大口径高抗冲PVC-M双壁波纹管的开发

王秋腾

（广东永高塑业发展有限公司）

在我国用于排水和排污管道的塑料结构壁管材中，首先发展的是硬质聚氯乙烯（PVC-U）双壁波纹管。PVC-U双壁波纹管有刚度好、价格低等优点，与传统的水泥管、铸铁管以及塑料实壁管材相比，具有节能、节材、使用寿命长等优势。但由于PVC 材料的脆性问题，该管材也有低温抗冲击性能差的缺点， 特别在我国北方， 冬季施工时非常容易破损。实际应用中，在地质条件复杂的地区，坠落的石块、沟底的乱石都可能造成PVC-U 双壁波纹管的破损。此外，不规范的施工也容易导致PVC-U 双壁波纹管在应用中出现一系列的工程事故，影响了PVC-U 双壁波纹管的进一步发展。

进入21 世纪，PVC-U 双壁波纹管材面对诸多竞争对手，尤其是具有优异的韧性和抗冲击强度的PE 管材，对PVC-U 管材市场造成了巨大的冲击。与PE 管道相比，普通PVC 管道更易发生脆性破坏。PE 管道之所以很快被人们接受恰恰是因为其优异的韧性。因此，如何提高PVC 管材韧性是我们真正需要考虑的问题。

1 开发背景

在各种热塑性管道材料中，PVC 的强度最大，价格最廉。与其他材料相比，经济高效则是PVC 产品的一个优点。

尽管PVC-U 管道具有很多优点，但同时也存在一些缺点而影响其使用。通常，PVC-U 的韧性不足，导致其抗冲击、抗开裂性能较差，当受到外力冲击时，易发生脆性破裂。为了更好的方便用户使用，同时让用户更放心使用PVC 管道，致力于提高PVC 的韧性，进行了系列研究。为了保证韧性的长久性，采取只增韧性不增塑的方法，开发了PVC-M 管道。

近几年，国内已有很多企业开始采用PVC-M 材料来生产供水管材，相关的标准在2008 年就已经颁布实施。但在排水管领域，由于对产品质量不够重视以及市场整体环境的恶性价格竞争，PVC-M 材料在这一领域的应用还很少，个别厂家有开发，但也仅限于315 规格小口径管材，且基本是采用外径作为管材公称尺寸[1，2]，对于315 规格以上（500～800 规格）采用内径系列作为公称尺寸的PVC-M 双壁波纹管管材尚未有得到很好的开发，本公司联合上海公元塑业发展有限公司近几年已完成内径系列500～800 多种规格的开发及应用。

PVC-M 双壁波纹管材是一种以聚氯乙烯树脂为主要原料，在配方中添加一定比例的抗冲改性助剂，经过物理改性，经挤出生产的一种高韧性的新型聚氯乙烯双壁波纹管材。经过抗冲改性的PVC-M 双壁波纹管在低温韧性上有明显的优势，并且具有非常好的成型加工性能，可以生产更大直径的管材，在产品经济技术指标上也具有明显的优势。本文着重研究内径系列管材DN/ID500SN8 的大口径高抗冲PVC-M 双壁波纹管。

2 材料性能对比

高抗冲聚氯乙烯（PVC-M）增强双壁波纹管材，采用物理改性的方式，在保持PVC-U 管道原有的高强度和高模量的基础上，提高韧性，进而提高其抗冲击性和抗开裂性。较之PVC-U 双壁波纹管材，PVC-M 双壁波纹管材的低温抗冲击性能得到了根本性的改善。有效克服现有PVC-U 双壁波纹管材的韧性不足，导致其抗冲击、抗开裂性能较差，当受到外力冲击时，易发生脆性破裂的问题。从表1 中我们应当要注意的是，传统的PVC-U 双壁波纹管采用型材的配方其弯曲模块在2800～3200MPa左右[3]，PVC-M 管材由于提高了韧性，其弯曲模量有下降是必然的，通过对直壁管的检测基本在2400～2800MPa之间。

表1 PVC-M材料与其他管道材料的力学性能对比

3 结构设计

3.1 环刚度的定义

在PVC-M 双壁波纹管的性能指标中， 环刚度指标尤其重要[4]， 它是表征PVC-M 管道抗外压负载能力的综合参数。环刚度的选择是管材设计中的关键， 如果管材的环刚度太小， 管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。反之，如果环刚度选择得太高， 必然采用过大的截面惯性矩， 将造成原材料用量太大， 成本相对过高[5]。

国际ISO 标准对于管材的环向刚度称为环刚度，其物理意义是一个管环断面的刚度， 可以用以下的公式计算：

其中，

S——环刚度，kN/m2；

E——材料的弹性模量，kN/m2；

I——惯性矩， m4/m；

D——管材的平均直径，m。

根据国际ISO 标准可知， 环刚度与材料的弹性模量和惯性矩成正比， 而与管材的平均直径的三次方成反比。若要计算环刚度，必须知道以上3 个物理量，材料的弹性模量可以根据管材生产厂家所选用的材料来查询， 管材的平均直径也可以测量，而关键在于计算惯性矩[6]。惯性矩I 严格的定义是管道纵截面每延米管壁的惯性矩(m4/m)，可以运用CAXA CAD 分析截面惯性矩的方法， 分析得出惯性矩， 从而计算环刚度。目前，PE/PVC 塑料双壁波纹管管道波纹形状主要有梯形和弧形，PE 较多采用弧形，而PVC 偏向于梯形，从应用经验来看，弧形受压感较梯形好，考虑到PVC-M 双壁波纹管开发主要是向PE 双壁波纹管靠拢，同时部分采用弧形对管材抗冲剂性能也是有帮助的，因此，本开发主要以弧形波纹形状结合梯形双壁波纹管（简称为圆梯形）为研究对象， 分析其截面特性。而按照惯性矩严格的定义可知， 所需要分析的是管道纵截面每延米管壁的惯性矩。因此在实际分析过程中， 可以取出一个波纹长度的截面来进行分析， 然后用分析得出的惯性矩数值除以波纹长度，从而换算成管道纵截面每延米管壁的惯性矩。

3.2 截面惯性矩及管材米重的CAXA CAD 分析

3.2.1 截面惯性矩的CAXA CAD 分析

本研究的管材采用大口径DN/ID500SN8 规格作为例子，该规格PVC-M 双壁波纹管管道的纵截面为圆梯形， 可以借助CAXA CAD 软件中的分析模块对管道纵截面一个波纹长度的截面进行惯性矩分析。

根据图1 CAXA CAD 分析结果， 波纹管在相对于分析坐标轴上受力分析， 其纵截面处截面图形面域的惯性矩为： Ix=47513.91mm4， 根据该分析结果便可以计算环刚度。因为在公式S=EI/D3中的I 严格定义为管道纵截面每延米管壁的惯性矩， 所以应该将Ix 的结果值除以一个截距的长度， 换算为一个单位长度内的惯性矩，计算如下：

图1 波形设计及寄惯性矩计算

每米管材I=Ix/81.28×1000≈584570.7mm4/m

根据表1 中PVC-M 弯曲模量取最小值E=2400MPa=2.4×109Pa

管道平均直径D=500+32.2=532.2mm

依据环刚度计算公式：

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

本计算采用了E 的最小值进行，在实际配方中通过合理调配可能还会提高弯曲模量E 值。

3.2.2 管材米重的CAXA CAD 分析

同样借助CAXA CAD 软件中的分析模块对管道纵截面一个波纹长度的旋转体进行质量分析[7]，根据PVC-M配方特性，假定管材密度为1.42g/cm3，管材内径为500mm 进行计算。

采用软件计算旋转体重量自动生成的重心，根据图2 CAXA CAD 分析结果， 该截距结构旋转体重量为0.9757kg，则计算管道纵截面每延米管材米重，应将结果值除以一个截距的长度， 换算为一个单位长度内的米重， 计算如下：

每米管材重量=0.9757/81.28×1000≈12kg/m

即管材理论设计米重为12kg/m。本计算采用比较理想的波形结构，实际生产中，由于壁厚不均匀性，波形压脚积料等现象可能会存在一定误差。

3.3 模块设计

采用上海经纬公司立式成型机，模块宽度按203.2设计，数量31 对，带承口模块（图3）。

4 生产加工

采用传统的经纬92 锥双PVC-U 双壁波纹管生产线，传统的PVC-U 双壁波纹管的承口为2 次成型工艺，先连续生产直管，再通过2 次加温软化、膨胀扩口来成型承口，本工艺的PVC-M 双壁波纹管的承口采用1 次成型方案，承口内外壁通过模具紧密贴合一起。基础配方如表2：

表2 PVC-M双壁波纹管基础配方

5 性能检测

5.1 产品尺寸及性能检测

从表3 产品检测结果来看，实际生产的尺寸及性能均可较吻合设计要求，本研究可作为其它大口径PVC-M双壁波纹管的设计依据，但也应该注意的是，实际生产密度和环刚度均略低与设计，米重略高于理论，但尚在可接受范围之内，后期经过调整是可以降低米重的，米重略高原因在于生产时壁厚出现不均匀且很容易出现少量积料现象，内外壁粘合位置及合模缝位置均有可能（图5），积料对于环刚度基本是没有帮助的，但会增加产品重量，增加材料损耗，后期生产中应当引起重视。

表3 PVC-M双壁波纹管基础配方

图2 单位截距重量计算

图3 产品示意图

5.2 落锤冲击试验

传统PVC-U 双壁波纹管采用3.2kg 进行落锤冲击试验，本研究PVC-M 采用3.5kg 落锤冲击。经冲击试验后，PVC-M 双壁波纹管在管材波形上出现凹坑（图4），为典型的韧性变形。之所以在冲击试验中并未出现脆性破坏现象，是因为经过抗冲改性后，其韧性有明显提高。

图4 冲击试验

图5 积料现象

PVC-M 材料由于采用了抗冲改性的方法，成功实现了材料脆韧转化。其临界断裂韧性较PVC-U 有明显提高，也高于PE80，基本达到了PE100 的韧性。良好的韧性提高了管材抗水锤和点载荷的能力，方便搬运、运输和提高管道运行的安全性。

5.3 其它参考模拟实验

为进一步表明PVC-M 双壁波纹管在实际应用中的抗摔、抗砸和抗压性能，还可通过模拟试验来验证。需要强调的是，这些模拟试验不能作为产品质量评定的依据。

锤击试验（如图6 所示）：将管材置于水泥地面，用重5kg、柄长约1m 的金属铁锤猛砸管材，管材受力变形后很快恢复，管材无破坏。

高速冲击试验（如图7 所示）：在常温下，将5kg 的尖锐重锤自20m 高自由落下。在锤头与管材的撞击位置，有凹坑和变形，但不会出现脆性破坏（图8）。

6 结论

通过检测论证表明高抗冲PVC-M 双壁波纹管增强效果明显，解决了传统PVC-U 双壁波纹管强而不韧的缺点。

图6 锤击试验

图7 高速冲击试验

图8 高速冲击试验效果

PVC-M 双壁波纹管DN/ID500SN8 采用公称内径表征，拓展了传统PVC-M 双壁波纹管只采用外径系列局限性，并且推进了大口径发展趋势，管材实际生产能满足设计要求，米重12.7kg，环刚度9.13kN/m2，落锤冲击，高速冲击，捶打等试验均呈现出其韧性特点，对为其它内径系列大口径规格设计开发具有指导意义。

PVC-M 双壁波纹管由于其韧性改进，其弯曲模量相比PVC-U 有所下降，理论设计采取2400MPa 数据计算比较接近产品实际生产环刚度。

高抗冲PVC-M 双壁波纹管近几年来陆续有多个厂家进行推广，同等公称内径规格成本比PE 双壁波纹管有优势，性能不亚于PE 双壁波纹管，大口径的内径系列管材开发有利于完善PVC-M 双壁波纹管产品系列，为其它规格产品开发设计提供了宝贵的经验，优良品质的产品可广泛应用于市政排水排污领域。