水利工程塑料管材落锤冲击试验的不确定度评定及试验方法研究

孙丹丹，曹增龙，罗 伟，付家敏，张 年

(湖北正平水利水电工程质量检测有限公司，湖北 武汉 430070)

随着国家对水利工程基础设施建设的投资力度逐渐加大，塑料管材因其价格优惠、节能环保和性能优越等优势在水利工程中的应用越来越广泛，常见的管材类型主要有：聚氯乙烯管(PVC管)、聚乙烯管(PE管)和聚丙烯管(PP管)3类[1]。为了使塑料管材的质量得到保证，检测水利工程塑料管材的物理力学性能显得尤为重要[2]。物理力学性能检测的指标主要包括：静液压强度、氧化诱导时间、纵向回缩率、维卡软化温度、落锤冲击试验等，主要针对落锤冲击试验进行介绍。

落锤冲击试验是衡量水利工程塑料管材耐冲击韧性的重要检测方法，通过一定质量的落锤从不同的高度冲击管材规定的部位，以冲击破坏总数除以冲击总数即真实冲击率(TIR)小于或等于10%则判定为合格，依据主要为GB/T 14152—2001《热塑性塑料管材耐外冲性能试验方法 时针旋转法》。为提高水利工程塑料管材落锤冲击试验的准确性，引入不确定度理论对落锤冲击试验进行修正，并对该试验的方法进行系统性地概括和研究，以期为水利工程塑料管材质量检测提供新的思路。

1 不确定度理论

对于水利工程质量检测，为保证测量结果的可靠程度应对测量结果的质量进行定量说明，表征测量值的分散性，即不确定度[3]。不同于误差的是，不确定度是主要衡量测量结果质量的指标，测量结果不确定度的大小在一定程度上表明了测量结果的可用性[4]，即不确定度愈小，测量结果与测量真值愈接近，测量结果质量愈高，其使用价值愈高；反之不确定度愈大，测量结果与测量真值相差愈大，其使用价值愈低[5- 8]。落锤冲击试验中所需的冲击能量主要通过落锤冲击试验机来实现[9]，管材落锤冲击试验的不确定度的重点在于校核落锤式冲击试验机的不确定度，不确定度的评定过程如图1所示。通过评定落锤式冲击试验机的不确定度，以提高落锤式冲击试验的整体准确性和可靠度。

1.1 仪器与设备

采用的试验仪器为XJC- 300系列落锤式冲击试验机，满足ISO3127对试验设备的要求，由工作台、防止二次冲击机构、导向管、锤体、锤体升降及自动落锤机构、电机、减速器、电控箱、机座等组成，主要的技术参数见表1。

XJC- 300系列落锤式冲击试验机试验设备实物如图2所示。

1.2 识别和分析不确定度来源

XJC- 300系列落锤式冲击试验机不确定度的来源主要有：随机因素引起的落锤质量测量的不确定度，包括衡器不准确引起的不确定度um1和重复测量引起的不确定度um2；跌落高度的测量所引起的

图1 不确定度评定步骤

表1 主要技术参数表

图2 落锤式冲击试验机试验设备实物图

不确定度，包括测量高度装置不准确引起的不确定度uh1和重复测量引起的不确定度uh2；冲击速度测量的不准确所引起的不确定度，包括测量速度装置不准确引起的不确定度uv1和重复测量引起的不确定度uv2。

1.3 数学模型

落锤冲击试验中误差主要来源于落锤跌落过程中的能量损失，根据能量守恒定律和能量转化原理，能量损失公式为[10]：

(1)

落锤冲击速度和跌落高度互不相关，即相互独立：

(2)

式中，C1、C2—灵敏度系数。

(3)

(4)

所以，不确定度为：

(5)

1.4 不确定度评定

1.4.1落锤质量测量的不确定度评定

衡器采用电子计重秤，允许误差为±1g，区间半宽δm=1g，通常假设为均匀分布，采用B类方法评定[11]，计算公式为：

(6)

由重复测量值引起的不准确度采用A类方法中的极差法进行评定[12]，计算公式为：

(7)

则落锤质量测量的不确定度为：

(8)

1.4.2跌落高度测量的不确定度评定

测量高度装置采用钢卷尺，允许误差为±1.0mm，区间半宽δh=1mm，通常假设为均匀分布，采用B类方法评定，计算公式为：

(9)

由重复测量值引起的不准确度采用A类方法中的极差法进行评定，计算公式为：

(10)

则跌落高度测量的不确定度为：

(11)

1.4.3冲击速度测量的不确定度评定

(12)

由重复测量值引起的不准确度采用A类方法中的极差法进行评定，计算公式为：

(13)

则冲击速度测量的不确定度为：

(14)

1.5 不确定度的计算

对XJC- 300系列落锤式冲击试验机进行不确定度评定，落锤质量、跌落高度和落锤速度重复进行n=5次测量，各有关测量数据统计结果见表2。

通过上述计算公式，各有关测量数据的不确定度及能量损失的扩展不确定度见表3。

由表3计算结果可知，XJC- 300系列落锤式冲击试验机能量损失扩展不确定为2.26%(k=2)，测量结果与测量真值接近，采用此系列的试验机进行落锤冲击试验的结果使用价值高。

表2 各测量数据统计表

表3 各测量数据的不确定度

2 落锤冲击试验方法研究

落锤冲击试验现行的规范主要为GB/T 14152—2001《热塑性塑料管材耐外冲性能试验方法时针旋转法》[13]，对该规范进行了系统性地总结和研究。落锤冲击试验步骤如图3所示。

图3 落锤冲击试验步骤

2.1 试样制备

试样制备的内容主要包括试样切割、试样长度、试样标线和试样数量。

(1)试样切割。试样从连续生产的管材中随机抽取，切割断面应光滑无损伤，与管材轴线垂直。

(2)试样长度。试样长度取200mm±10mm。

(3)试样标线。当前试样标线有2种画法[14]：轴向画线法(如图4所示)和径向画线法(如图5所示)。

图4 轴向画线法

图5 径向画线法

在实际操作过程中，图5存在管材无法进行时针旋转、冲击点集中于管材的某一轴线上而无法绑定管材的整体质量、标线间距过小导致实际操作无法实现对每道划线的冲击等缺陷。推荐采取图4的轴向画线法。不同外径管材试样应画线数根据GB/T 14152—2001中表3确定。

(4)试样数量。试验所需试样数量根据GB/T 14152—2001中表3确定，根据TIR值为10%时的判定表，试样冲击总数须≥25次。即：试验所需试样数量=冲击总数/不同外径管材试样应画线数。

2.2 状态调节

状态的调节主要包括温度的调节，一般采取(0±1℃)的水浴和(20±2℃)的空气浴进行管材温度的调节，不同管材壁厚状态调节时间根据GB/T 14152—2001中表4确定。

2.3 确定落锤质量和冲击高度

GB/T 14152—2001中规定落锤的质量和冲击高度按照产品标准所需来确定，未明确实际落锤质量和冲击高度的参考值，建议可参照GB/T 19472.1—2019《埋地用聚乙烯(PE)结构壁管道系统第1部分：聚乙烯双壁波纹管材》[15]中表8确定(使用地区气温-10℃以下)，见表4。

2.4 冲击试样

管材外径DN≤40mm的试样，仅进行一次冲击；对于管材外径DN>40mm的试样，首先冲击管材的1号标线，若试样未破坏，对管材进行时针旋转，冲击管材的2号标线，直至试样破坏或全部标线均被冲击一次。每个试样均应进行冲击。落锤回跳捕捉率应保证100%。

2.5 结果判定

以真实冲击率(TIR)来判定水利工程塑料管材的冲击性能，一般要求TIR值小于等于10%，或试样冲击的破坏数集中在A区；若根据现有冲击试样数不能作出判定，应增加试样数量继续进行冲击，直至可以得出判定结果。

3 结语

(1)水利工程塑料管材耐冲击韧性常采用落锤冲击试验进行检测，本文尝试性地识别该试验的不确定度来源，建立数学模型，并对其不确定度进行评定，为测量结果与测量真值接近程度提供定量数据支撑。

(2)现行规范未明确试样标线方式，建议采用轴向画线法，提出了落锤质量和冲击高度的参照值，对水利工程塑料管材落锤冲击试验具有较好的指导意义。

(3)不确定度理论仅用于落锤冲击试验，水利工程塑料管材的其他物理力学性能如静液压、氧化诱导时间、维卡软化温度等均可参照本文理论进行系统分析，在今后的研究中将以此为重点。