搭接焊铝塑管与对接焊铝塑管的长期静液压强度计算

李明轩

搭接焊铝塑管与对接焊铝塑管的长期静液压强度计算

李明轩

(四川大学高分子科学与工程学院,四川成都610065)

将16～32规格的搭接焊铝塑管的长期静液压试验曲线外推至50年,通过考虑与对接焊铝塑管相同的总体设计系数(C=1.25),证明在T0=95℃的长期工作温度下,16～32规格的搭接焊铝塑管与对接焊铝塑管的允许工作压力(P0)相当。搭接焊铝塑管也能满足95℃、1.25 MPa下使用寿命为50年的要求。根据国家标准对搭接焊铝塑管与对接焊铝塑管的铝管层最小壁厚和最小拉伸强度的要求,计算出16～50规格的搭接焊铝塑管与对接焊铝塑管的P0。结果表明,小规格二者的P0相当,大规格对接焊铝塑管的P0优势明显。

铝塑管;对接焊;搭接焊;长期静液压强度

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

铝塑管因其轻质、高强、耐温、耐压、弯曲不反弹、安装方便且100%隔绝气体渗透等优点,广泛应用于建筑冷热水、室内燃气和高温散热器采暖等领域。根据铝管焊接方式不同可分为搭接焊铝塑管与对接焊铝塑管。搭接焊是通过超声波能量使搭接铝带界面处熔化而焊接成管,因为是搭接,焊接面较宽,所需铝带较薄。对接焊是通过氩弧或激光的高温使对接处铝带完全熔化成管。因为要保证对接时的焊接面积,所需铝带较厚。由于对接焊铝管更厚,通常认为对接焊铝塑管比搭接焊铝塑管适用于更高温度和压力的场合,GB/T 18997.2—2003《铝塑复合压力管第2部分：铝管对接焊式铝塑管》中规定XPAP1和XPAP2在95℃长期工作温度 (T0)下,P0=1.25 MPa[1]。而 GB/T18997.1—2003《铝塑复合压力管第1部分：铝管搭接焊式铝塑管》中规定XPAP在82℃长期工作温度下,P0=0.86 MPa[2],国标中2种铝塑管的T0和P0相差如此悬殊的根本原因在于：制订 GB/T 18997.2—2003时依据ASTM F1335：1998中对接焊铝塑管的长期静液压曲线,T0=95℃和P0=1.25 MPa都可从长期静液压曲线外推得到[3];而制订 GB/T 18997.1—2003时依据ASTM F1281：2001中的搭接焊铝塑管则没有长期静液压曲线[4]。经过十几年的优胜劣汰,搭接焊铝塑管已占据国内主流地位,在北方地区的高温散热器采暖领域应用历史已超过15年,至今运行良好,多年工程应用实践证明搭接焊铝塑管一样可以在温度和压力较高的场合使用,但未有理论依据。

随着铝塑管行业的不断发展和进步,国产铝塑管已行销全球100多个国家,制造商为了占据全球市场而需要进行产品认证,长期静液压试验是产品认证中最重要的一项测试。本文根据佛山日丰企业有限公司在德国SKZ实验室所作16～32规格搭接焊铝塑管的长期静液压试验曲线外推,并且与 GB/T 18997.2—2003附录E的对接焊铝塑管试验压力-持续时间曲线外推结果相比较,证明在T0=95℃时,16～32规格的搭接焊铝塑管 XPAP与对接焊铝塑管 XPAP1和XPAP2的P0相当,并从2种铝塑管的静液压强度试验和铝管层理论强度计算得到了验证。

1 长期静液压曲线

ISO17456《塑料管道系统——确定多层管长期强度》中规定：由1层以上聚合物应力层构成的管道称为P型多层管;由聚合物应力层和1层或1层以上金属应力层构成的管道称为M型多层管。P型多层管的长期静液压强度可以由各应力层的内压强度叠加计算,如式(1)所示。而M型多层管的长期静液压强度则需要实际测试[5]。

式中dn——应力层的外径,mmen——应力层的壁厚,mmσn——环向应力 ,MPa

图1是德国SKZ实验室对佛山日丰企业有限公司生产的搭接焊铝塑管 PE-Xb/Al/PE-Xb按DVGWW542的3.4.5节测试得到的长期静液压试验曲线。该测试方法将 ISO 9080对不同温度下复合管静液压破坏试验数据按四参数模型计算的长期静液压强度(PLPL)与对应的破坏时间(t)作图。PLPL表示在温度(T)和时间(t)预测的静液压强度的97.5%置信下限。不同规格搭接焊铝塑管95℃、50年的PLPL值如表1所示。

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

从对接焊铝塑管的95℃长期静液压曲线外推,其50年的PLPL值为1.56 MPa。

表1中的PLPL值除以一个考虑实际使用条件和管道系统组件性能的总体设计系数(C),即为该系统50年设计压力(PD)或P0。多层复合管的总体设计系数(Ctot)可由各应力层设计系数(Ci)和该层壁厚(ei)在总壁厚(etot)中所占比例计算,如式(2)所示。

作为对比,假设搭接焊铝塑管与对接焊铝塑管的总体设计系数相同。根据 GB/T 18997.2—2003附录E外径16～32的 XPAP1和XPAP2对接焊铝塑管试验压力-持续时间曲线图,选取95℃曲线外延到50年,对应的纵坐标试验压力读数为1.56 MPa,除以XPAP1和XPAP2在95℃时的允许工作压力1.25 MPa,得到C=1.248,取值1.25。表1中搭接焊铝塑管的PLPL除以1.25,得到搭接焊铝塑管50年95℃下的允许工作压力,如表2所示。

表2 搭接焊铝塑管的允许工作压力Tab.2P0of overlap-welding pipes

由表2可知,16～32搭接铝塑管长期工作温度95℃时的允许工作压力与同规格的对接焊铝塑管相当,可以满足95℃、1.25 MPa、50年的设计使用寿命。比 GB/T 18997.1—2003中表1规定的 XPAP允许工作压力0.86 MPa高出许多,说明该标准中对搭接焊铝塑管长期工作温度和允许工作压力的规定极不合理。

2静液压强度试验

图1 搭接焊铝塑管的长期静液压曲线Fig.1 Long-term hydrostatic pressure test curves of overlap-welding pipes

铝塑管出厂检验项目中的静液压强度试验是管材在给定温度和压力下,安全使用50年的重要保障,为保证产品质量稳定,国家标准要求每90 km或7天产量为1个出厂检验批次,因此,静液压强度试验通常是从长期静液压曲线中取1 h或10 h的短期压力值作为测试压力,型式检验项目可取1000 h或更长的时间为压力验证点,以保证所生产的铝塑管符合长期静液压曲线,从而保证其 50年的外推使用寿命。GB/T 18997.2—2003中表6列出的静液压强度试验数据就是根据附录E中70℃和95℃曲线1 h对应的横坐标试验压力值得来的。将 GB/T 18997.2—2003的表6与 GB/T 18997.1—2003的表6列出的16～32规格的XPAP静液压强度试验数据整理简化成表3。

通常认为对接焊铝塑管比搭接焊铝塑管使用温度和压力更高是基于国家标准出厂检验静液压强度指标中对接焊铝塑管的要求更高。那么 95℃、1 h的2.42 MPa和82℃、10 h的2.72MPa哪个要求更高?

由于没有82℃的长期静液压曲线,我们只能作近似估算。在 GB/T 18997.2—2003附录 E的95℃曲线和70℃曲线间的中间位置虚拟1条82℃曲线,该曲线在时间10 h时对应的试验压力为2.5 MPa,即82℃、10 h的压力验证点应为2.5 MPa。显然,搭接焊铝塑管标准中2.72 MPa的要求更高。换句话说,对接焊铝塑管标准中P0和T0均高于搭接焊铝塑管,但其出厂静液压强度指标则低于搭接焊铝塑管。

实验结果也证实能通过82℃、2.72 MPa、10 h测试的管材也一定能通过95℃、2.42 MPa、1 h的测试,反之则不尽然。

表3 搭接焊与对接焊铝塑管静液压强度测试方法比较Tab.3 Comparison of hydrostatic pressure test between overlap-welding and butt-welding aluninum-plastic pipes

3 铝管强度计算

铝塑管是由聚乙烯材料和铝材这2种弹性模量相差很大的材料组成,尤其是在高温的情况下。在聚乙烯和铝之间有1层热熔胶保证其始终处于黏合状态,受到内压时聚乙烯层和铝管层的环向应变相等。因此,聚乙烯层和铝管层承受的环应力之比就等于二者弹性模量之比。由于铝材弹性模量远大于聚乙烯材料,铝管层承受了大部分的环应力。随负载时间延长,铝管层弹性模量不变,聚乙烯材料则因为应力松驰导致弹性模量下降,铝管层承受的环应力比例将进一步提高。GB/T 18997.1—2003的附录D.2.2强调了铝塑管在长期强度方面的金属特性。

张玉川根据铝的弹性模量EA1=7×104MPa,聚乙烯的短期弹性模量EPE=850 MPa,长期弹性模量为200 MPa,计算规格为20的对接焊铝塑管,得到铝管层短期负载比例为93%,长期负载98%的结论[6]。

Farshad根据EA1=7×104MPa,EPE短期为1×103MPa,长期为150 MPa,用其自己开发的管道计算软件计算规格为20的搭接焊铝塑管,得到铝管层短期负载比例78%,长期负载88%的结论[7]。

上述分析和计算结果表明,无论是搭接焊还是对接焊铝塑管,铝管层强度是决定P0的关键因素。铝管层的P0可通过式(3)来计算。

式中P0——铝管长期工作压力,MPa

ea——铝管层厚度,mmda——铝管层直径,mm

σa——铝管层环应力,MPa

为了简化计算,假设所有规格的铝管层均位于铝塑管正中央,内外层塑料管壁厚相等,分别根据GB/T 18997.1—2003和 GB/T 18997.2—2003中表3要求的公称外径(dn)、参考内径(di)和铝管层最小壁厚(ea)来计算搭接焊和对接焊铝管外径,如式(4)所示。

GB/T 18997.1—2003中5.4规定铝材的拉伸强度应不小于100 MPa,取搭接焊铝管σa=100 MPa。

GB/T 18997.2—2003中5.4规定铝合金材料拉伸强度应不少于80 MPa,纯铝材料拉伸强度应不小于60 MPa。本文所讨论的是适合较高工作温度和流体压力下使用的对接焊铝塑管 XPAP1和 XPAP2,标准规定用铝合金材料,故取对接焊铝管σa=80 MPa,据此计算的铝管的P0见表4。

由表4可知,16～25的搭接焊铝管与对接焊铝管的P0相差不大,原因是搭接焊铝带要求的拉伸强度比对接焊铝带高20%,这在一定程度上抵消了厚度上的劣势;32以上的搭接焊铝管的P0比对接焊管差许多,说明大规格铝塑管应用时,对接焊比搭接焊更有优势。但所有规格搭接焊铝管的理论强度均高于1.25 MPa。

表4 铝管的外径和允许工作压力Tab. Outside diameters and operating pressure of aluminum layers

4 结论

(1)将实测的16～32规格搭接焊铝塑管的长期静液压试验曲线外推至50年,考虑相同的总体设计系数C=1.25,证明在95℃长期工作温度下,搭接焊铝塑管XPAP与对接焊铝塑管XPAP1和XPAP2的P0相当。搭接焊铝塑管也能满足95℃、1.25 MPa、50年的使用要求;

(2)在标准的95℃曲线和70℃曲线的中间位置虚拟1条82℃长期静液压曲线并取压力验证点比较,证明搭接焊铝塑管标准中的出厂检验要求(82℃、2.72 MPa、10 h)高于对接焊铝塑管的出厂检验要求(95 ℃、2.42 MPa、1 h);

(3)根据国标对搭接焊与对接焊铝管层最小壁厚和最小拉伸强度的要求,计算出规格16～50的搭接焊与对接焊铝管层的P0。证明小规格二者P0相当,大规格对接焊铝管层P0优势明显。

[1] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 18997.2—2003铝塑复合压力管第2部分：铝管对接焊式铝塑管[S].北京：中国标准出版社,2003.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 18997.1—2003铝塑复合压力管第1部分：铝管搭接焊式铝塑管[S].北京：中国标准出版社,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] 张玉川.金属增强复合塑料压力管道的力学分析[Z].北京：北京塑料工业协会,2007.

[7] Farshad M.Long-term Hydrostatic Resistance of Multilayer Pipe[C].笫13届国际塑料管会议报告译文集.北京：北京塑料工业协会,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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