大口徑高抗沖PVC-M雙壁波紋管的開發

王秋騰

（廣東永高塑業發展有限公司）

在我國用于排水和排污管道的塑料結構壁管材中，首先發展的是硬質聚氯乙烯（PVC-U）雙壁波紋管。PVC-U雙壁波紋管有剛度好、價格低等優點，與傳統的水泥管、鑄鐵管以及塑料實壁管材相比，具有節能、節材、使用壽命長等優勢。但由于PVC 材料的脆性問題，該管材也有低溫抗沖擊性能差的缺點， 特別在我國北方， 冬季施工時非常容易破損。實際應用中，在地質條件復雜的地區，墜落的石塊、溝底的亂石都可能造成PVC-U 雙壁波紋管的破損。此外，不規范的施工也容易導致PVC-U 雙壁波紋管在應用中出現一系列的工程事故，影響了PVC-U 雙壁波紋管的進一步發展。

進入21 世紀，PVC-U 雙壁波紋管材面對諸多競爭對手，尤其是具有優異的韌性和抗沖擊強度的PE 管材，對PVC-U 管材市場造成了巨大的沖擊。與PE 管道相比，普通PVC 管道更易發生脆性破壞。PE 管道之所以很快被人們接受恰恰是因為其優異的韌性。因此，如何提高PVC 管材韌性是我們真正需要考慮的問題。

1 開發背景

在各種熱塑性管道材料中，PVC 的強度最大，價格最廉。與其他材料相比，經濟高效則是PVC 產品的一個優點。

盡管PVC-U 管道具有很多優點，但同時也存在一些缺點而影響其使用。通常，PVC-U 的韌性不足，導致其抗沖擊、抗開裂性能較差，當受到外力沖擊時，易發生脆性破裂。為了更好的方便用戶使用，同時讓用戶更放心使用PVC 管道，致力于提高PVC 的韌性，進行了系列研究。為了保證韌性的長久性，采取只增韌性不增塑的方法，開發了PVC-M 管道。

近幾年，國內已有很多企業開始采用PVC-M 材料來生產供水管材，相關的標準在2008 年就已經頒布實施。但在排水管領域，由于對產品質量不夠重視以及市場整體環境的惡性價格競爭，PVC-M 材料在這一領域的應用還很少，個別廠家有開發，但也僅限于315 規格小口徑管材，且基本是采用外徑作為管材公稱尺寸[1，2]，對于315 規格以上（500～800 規格）采用內徑系列作為公稱尺寸的PVC-M 雙壁波紋管管材尚未有得到很好的開發，本公司聯合上海公元塑業發展有限公司近幾年已完成內徑系列500～800 多種規格的開發及應用。

PVC-M 雙壁波紋管材是一種以聚氯乙烯樹脂為主要原料，在配方中添加一定比例的抗沖改性助劑，經過物理改性，經擠出生產的一種高韌性的新型聚氯乙烯雙壁波紋管材。經過抗沖改性的PVC-M 雙壁波紋管在低溫韌性上有明顯的優勢，并且具有非常好的成型加工性能，可以生產更大直徑的管材，在產品經濟技術指標上也具有明顯的優勢。本文著重研究內徑系列管材DN/ID500SN8 的大口徑高抗沖PVC-M 雙壁波紋管。

2 材料性能對比

高抗沖聚氯乙烯（PVC-M）增強雙壁波紋管材，采用物理改性的方式，在保持PVC-U 管道原有的高強度和高模量的基礎上，提高韌性，進而提高其抗沖擊性和抗開裂性。較之PVC-U 雙壁波紋管材，PVC-M 雙壁波紋管材的低溫抗沖擊性能得到了根本性的改善。有效克服現有PVC-U 雙壁波紋管材的韌性不足，導致其抗沖擊、抗開裂性能較差，當受到外力沖擊時，易發生脆性破裂的問題。從表1 中我們應當要注意的是，傳統的PVC-U 雙壁波紋管采用型材的配方其彎曲模塊在2800～3200MPa左右[3]，PVC-M 管材由于提高了韌性，其彎曲模量有下降是必然的，通過對直壁管的檢測基本在2400～2800MPa之間。

表1 PVC-M材料與其他管道材料的力學性能對比

3 結構設計

3.1 環剛度的定義

在PVC-M 雙壁波紋管的性能指標中， 環剛度指標尤其重要[4]， 它是表征PVC-M 管道抗外壓負載能力的綜合參數。環剛度的選擇是管材設計中的關鍵， 如果管材的環剛度太小， 管材可能發生過大變形或出現壓屈失穩破壞。反之，如果環剛度選擇得太高， 必然采用過大的截面慣性矩， 將造成原材料用量太大， 成本相對過高[5]。

國際ISO 標準對于管材的環向剛度稱為環剛度，其物理意義是一個管環斷面的剛度， 可以用以下的公式計算：

其中，

S——環剛度，kN/m2；

E——材料的彈性模量，kN/m2；

I——慣性矩， m4/m；

D——管材的平均直徑，m。

根據國際ISO 標準可知， 環剛度與材料的彈性模量和慣性矩成正比， 而與管材的平均直徑的三次方成反比。若要計算環剛度，必須知道以上3 個物理量，材料的彈性模量可以根據管材生產廠家所選用的材料來查詢， 管材的平均直徑也可以測量，而關鍵在于計算慣性矩[6]。慣性矩I 嚴格的定義是管道縱截面每延米管壁的慣性矩(m4/m)，可以運用CAXA CAD 分析截面慣性矩的方法， 分析得出慣性矩， 從而計算環剛度。目前，PE/PVC 塑料雙壁波紋管管道波紋形狀主要有梯形和弧形，PE 較多采用弧形，而PVC 偏向于梯形，從應用經驗來看，弧形受壓感較梯形好，考慮到PVC-M 雙壁波紋管開發主要是向PE 雙壁波紋管靠攏，同時部分采用弧形對管材抗沖劑性能也是有幫助的，因此，本開發主要以弧形波紋形狀結合梯形雙壁波紋管（簡稱為圓梯形）為研究對象， 分析其截面特性。而按照慣性矩嚴格的定義可知， 所需要分析的是管道縱截面每延米管壁的慣性矩。因此在實際分析過程中， 可以取出一個波紋長度的截面來進行分析， 然后用分析得出的慣性矩數值除以波紋長度，從而換算成管道縱截面每延米管壁的慣性矩。

3.2 截面慣性矩及管材米重的CAXA CAD 分析

3.2.1 截面慣性矩的CAXA CAD 分析

本研究的管材采用大口徑DN/ID500SN8 規格作為例子，該規格PVC-M 雙壁波紋管管道的縱截面為圓梯形， 可以借助CAXA CAD 軟件中的分析模塊對管道縱截面一個波紋長度的截面進行慣性矩分析。

根據圖1 CAXA CAD 分析結果， 波紋管在相對于分析坐標軸上受力分析， 其縱截面處截面圖形面域的慣性矩為： Ix=47513.91mm4， 根據該分析結果便可以計算環剛度。因為在公式S=EI/D3中的I 嚴格定義為管道縱截面每延米管壁的慣性矩， 所以應該將Ix 的結果值除以一個截距的長度， 換算為一個單位長度內的慣性矩，計算如下：

圖1 波形設計及寄慣性矩計算

每米管材I=Ix/81.28×1000≈584570.7mm4/m

根據表1 中PVC-M 彎曲模量取最小值E=2400MPa=2.4×109Pa

管道平均直徑D=500+32.2=532.2mm

依據環剛度計算公式：

即S=9.3×103Pa=9.3×103N/m2=9.3kN/m2，可滿足SN8 的要求；

本計算采用了E 的最小值進行，在實際配方中通過合理調配可能還會提高彎曲模量E 值。

3.2.2 管材米重的CAXA CAD 分析

同樣借助CAXA CAD 軟件中的分析模塊對管道縱截面一個波紋長度的旋轉體進行質量分析[7]，根據PVC-M配方特性，假定管材密度為1.42g/cm3，管材內徑為500mm 進行計算。

采用軟件計算旋轉體重量自動生成的重心，根據圖2 CAXA CAD 分析結果， 該截距結構旋轉體重量為0.9757kg，則計算管道縱截面每延米管材米重，應將結果值除以一個截距的長度， 換算為一個單位長度內的米重， 計算如下：

每米管材重量=0.9757/81.28×1000≈12kg/m

即管材理論設計米重為12kg/m。本計算采用比較理想的波形結構，實際生產中，由于壁厚不均勻性，波形壓腳積料等現象可能會存在一定誤差。

3.3 模塊設計

采用上海經緯公司立式成型機，模塊寬度按203.2設計，數量31 對，帶承口模塊（圖3）。

4 生產加工

采用傳統的經緯92 錐雙PVC-U 雙壁波紋管生產線，傳統的PVC-U 雙壁波紋管的承口為2 次成型工藝，先連續生產直管，再通過2 次加溫軟化、膨脹擴口來成型承口，本工藝的PVC-M 雙壁波紋管的承口采用1 次成型方案，承口內外壁通過模具緊密貼合一起。基礎配方如表2：

表2 PVC-M雙壁波紋管基礎配方

5 性能檢測

5.1 產品尺寸及性能檢測

從表3 產品檢測結果來看，實際生產的尺寸及性能均可較吻合設計要求，本研究可作為其它大口徑PVC-M雙壁波紋管的設計依據，但也應該注意的是，實際生產密度和環剛度均略低與設計，米重略高于理論，但尚在可接受范圍之內，后期經過調整是可以降低米重的，米重略高原因在于生產時壁厚出現不均勻且很容易出現少量積料現象，內外壁粘合位置及合模縫位置均有可能（圖5），積料對于環剛度基本是沒有幫助的，但會增加產品重量，增加材料損耗，后期生產中應當引起重視。

表3 PVC-M雙壁波紋管基礎配方

圖2 單位截距重量計算

圖3 產品示意圖

5.2 落錘沖擊試驗

傳統PVC-U 雙壁波紋管采用3.2kg 進行落錘沖擊試驗，本研究PVC-M 采用3.5kg 落錘沖擊。經沖擊試驗后，PVC-M 雙壁波紋管在管材波形上出現凹坑（圖4），為典型的韌性變形。之所以在沖擊試驗中并未出現脆性破壞現象，是因為經過抗沖改性后，其韌性有明顯提高。

圖4 沖擊試驗

圖5 積料現象

PVC-M 材料由于采用了抗沖改性的方法，成功實現了材料脆韌轉化。其臨界斷裂韌性較PVC-U 有明顯提高，也高于PE80，基本達到了PE100 的韌性。良好的韌性提高了管材抗水錘和點載荷的能力，方便搬運、運輸和提高管道運行的安全性。

5.3 其它參考模擬實驗

為進一步表明PVC-M 雙壁波紋管在實際應用中的抗摔、抗砸和抗壓性能，還可通過模擬試驗來驗證。需要強調的是，這些模擬試驗不能作為產品質量評定的依據。

錘擊試驗（如圖6 所示）：將管材置于水泥地面，用重5kg、柄長約1m 的金屬鐵錘猛砸管材，管材受力變形后很快恢復，管材無破壞。

高速沖擊試驗（如圖7 所示）：在常溫下，將5kg 的尖銳重錘自20m 高自由落下。在錘頭與管材的撞擊位置，有凹坑和變形，但不會出現脆性破壞（圖8）。

6 結論

通過檢測論證表明高抗沖PVC-M 雙壁波紋管增強效果明顯，解決了傳統PVC-U 雙壁波紋管強而不韌的缺點。

圖6 錘擊試驗

圖7 高速沖擊試驗

圖8 高速沖擊試驗效果

PVC-M 雙壁波紋管DN/ID500SN8 采用公稱內徑表征，拓展了傳統PVC-M 雙壁波紋管只采用外徑系列局限性，并且推進了大口徑發展趨勢，管材實際生產能滿足設計要求，米重12.7kg，環剛度9.13kN/m2，落錘沖擊，高速沖擊，捶打等試驗均呈現出其韌性特點，對為其它內徑系列大口徑規格設計開發具有指導意義。

PVC-M 雙壁波紋管由于其韌性改進，其彎曲模量相比PVC-U 有所下降，理論設計采取2400MPa 數據計算比較接近產品實際生產環剛度。

高抗沖PVC-M 雙壁波紋管近幾年來陸續有多個廠家進行推廣，同等公稱內徑規格成本比PE 雙壁波紋管有優勢，性能不亞于PE 雙壁波紋管，大口徑的內徑系列管材開發有利于完善PVC-M 雙壁波紋管產品系列，為其它規格產品開發設計提供了寶貴的經驗，優良品質的產品可廣泛應用于市政排水排污領域。