PE管的工程性能分析

王 玉，呂 珂

(1.南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210000；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430000)

1 聚乙烯(PE)材料

1.1 基本特征

聚乙烯(PE)在分子結構上屬于一種半晶質狀聚合物，由各長鏈狀的單體分子聚合而成。隨著PE樹脂內分子的鏈條長度和分支數量發生變化，樹脂各種性能也會隨之不同。PE是聚烯烴類家族的分支之一，具有聚烯烴產品的各種特征，如低吸水性、中度偏低的氣體滲透性、良好的韌性、易彎曲性(低溫時)以及低的熔點等。

密度是PE材料的重要指標之一，PE管也是根據密度的不同進行劃分的。密度對性能的影響有些是正面的，隨著密度的增加，抗拉強度、剛度和硬度等會隨之增強；但有些是反面的，隨著密度的增加，抗壓強度、應力裂紋阻力和滲透性會隨之降低。根據GB/T 1845.1—2016《塑料聚乙烯(PE)模塑和擠出材料第1部分：命名系統和分類基礎》，試樣在23℃±2℃條件下，當測定密度超過911kg/m3，且不超過925kg/m3時，聚乙烯稱為低密度聚乙烯(LDPE)；當測定密度超過925kg/m3，且不超過940kg/m3時，聚乙烯稱為中密度聚乙烯(MD PE)；當測定密度超過940kg/m3時，聚乙烯稱為高密度聚乙烯(HDPE)。工程實踐顯示，當材料密度在940～955kg/m3范圍內，大多數管道工程展示了較高的運行效果，所以建設單位一般會選擇HPDE，考慮工藝和成本等因素，不會要求更高的密度的管材。在PE管生產過程中，炭黑添加劑對樹脂密度有著適度的影響，當炭黑含量在2.0%～3.0%時會造成密度9～13kg/m3的增加，而著色劑對密度的影響微乎其微。

1.2 機械性能

作為另一個重要特征，PE屬于粘彈性結構材料，結合了彈性與粘性兩種特點于一體，一方面，在較小的荷載作用下，PE試樣反應呈現彈簧狀的彈性方式，符合胡克定律；另一方面，在較大的荷載作用下，PE試樣反應如同緩沖器的效果，類似牛頓流體。因此，PE材料的抗拉應力應變曲線可以劃分為三個明顯的階段，如圖1所示。彈性形變階段，當施加的荷載作用下，試樣反應呈現典型的線性形變，荷載一但去除，試樣回彈如初；塑性形變階段，荷載作用下的形變繼續保持，但比率持續減低，應力應變曲線持續改變，呈現曲線狀態，產生的形變也不能完全恢復；形變發硬階段，形變產生頸縮，伴隨明顯的延伸，直至韌性斷裂。

圖1 PE管通常抗拉應力應變曲線

當PE管應用于管道系統時，材料的粘彈性性能產生了兩個獨特的特征—蠕變和應力松弛。不僅是PE管，所有的熱塑性管材都有蠕變的特征，與材料的反應、超長時間和持續荷載均有關系。當PE管持續承受荷載時，就會產生如同應力應變曲線一樣的形變，隨著時間的延長，形變依然繼續，但形變的比率會減小；如果荷載足夠大，持續時間足夠長，管道最終屈服甚至破裂。這種粘性流體產生的與時間對應的形變現象稱之為蠕變。當PE承受持續荷載(達到指定的形變)，且持續時間足夠長，伴隨緩慢的持續的形變，管材產生的應力也會緩慢衰減，這種現象稱之為應力松弛。

在持續荷載作用下材料性能的改變不僅與使用時間相關，還與使用溫度相關。當PE管應用于管道工程時，材料性能指標會因為使用溫度的變化而變化，所以，PE管的工程標準中建立了以溫度23℃為標準材料性能測定方法進行工程設計，當使用溫度發生變化時，采用溫度折減系數對承壓能力的修正，以保證工程安全，見表1。

表1 PE80和PE100壓力折減系數

2 PE管的結構設計

2.1 最小要求強度(MRS)

為了建立PE材料性能與管內水壓的關系，在工程設計時，我國PE管的產品標準GB/T 13663.1—2017《給水用聚乙烯(PE)管系統 第1部分：總則》引入了預測靜液壓強度置信下限(σLPL)和最小要求強度(MRS)兩個術語。預測靜液壓強度置信下限的含義是，置信度為97.5%時，對應于溫度T和時間t的靜液壓強度預測值的下限σLPL=σ(T，t，0975)與應力有相同的量綱。最小要求強度的定義是，將20℃、50年置信下限σLPL的值按GB/T 321—2005《優先數和優先數系》的R10系列或R20系列向小圓整到最接近的一個優先數得到的應力值。

這兩個術語晦澀難懂，這里有必要做個通俗的解釋。PE管使用過程中會一直承受內水壓力和外荷載兩個方面的作用，隨著時間的延長，PE管持續產生蠕變，同時又產生應力松弛。應力松弛的趨勢是肯定的，但應力下降的變量不是一個定值，這是由于各個生產廠家使用的聚合材料不同和生產工藝中摻入了其他材料的不同，因此需要通過長期靜液壓試驗來測定。該試驗是在規定溫度T和時間t(通常為1年)條件下，測定管材所承受的應力值；然后對試驗數據采用統計學方法進行外推，在概率不低于97.5%的情況下，預測50年使用時間下管材達到的應力值σLPL，管材在相同的溫度T和時間t條件下，管材在50年后至少應該達到上述應力值相當的強度；最后對應力值σLPL進行分級，歸類到R10系列或R20，得出最小要求強度。

PE管的產品標準GB/T 13663.1—2017列出了PE混配料的工程性能指標，見表2。

表2 PE混配料分級和性能指標

2.2 PE管的工程性能對設計內水壓力作用的影響

PE管在輸水過程中，內水壓力的作用下，管壁產生的環向應力，該值不得超過管材長期抗拉強度設定值，同時長期抗拉強度設定值應當根據輸水的水溫進行修正。CJJ 101—2004《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》，給出了具體的計算公式：

(1)

γ0σθ≤γ0tf

(2)

式中，σθ—在設計內水壓力作用下的管壁截面環向應力設計值，N/mm2；γQ—設計內水壓力的作用分項系數；Fwd—管道設計內水壓力標準值，N/mm2，應采用管道工作壓力的1.5倍計算；D0—管道計算直徑，mm；t—管壁計算壁厚，mm；γ0—管道的重要系數；γ0t—管材抗力分項系數，可按不同水溫溫度確定；f—管材環向長期抗拉強度標準值，MPa，取管材的最小要求強度(MRS)。

從公式(1)和公式(2)可以看出，PE管在工程使用中的內水壓力相對應的是管壁截面環向應力，而管材長期抗拉強度，即最小要求強度，應當滿足環向應力的要求，以確保工程安全。PE管在生產過程中檢測出來的屈服強度僅反應當前管材的性能，不能代表長期使用過程中的性能，其原因就是因為在持續荷載作用下，材料產生蠕變和應力松弛，導致的性能衰減。根據我們實際工作的調研，下面兩種情況比較典型。

第一種情況，某PE管廠家在生產過程中使用了回收料摻和在混配料中，試棒檢測結果顯示屈服強度達到了10MPa，根據公式(1)和公式(2)的計算結果自然滿足了管道的承壓能力。在管道安裝結束后進行水壓試驗，驗收合格，然而在管線運行若干年后，管道破裂，這時管道工程已經過了保質期，廠家也就逃脫了責任。這個事例在我國PE管工程中反復上演，其根源就在于PE管在當前生產中檢測出來的屈服強度不可以代表最小要求強度。

第二種情況，某PE廠家在管材生產過程中進行試樣檢測，拉伸屈服應力為21.5MPa，安裝并運行5年后，管道出現了滲漏，經取樣檢測，拉伸屈服應力達到了17.7MPa。以此衰減比率進行計算，管材在安裝15年后抗拉屈服強度就會降至10MPa，就可能出現管材承受能力無法抵抗內水壓力，導致爆管事故。

因此，用戶單位要保證采購PE管的質量合格，以下三個方面的審查非常重要：一是監督生產廠家應使用正規的PE原材料，不可以使用回收料(產品標準規定的除外)，可以通過廠家的原材料進貨量和產品出貨量進行一個大致的判斷；二是對到達施工現場的管材隨機采樣，送到第三方試驗室檢測，檢測的各項指標均應達到GB/T 13663.1和GB/T 13663.2—2018《給水用聚乙烯(PE)管道系統第2部分：管材》規定的要求；三是PE管生產廠家應提供真實的檢測報告，此報告是由有鑒定資格的第三方機構出具的，且長期性能指標可以滿足50年的使用期限。

2.3 PE管的工程性能對外荷載作用的影響

埋地PE管會受到豎向土壓力、地面堆積荷載和車輛荷載的等外荷載作用，與之抗衡的是管土共同作用，而管材抵抗外荷載能力最直接的指標就是管材環剛度。根據《給水排水工程結構設計手冊》，PE管的環剛度與彈性模量的關系為公式(3)。

(3)

式中，Sp—管材環剛度，MPa；Dl—變形滯后效應系數，取1.0～1.5；Ep—管材彈性模量，MPa；t0—管材計算壁厚，mm；D0—管道計算直徑，mm。

公式(3)中管材的參彈性模量反映的是材料在彈性形變階段產生的應力與形變的比率，考慮PE管在長期荷載作用下的蠕變和應力松弛現象，彈性模量在長期使用中一定不是定值，而是一個不斷的下降值。參考美國AWWA M55《PE管—設計與安裝》，在23℃時，PE管短期的有效彈性模量范圍為110000～1200000psi(758.45MPa～827.4MPa)，而長期的有效計算結果接近于20000～38000psi(137.9MPa～262.01MPa)；可以看出，PE管長期彈性模量是初始彈性模量的1/4左右；結合公式(3)中環剛度與彈性模量的關系，管線在長期運行過程中的壁厚和直徑變化很小，所以，PE管長期環剛度也會是初始環剛度的1/4左右。在某地排水管網實際調研中發現，大量的PE管線運行5年后，存在豎向變形過大，甚至結構破壞的問題，經研究分析，除了管材質量原因，工程技術人員未對環剛度進行長期和短期的區分也是主要原因。

3 結論

作為粘彈性的材料，PE管具有蠕變和應力松弛兩個特征，從而使得管材在長期使用中的抗拉強度和彈性模量均呈現下降趨勢，為了保證工程安全，應當采用50年后的抗拉強度和彈性模量作為結構設計參數，而這兩個值是通過長期靜液壓試驗獲取的。因此，PE管的設計理念與球墨鑄鐵管和鋼管等金屬管材差異很大，金屬管材可以將生產時檢測出的性能指標直接用于工程設計，而PE管僅可以將生產時檢測出的初始性能指標作為質量合格的判斷依據，不可以指導工程設計，只有長期靜液壓試驗推算出的指標方可指導。我們常常聽到一些塑料廠家宣傳“管用50年”的概念，其理論上的真正含義是，管材在持續內外荷載作用下，性能指標的下降值應當能滿足工程50年的使用，并不意味著塑料管材無需防腐可以保證使用50年。

在我國排水PE管產品標準GB/T 19472.1《埋地用聚乙烯(PE)結構壁管道系統第1部分：聚乙烯雙壁波紋管材》中僅列出材料的初始性能參數，如與工程相關的環剛度、抗拉強度和彎曲模量等，而對長期性能參數沒有做出說明；另外，工程技術人員對PE管材不甚理解，直接將這些初始參數用于工程設計，所以我國排水PE管的工程質量事故遠遠多于給水PE管，在此也希望引起給排水工程技術人員對這一問題的重視。

在我國有許多熱塑性或熱固性管材用于給排水管道工程，如PVC管、玻璃鋼管和聚乙烯復合管等，PE管的許多特性與之相同，本文闡述的觀點也可以作為這些管材的設計參考。