3)。

則S= EI/ D3 = 0.149R3F/ D3 =0.149R3F /8R3 = 0.018625 F/ YL ;考慮到不同變形所對應的力的非線性關系將0.0186這個系數調整為0.0186+0.025ΔY/d 就是現在GB/T 9647、ISO 9969環剛度的公式:

2.測試原理與方法

其實某一特定樣品環剛度是可以通過S=EI/D3“計算和設計出來”,但生產過程中的變化可能造成直徑“慣性矩”甚至“彈性模量”都發生變化。所以針對于每一個不同的樣品可以按環剛度的公式和相關標準規定對管道施外壓力,通過內徑的變化與施加外力的關系通過0.018625 F/ YL來測量環剛度。這就是我們平時所進行的環剛度測量。

3.我國環剛度測量的發展過程

開始GB/T 9647-88及GB/T 5352《纖維增強熱固性塑料管平行板外載性能試驗方法》中均采用與ASTM D 2412相同的公式,但玻璃鋼管GB/T 5352有剛度因子0.149r3。。

(kN m)

后來在九六年GB/T 1002.3-96及YD/T 841-96中第一次出現現在的環剛度公式(但當時5%變形所以系數0.01985)。

 0.01985F/ΔYL

九七年GB/T 16800-97正式出現現在的環剛度公式(系數0,01935)。

(m kN)

2003年的GB/T 9647-2003正式以方法標準形式確定現在的環剛度公式(系數0,01935)

4.環剛度評價應注意問題

(1) GB/T 9647-88中的“耐外負荷試驗”不是現在意義上的環剛度試驗,其數值與現在的環剛度大約差1/0.0186=53.7倍?,F在美國仍按這個方法測試,所以美國剛度可達100-500。

(2)在玻離鋼管中也是這個公式按GB5352(ASTM D2412),但同時有剛度因子0.149r3?!?/span>

(3)盡管當時有GB/T 9647-88,但在新9647-2003出來之前產品標準均未按此方法來表述,而是在產品標準中單獨規定測試方法,如:GB/T 1002.3-96 YD/T 841-96及 GB/T 16800-97。

(4)在上述相關標準中早期按5%變形量測試環剛度(GB/T 1002.3、 YD/T 841)此時系數為0.01985,但GB/T 16800是按3%變形來測量環剛度(系數0.01935),實際上就是現在的GB/T 9647(9969)。

(5)3%變形與5%變形測量時原理是一樣的,因此時都在“彈性段范圍內”(實際上環剛度就應該是曲線斜率),但由于塑料的拉伸和壓縮線性段非常小,而且其彈性段并不規范(不是絕對的線性),所以3%測量與5%測量時所對應的力并不“絕對”線性。必須調整系數(0.01935 、0.01985 )這就是現行標準環剛度公式的來由。

(6)我國現行標準GB/T 9647是按照環剛度與直徑立方成反比(EI/D3)來表述的,而德國標準DIN 16961是按與半徑立方(EI/r3)成反比表述的,所以兩者相差大約8倍(德國標準中的環剛度數值比較大,如125)。在測量時我國及ISO按恒速方法測量,而DIN中按恒負荷測量(24小時)。

在試樣尺寸方面我國及ISO為0.2d加三個完整的波峰波谷,而DIN為5個完整的波峰波谷。

(7)玻璃鋼管GB/T 21238中環剛度的表述為N/m2(Pa),而不是KN/m2(KPa),分級也不一樣,分為1250 2500 5000 和10000。它們也是按照3%的變形量來測量的即0.01935(F/△YL)。

(8)所有標準中均要求測量環剛度時用內徑測量的方式,但小口徑實壁管內、外徑測量影響不大,而大口徑結構壁管影響很大。

(9)現有些產品如JT/T 225 單個波峰波谷之間距離大(可達210)又不能切的很平,所以試樣尺寸遠大于0.2D,所以試驗力會很大,同時要求機器必須加寬。

(10)玻璃鋼管(GB/T 21238)測量環剛度時由于它的彈性段很長又需要進行初始撓曲性的測試(10000N/m2)系列的撓曲性可達15%,所以力更大,一般可達10——20噸。

(11)環柔度試驗,上述玻璃鋼管的撓曲性其實也是環柔度,其它塑料管的環柔度(扁平)要求做到30%的變形(原來要求50%),但由于其彈性段比玻璃鋼管小的多,所以30%至50%時的力也比玻璃鋼的小。

(12)試驗力的估算:當剛度為8kPa,1m內徑3%時300毫米長時4kN左右(實際上應為3.72KN左右)。當條件發生變化時(剛度、直徑、變形量、試樣長度)可相應估算出試驗力值。

3%時1m內徑8KPa剛度:1/0.01935=51.68*0.009=0.465*8=3.72KN

相對于5%變形時: 1/0.1985=50.4*0.015=0.756*8=6.048KN

(13)實際試驗時為保證能夠測到要求變形量時的力應將變形量設置的大一些;有些不能進行自動運算的機器可按上述的公式大概計算進行合格與否的評判。試驗數量大時也可自行設定某一力值下限作為合格與否的評判。

(14)蠕變比率試驗(GB/T 18042)用類似DIN 16961恒力的方法進行1008個小時試驗測量不同時間的變形將變形與時間的關系進行數學回歸推算兩年后的變形。

5.環剛度新標準報批稿(GB/T 9647-201X)的新要求

(1)試樣要求

試樣長度:

公稱直徑小于或等于1500mm的管材,試樣的平均長度應為(300±10)mm;

公稱直徑大于1500mm的管材,試樣的平均長度應不小于0.2DN;

對有垂直的肋、波紋或其它規則結構的結構壁管材,切割試樣時應至少包含一個完整的肋、波紋或其它的規則結構,切割部位應在肋、波紋或其它規則結構之間的中點。

試樣的長度應有最少的完整的肋、波紋或其它規格結構,其長度應不小于290mm,對公稱直徑大于1500mm的管材,長度應不小于0.2DN。

對于有螺旋的肋、波紋或其它規格結構的結構壁管材,試樣的長度應等于(di±20)mm,但不小于290mm,也不大于1000mm

對于有螺旋的肋、波紋或其它規格結構的結構壁管材,試樣的長度應等于(di±20)mm,但不小于290mm,也不大于1000mm

(2)速度要求

    DN≤100的管材壓縮速率(2±0.1)mm/min;100<DN≤200的管材壓縮速率(5±0.25)mm/min;200<DN≤400的管材壓縮速率(10±0.5)mm/min;400<DN≤710的管材壓縮速率(20±1)mm/min;DN>710的管材壓縮速率(0.03×di)±5%a。

(3)預加力要求

di≤100mm的管材,F0為7.5N。

di >100mm的管材,用公式計算F0,結果圓整至1N。

F0=250×10-6×DN×L

式中:DN——管材公稱直徑;

                                             L ——試樣實際長度

(4)零點

零點(曲線原點)調整新老標準都有要求但如果施加予負荷實際上零點誤差很小,況且現在測試設備是用數學模型測量斜率(就是環剛度)所以調整與否影響不大。

6.CJT225-2011埋地排水鋼帶增強PE螺旋波紋管的試樣長度要求

試樣形狀

試樣應包括幾個(公稱內徑300mm~1200mm為三個以上,1300mm以上為二個)完整波形的管材截面。由于單個波峰波谷之間距離大(最大可達210)又不能切的很平,所以試樣尺寸遠大于0.2D,所以試驗力會很大,同時要求機器必須加寬。

冀公網安備 13080502000098號

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