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管材环刚度和环柔度试验区别解析

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浏览: 发布日期:2020-8-27 13:36:46【

                                                                                             

                                                                                             

                                                                                             

什么是环刚度?

埋地铺设塑料管有两类,一类是内部有压力的,习惯称为压力管道,如输送水管道或燃气的管道;一类是内部是没有压力(或很低压力)的,如:污水管道或雨水管;称为无压管道Non-pressure Pipe ’ 

压力管道的承受的负载有内部压力和外部的压力。通常内部压力产生的应力是造成管材破坏的主要因素,破坏的形式是管壁内的拉应力造成的变形过大和破裂(塑料管通常是由蠕变造成)。设计时一般先按承受内压,选择材料和结构数据(如壁厚),然后再考虑外压负载进行设计验算,必要时修改结构数据。

无压管道承受外压负载(通常内压负载忽略不计)。破坏的形式是外压负载造成管材变形过大或压屈失稳(Buckling)。设计时按照外压负载进行设计计算,选择材料和结构数据。本文讨论的塑料埋地排水管是指无压管道。

外压负载比较复杂,主要包括土壤重量和地面产生的静负载,以及运输车辆经过时产生的动负载。塑料埋地排水管承受负载的机理也比较复杂,因为塑料管属于柔性管(Flexible Pipe),在外压负载下管材和周围的土壤(回填材料)产生管土共同作用。换句话说,是管材和周围土壤(回填材料)共同来承受外压负载。

世界各国在埋地管道的设计计算方面还没有完全一致的方法,但是绝大多数国家都以美国SpanglerR公式(或称Spangler lowa 公式)作为计算埋地柔性管外压负载下变形量的基础公式(根据变形量再计算出管材内的应力)。


我国的国家标准和国家级的设计规程也是以此公式为基础的。以下是我国CECS 164标准埋地聚乙烯排水管道工程技术规程中计算塑料埋地排水管在外压负载下,竖向管道变形量的公式;

决定埋地柔性管外压负载下变形量的一方面是负载的大小(公式中分子部分),另一方面是管材结构性能和周围土壤结构性能两者之和(公式中分母部分的两项)。

所以,决定塑料埋地排水管铺设后能否正常工作的,负载管材土壤(回填)三个参数都很重要,而且相互影响。

根据承受负载的管土共同作用,从以上公式中我们可以看到管材的结构性能是决定能否承受负载的重要参数。这个管材参数(抗外压负载)由三个由管材材料、结构和尺寸决定的因素(Ep Ip ro):

Ep---管材短期的弹性模量(kN/m

Ip----管道纵截面每延米管壁的惯性矩(m4/m

ro----管道计算半径(管壁中性轴半径)(m

所以,从理论上讲,每当我们进行塑料埋地排水管设计时必须首先知道这三个数值,然后才能放在公式中去设计计算。从道理上讲,如果设计时根据了这三个数值,生产企业提供的管材就要保证这三个数值。

但是,在实践中这三个数值不容易获得。首先,管材的弹性模量不容易测量,采用不同牌号和不同配方的原材料弹性模量都会有很大变化。此外,管道纵截面每延米管壁的惯性矩很难计算(埋地塑料排水管一般采用结构壁管,结构截面常常是比较复杂的几何形状),结构尺寸(如壁厚)的变动会造成惯性矩明显变化。

而且,在设计确定以后,如果要求制造厂保证这三个数值都不变也是很不现实的。

能不能找到一个在实际生产和应用中容易获得、容易检查和容易保证的管材参数(抗外压负载)的方法呢?有一个国际公认的方法,就是引入名称为环刚度的数值指标。

国际标准ISO对于环刚度S的定义是(见ISO9967 Annex A):

E材料的弹性模量I惯性矩D管环的平均直径单位是KN/m2

所以,计算竖向管道变形量的公式可以直接用环刚度数值表示为

其中Sp就是国际标准规定的环刚度。

D=2 ro = =8Sp

这样,只要知道环刚度Sp的数值,不需要知道弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro的确切数值就可以进行设计计算。而环刚度Sp的数值可以通过对管材的实际测量来获得。通过对管材的实际测量来获得环刚度Sp的方法已经标准化,就是国际标准ISO 9969:1994。我国国家标准GB/T 9647-2003 (不是已经被代替的GB/T 9647-1988热塑性塑料管材环刚度的测定等同采用了ISO 9969:1994

国家标准GB/T 9647-2003测定环刚度的方法比较简单:按要求的方法在两个平行的平板间压缩一段管材,测量在管直径方向变形达到3%时的作用力F,就可以按照以下公式计算出管材的环刚度:

其中,F –相对于管材3%变形时的力值(kN

L –试样长度(m

Y –变形量(m d—内径(m

为什么用此标准方法实际测量出来的环刚度可以确认为就是我们需要的EI/D数值呢?

因为在两个平行平板间压缩管段产生变形是一个典型的材料力学问题。利用材料力学的分析方法可以证明变形量,作用力和管材的参数EI/D—环刚度有以上公式所表示的明确关系。

国际上都广泛应用环刚度这个数值指标来表示塑料埋地排水管的抗外压负载能力。因为:1)不需要知道弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro的确切数值,只要知道环刚度Sp的数值就可以进行设计计算;

2)环刚度Sp的数值可以通过对管材的实际测量来获得;

3)生产厂只要保证环刚度达到要求,不必保证弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro都达到要求。而且环刚度在生产厂可以通过经常检测进行控制。

需要注意的是环刚度是有明确定义的,是塑料埋地排水管设计计算的基础,其测定的方法是由国家标准(国际标准)严格规定的。我们塑料埋地排水管发展很快,因为不了解环刚度的定义和标准,有时出现混淆和误用的情况。

有的企业不按国家标准GB/T 9647-2003(等同ISO 9969:1994)测定(例如,不用平行平板而用两V型板压缩,或者在管侧加限制。),但是把测出的数值称为环刚度。用户据此设计计算必然失误。

有的地方把国家标准GB/T 9647-2015(等同ISO 9969:1994)定义和测定的环刚度和德国标准DIN16961定义和测定的环刚度(英文同样用ring stiffness 、或者和美国标准ASTMD2412的定义和测定的管刚度Pipe Stiffness’混淆。结果出现了双壁波纹管环刚度达到几十千帕的检测报告。本文对于国家标准GB/T 9647-2015ISO标准ISO 9969:1994)的环刚度(英文ring stiffness)和DIN标准的环刚度(英文同样用ring stiffnessASTM标准的管刚度Pipe Stiffness’之间的差别不再详细说明,这里只是提醒务必注意不同国家的不同标准中对于管材抗外压负载定义的刚度数值指标有不同的定义和相应不同的测定方法,在国内必须统一按国家标准采用GB/T 9647-2015规定的环刚度,在对外交流中则必须问清楚是按那个标准的刚度数值。国际市场趋向统一,越来越多国家接受按ISO标准,ISO 9969:1994已经被欧洲标准组织接受为欧洲标准EN ISO 9969:1995


什么是环柔度

环柔度是基于GB/T 9647-2015中,8试验步骤内注释含义,规定下压速度情况下,下压管材平均外壁的30%,观察管材有无损坏无反相弯曲。

环刚度和环柔度试验区别是什么

简单来说,环刚度是在规定下压速率情况下,下压管材平均内壁的3%变化值,套入公式计算出的实验结果。而环柔度是规定下压速度情况下,下压管材平均外壁的30%。由此可见,这两个试验虽然试验步骤相似,但对于下压行程的取值是不一样的,环刚度是通过环刚度试验机中内经测量装置,在试验过程中测量内壁变化的3%,而环柔度是在试验前准备中,就在环刚度试验机软件中规定好了下压的行程,也就是外壁的30%



PC机控制软件,实现试验力、试验力峰值、横梁位移、试验变形及试验曲线的屏幕显示,操作直观简便。具有超载、过流和过压保护功能,并配有管材内径测量系统,能准确地测量管材的内径变化。传动系统通过由PC机和单片机组成的分布式控制系统控制全数字交流伺服电机,按试验标准要求的速度带动中横梁上下移动,通过试样压板对管材试样施加压力,力值检测部分采用分段线性校正方法保证了该机的高精度,高稳定性。该系列环刚度试验机已通过欧盟产品CE认证。

 标准:

    按照《热塑性塑料管材环刚度的测定》标准中所述:用管材在恒速变形时所测得的力值和变形确定环刚度。将管材试样水平放置,根据管材的直径确定平板的压缩速度,用两个互相平行的平板垂直方向对试样施加压力。在变形时产生反作用力,用管材试样截面直径方向变形为0.03di(di为管材试样内径) 时的力计算环刚度。

 符合GB/T9647、ISO9969、ASTM D2122等标准要求。


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