搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的長期靜液壓強度計算

李明軒

搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的長期靜液壓強度計算

李明軒

(四川大學高分子科學與工程學院,四川成都610065)

將16～32規格的搭接焊鋁塑管的長期靜液壓試驗曲線外推至50年,通過考慮與對接焊鋁塑管相同的總體設計系數(C=1.25),證明在T0=95℃的長期工作溫度下,16～32規格的搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的允許工作壓力(P0)相當。搭接焊鋁塑管也能滿足95℃、1.25 MPa下使用壽命為50年的要求。根據國家標準對搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的鋁管層最小壁厚和最小拉伸強度的要求,計算出16～50規格的搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的P0。結果表明,小規格二者的P0相當,大規格對接焊鋁塑管的P0優勢明顯。

鋁塑管;對接焊;搭接焊;長期靜液壓強度

Abstract:The long-term hydrostatic pressure test curves of overlap-welding aluminum-plastic pipes with diameters of 16 mm to 32 mm were extrapolated to 50 years by considering the same overall design factor as 1.25 with butt-welding aluminum-plastic pipes.It showed that at 95℃long-term operating temperature,overlap-welding aluminum-plastic pipes with diameters of 16 mm to 32 mm had a comparative allowable working pressure(P0)compared with butt-welding aluminum-plastic pipes,and could meet the requirements of the 50-year service life under 95℃and 1.25 MPa.According to the requirements of minimum thickness and minimum tensile strength of aluminum layer in national standards,P0of the overlap-welding aluminum-plastic pipes and butt-welding aluminum-plastic pipes with diameters of 16 mm to 50 mm was calculated.The results showed that both had the sameP0for the small size,but butt-welding aluminum-plastic pipes had the obvious advantage for the large size.

Key words:aluminum-plastic pipe;butt-welding;overlap-welding;long-term hydrostatic pressure strength

0 前言

鋁塑管因其輕質、高強、耐溫、耐壓、彎曲不反彈、安裝方便且100%隔絕氣體滲透等優點,廣泛應用于建筑冷熱水、室內燃氣和高溫散熱器采暖等領域。根據鋁管焊接方式不同可分為搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管。搭接焊是通過超聲波能量使搭接鋁帶界面處熔化而焊接成管,因為是搭接,焊接面較寬,所需鋁帶較薄。對接焊是通過氬弧或激光的高溫使對接處鋁帶完全熔化成管。因為要保證對接時的焊接面積,所需鋁帶較厚。由于對接焊鋁管更厚,通常認為對接焊鋁塑管比搭接焊鋁塑管適用于更高溫度和壓力的場合,GB/T 18997.2—2003《鋁塑復合壓力管第2部分：鋁管對接焊式鋁塑管》中規定XPAP1和XPAP2在95℃長期工作溫度 (T0)下,P0=1.25 MPa[1]。而 GB/T18997.1—2003《鋁塑復合壓力管第1部分：鋁管搭接焊式鋁塑管》中規定XPAP在82℃長期工作溫度下,P0=0.86 MPa[2],國標中2種鋁塑管的T0和P0相差如此懸殊的根本原因在于：制訂 GB/T 18997.2—2003時依據ASTM F1335：1998中對接焊鋁塑管的長期靜液壓曲線,T0=95℃和P0=1.25 MPa都可從長期靜液壓曲線外推得到[3];而制訂 GB/T 18997.1—2003時依據ASTM F1281：2001中的搭接焊鋁塑管則沒有長期靜液壓曲線[4]。經過十幾年的優勝劣汰,搭接焊鋁塑管已占據國內主流地位,在北方地區的高溫散熱器采暖領域應用歷史已超過15年,至今運行良好,多年工程應用實踐證明搭接焊鋁塑管一樣可以在溫度和壓力較高的場合使用,但未有理論依據。

隨著鋁塑管行業的不斷發展和進步,國產鋁塑管已行銷全球100多個國家,制造商為了占據全球市場而需要進行產品認證,長期靜液壓試驗是產品認證中最重要的一項測試。本文根據佛山日豐企業有限公司在德國SKZ實驗室所作16～32規格搭接焊鋁塑管的長期靜液壓試驗曲線外推,并且與 GB/T 18997.2—2003附錄E的對接焊鋁塑管試驗壓力-持續時間曲線外推結果相比較,證明在T0=95℃時,16～32規格的搭接焊鋁塑管 XPAP與對接焊鋁塑管 XPAP1和XPAP2的P0相當,并從2種鋁塑管的靜液壓強度試驗和鋁管層理論強度計算得到了驗證。

1 長期靜液壓曲線

ISO17456《塑料管道系統——確定多層管長期強度》中規定：由1層以上聚合物應力層構成的管道稱為P型多層管;由聚合物應力層和1層或1層以上金屬應力層構成的管道稱為M型多層管。P型多層管的長期靜液壓強度可以由各應力層的內壓強度疊加計算,如式(1)所示。而M型多層管的長期靜液壓強度則需要實際測試[5]。

式中dn——應力層的外徑,mmen——應力層的壁厚,mmσn——環向應力 ,MPa

圖1是德國SKZ實驗室對佛山日豐企業有限公司生產的搭接焊鋁塑管 PE-Xb/Al/PE-Xb按DVGWW542的3.4.5節測試得到的長期靜液壓試驗曲線。該測試方法將 ISO 9080對不同溫度下復合管靜液壓破壞試驗數據按四參數模型計算的長期靜液壓強度(PLPL)與對應的破壞時間(t)作圖。PLPL表示在溫度(T)和時間(t)預測的靜液壓強度的97.5%置信下限。不同規格搭接焊鋁塑管95℃、50年的PLPL值如表1所示。

表1 搭接焊鋁塑管50年的PLPL值Tab.1PLPLof overlap-welding pipes extrapolated to 50 years

從對接焊鋁塑管的95℃長期靜液壓曲線外推,其50年的PLPL值為1.56 MPa。

表1中的PLPL值除以一個考慮實際使用條件和管道系統組件性能的總體設計系數(C),即為該系統50年設計壓力(PD)或P0。多層復合管的總體設計系數(Ctot)可由各應力層設計系數(Ci)和該層壁厚(ei)在總壁厚(etot)中所占比例計算,如式(2)所示。

作為對比,假設搭接焊鋁塑管與對接焊鋁塑管的總體設計系數相同。根據 GB/T 18997.2—2003附錄E外徑16～32的 XPAP1和XPAP2對接焊鋁塑管試驗壓力-持續時間曲線圖,選取95℃曲線外延到50年,對應的縱坐標試驗壓力讀數為1.56 MPa,除以XPAP1和XPAP2在95℃時的允許工作壓力1.25 MPa,得到C=1.248,取值1.25。表1中搭接焊鋁塑管的PLPL除以1.25,得到搭接焊鋁塑管50年95℃下的允許工作壓力,如表2所示。

表2 搭接焊鋁塑管的允許工作壓力Tab.2P0of overlap-welding pipes

由表2可知,16～32搭接鋁塑管長期工作溫度95℃時的允許工作壓力與同規格的對接焊鋁塑管相當,可以滿足95℃、1.25 MPa、50年的設計使用壽命。比 GB/T 18997.1—2003中表1規定的 XPAP允許工作壓力0.86 MPa高出許多,說明該標準中對搭接焊鋁塑管長期工作溫度和允許工作壓力的規定極不合理。

2靜液壓強度試驗

圖1 搭接焊鋁塑管的長期靜液壓曲線Fig.1 Long-term hydrostatic pressure test curves of overlap-welding pipes

鋁塑管出廠檢驗項目中的靜液壓強度試驗是管材在給定溫度和壓力下,安全使用50年的重要保障,為保證產品質量穩定,國家標準要求每90 km或7天產量為1個出廠檢驗批次,因此,靜液壓強度試驗通常是從長期靜液壓曲線中取1 h或10 h的短期壓力值作為測試壓力,型式檢驗項目可取1000 h或更長的時間為壓力驗證點,以保證所生產的鋁塑管符合長期靜液壓曲線,從而保證其 50年的外推使用壽命。GB/T 18997.2—2003中表6列出的靜液壓強度試驗數據就是根據附錄E中70℃和95℃曲線1 h對應的橫坐標試驗壓力值得來的。將 GB/T 18997.2—2003的表6與 GB/T 18997.1—2003的表6列出的16～32規格的XPAP靜液壓強度試驗數據整理簡化成表3。

通常認為對接焊鋁塑管比搭接焊鋁塑管使用溫度和壓力更高是基于國家標準出廠檢驗靜液壓強度指標中對接焊鋁塑管的要求更高。那么 95℃、1 h的2.42 MPa和82℃、10 h的2.72MPa哪個要求更高?

由于沒有82℃的長期靜液壓曲線,我們只能作近似估算。在 GB/T 18997.2—2003附錄 E的95℃曲線和70℃曲線間的中間位置虛擬1條82℃曲線,該曲線在時間10 h時對應的試驗壓力為2.5 MPa,即82℃、10 h的壓力驗證點應為2.5 MPa。顯然,搭接焊鋁塑管標準中2.72 MPa的要求更高。換句話說,對接焊鋁塑管標準中P0和T0均高于搭接焊鋁塑管,但其出廠靜液壓強度指標則低于搭接焊鋁塑管。

實驗結果也證實能通過82℃、2.72 MPa、10 h測試的管材也一定能通過95℃、2.42 MPa、1 h的測試,反之則不盡然。

表3 搭接焊與對接焊鋁塑管靜液壓強度測試方法比較Tab.3 Comparison of hydrostatic pressure test between overlap-welding and butt-welding aluninum-plastic pipes

3 鋁管強度計算

鋁塑管是由聚乙烯材料和鋁材這2種彈性模量相差很大的材料組成,尤其是在高溫的情況下。在聚乙烯和鋁之間有1層熱熔膠保證其始終處于黏合狀態,受到內壓時聚乙烯層和鋁管層的環向應變相等。因此,聚乙烯層和鋁管層承受的環應力之比就等于二者彈性模量之比。由于鋁材彈性模量遠大于聚乙烯材料,鋁管層承受了大部分的環應力。隨負載時間延長,鋁管層彈性模量不變,聚乙烯材料則因為應力松馳導致彈性模量下降,鋁管層承受的環應力比例將進一步提高。GB/T 18997.1—2003的附錄D.2.2強調了鋁塑管在長期強度方面的金屬特性。

張玉川根據鋁的彈性模量EA1=7×104MPa,聚乙烯的短期彈性模量EPE=850 MPa,長期彈性模量為200 MPa,計算規格為20的對接焊鋁塑管,得到鋁管層短期負載比例為93%,長期負載98%的結論[6]。

Farshad根據EA1=7×104MPa,EPE短期為1×103MPa,長期為150 MPa,用其自己開發的管道計算軟件計算規格為20的搭接焊鋁塑管,得到鋁管層短期負載比例78%,長期負載88%的結論[7]。

上述分析和計算結果表明,無論是搭接焊還是對接焊鋁塑管,鋁管層強度是決定P0的關鍵因素。鋁管層的P0可通過式(3)來計算。

式中P0——鋁管長期工作壓力,MPa

ea——鋁管層厚度,mmda——鋁管層直徑,mm

σa——鋁管層環應力,MPa

為了簡化計算,假設所有規格的鋁管層均位于鋁塑管正中央,內外層塑料管壁厚相等,分別根據GB/T 18997.1—2003和 GB/T 18997.2—2003中表3要求的公稱外徑(dn)、參考內徑(di)和鋁管層最小壁厚(ea)來計算搭接焊和對接焊鋁管外徑,如式(4)所示。

GB/T 18997.1—2003中5.4規定鋁材的拉伸強度應不小于100 MPa,取搭接焊鋁管σa=100 MPa。

GB/T 18997.2—2003中5.4規定鋁合金材料拉伸強度應不少于80 MPa,純鋁材料拉伸強度應不小于60 MPa。本文所討論的是適合較高工作溫度和流體壓力下使用的對接焊鋁塑管 XPAP1和 XPAP2,標準規定用鋁合金材料,故取對接焊鋁管σa=80 MPa,據此計算的鋁管的P0見表4。

由表4可知,16～25的搭接焊鋁管與對接焊鋁管的P0相差不大,原因是搭接焊鋁帶要求的拉伸強度比對接焊鋁帶高20%,這在一定程度上抵消了厚度上的劣勢;32以上的搭接焊鋁管的P0比對接焊管差許多,說明大規格鋁塑管應用時,對接焊比搭接焊更有優勢。但所有規格搭接焊鋁管的理論強度均高于1.25 MPa。

表4 鋁管的外徑和允許工作壓力Tab. Outside diameters and operating pressure of aluminum layers

4 結論

(1)將實測的16～32規格搭接焊鋁塑管的長期靜液壓試驗曲線外推至50年,考慮相同的總體設計系數C=1.25,證明在95℃長期工作溫度下,搭接焊鋁塑管XPAP與對接焊鋁塑管XPAP1和XPAP2的P0相當。搭接焊鋁塑管也能滿足95℃、1.25 MPa、50年的使用要求;

(2)在標準的95℃曲線和70℃曲線的中間位置虛擬1條82℃長期靜液壓曲線并取壓力驗證點比較,證明搭接焊鋁塑管標準中的出廠檢驗要求(82℃、2.72 MPa、10 h)高于對接焊鋁塑管的出廠檢驗要求(95 ℃、2.42 MPa、1 h);

(3)根據國標對搭接焊與對接焊鋁管層最小壁厚和最小拉伸強度的要求,計算出規格16～50的搭接焊與對接焊鋁管層的P0。證明小規格二者P0相當,大規格對接焊鋁管層P0優勢明顯。

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 18997.2—2003鋁塑復合壓力管第2部分：鋁管對接焊式鋁塑管[S].北京：中國標準出版社,2003.

[2] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 18997.1—2003鋁塑復合壓力管第1部分：鋁管搭接焊式鋁塑管[S].北京：中國標準出版社,2003.

[3] ASTM Committee F17.F1335-98 Standard Specificationfor Pressure-rated Composite Pipe and Fittings for Elevated Temperature Service[S].West Conshohocken：Annual Book of ASTM Standard,2001.

[4] ASTM Committee F17.F1281-01 Standard Specification for Crosslinked Polyethylene/Aluminum/Crosslinked Polyethylene(PEX-Al-PEX)Pressure Pipe[S].West Conshohocken：Annual Book of ASTM Standard,2001.

[5] Technical Committee ISO/TC138.ISO 17456：2006 Plastics Piping Systems-multilayer Pipes-determination of Long-term Strength[S]. Switzerland：ISO Copyright Office,2006.

[6] 張玉川.金屬增強復合塑料壓力管道的力學分析[Z].北京：北京塑料工業協會,2007.

[7] Farshad M.Long-term Hydrostatic Resistance of Multilayer Pipe[C].笫13屆國際塑料管會議報告譯文集.北京：北京塑料工業協會,2008：368-372.

Calculation of Long-term Hydrostatic Pressure Strength of Overlap-welding and Butt-welding Aluminum-plastic Pipes

LI Mingxuan
(College of Polymer Science and Engineering,Sichun University,Chengdu 610065,China)

TQ320.72+4

B

1001-9278(2011)01-0071-05

2010-09-13

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