聚氨酯保温管的应力松弛及蠕变分析

杨锟昊 罗维多 蒋 沛

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060）

0 引言

随着工业经济的高速发展，国内管网高层次技术革新推动聚氨酯保温管的广泛应用，实现工业化生产。聚氨酯材料是一种新型高性能高分子聚合物，与传统材料相比，具有无与伦比的优势。

聚氨酯材料主要可以细分为硬质泡沫、半软半硬质泡沫及柔性泡沫，根据选用的配方、原材料和催化剂有所差异。聚氨酯保温管通常选用坚硬泡沫塑料。聚氨酯材料是以各种固态材料作为基体，具有良好的机械性能，如硬度、强度、耐磨性和抗冲击性相对于传统材料优良。聚氨酯保温管不仅导热系数低，提高了保温效果，降低热损耗，节约能源，而且具有防腐优势，延长了管网运行寿命。

尺寸稳定性差是聚氨酯高分子材料的一个固有缺陷，在正常环境下也可能会出现蠕变和应力松弛现象，从而直接导致聚氨酯保温层的结构破坏，在其生产和使用过程中我们需对此进行充分考虑。在恒定的温度和应力的条件下，随着时间不断延长，固体材料的应变会持续增加，这种现象叫蠕变现象。蠕变现象会不断增加固体材料的塑性变形，并且相应减少弹性变形，在总变形保持不变的条件下，应力会缓慢减弱，这种现象叫应力松弛。蠕变和应力松弛现象普遍存在于聚氨酯保温管的日常存储过程中，如若存储场所环境温度较高，这种现象尤为明显。蠕变和应力松弛对聚氨酯保温层结构进行了破坏，严重影响管网的运行寿命。在不影响聚氨酯保温层材料特性的前提下，进行蠕变和应力松弛研究，对于管网运行寿命及安全性有深远意义[1]。

1 聚氨酯在保温管行业中的应用

1.1 聚氨酯材料的基本性质

聚氨酯是一类具有高分子结构化合物共聚体的总称，由异氰酸酯与羟基化合物（多元醇）作用而成。聚氨酯产品种类繁多，应用最广泛的为聚氨酯保温材料类产品，而聚氨酯弹性体类产品应用于生活方方面面，聚氨酯涂料类产品多应用于工业。

聚氨酯材料通过改变原材料的配比，添加不同的催化剂或采用不同的成型工艺，可获得差异较大的产品。聚氨酯材料按其密度和导热系数大致可分为三类，即：硬质聚氨酯泡沫、半软质聚氨酯泡沫和柔性聚氨酯泡沫。聚氨酯保温管行业中多采用坚硬的弹性聚氨酯泡沫。

1.2 聚氨酯在保温管行业中的应用

聚氨酯材料作为新型保温材料，具有隔热保温性能优良、强度高、重量轻、成型工艺简单等优点，在保温管网行业中显示出明显的效益性，广泛应用。

聚氨酯材料在保温管道复合体系中发挥出优异的结构性能和承重性能；

聚氨酯泡沫具有良好的保温性能，节约管线运行成本；

聚氨酯泡沫吸水率低，具备较好的防水性能，运行寿命长久；

聚氨酯泡沫可根据不同管径及运行环境，调整泡沫密度，实现经济效益最大化；

聚氨酯泡沫可采用多元化加工方式，加工成本低廉，生产效率高。

2 蠕变的研究

蠕变是使构件失效的主要形式。固体材料随着其保持的应力和温度不变，时间不断推移和延长，应变也不断地增加，这种现象称为蠕变。蠕变的持续过程大致可以分为三个阶段，第一阶段被称为初始加速蠕变过程，在初始蠕变的持续过程中，应变强度的增加会使蠕变速度持续增加，但蠕变速度随时间的推移而逐渐减慢；第二阶段被称为稳态加速蠕变过程，此阶段应变会匀速增加；第三阶段则称为加速稳态蠕变的持续过程，此阶段应变会加速增加，直至构件发生失效[2]。

通过实验发现，环境温度、载荷大小及加载时间会直接影响聚氨酯保温层的蠕变性能。在高温环境中，材料的蠕变速率明显加快。施加的载荷逐渐增大，加快蠕变进程，甚至只表现出加速蠕变过程，发生断裂。

聚氨酯保温管的工作环境恰恰存在这样的条件，保温管长期暴露在土壤中，工作钢管中输送的流体具有一定温度，长期在此环境下运行必会导致保温层发生蠕变。

3 应力松弛的研究

应力松弛主要是一种由高分子粘弹性特殊而产生的一种物理现象，用外力突然让其发生特定的变形，维持这个变形过程中所需力量与时间的关系。蠕变现象会不断增加构件的塑形变形，而构件的总形变始终保持在一定范围内，相应地会大大减少弹性变形，随着时间不断延长，应力缓慢降低，这种现象叫应力松弛。

蠕变是在恒定应力作用情况下，应变缓缓增加的一个过程，应力松弛也可以类比为高、低不同应力作用下的蠕变。通过构造蠕变和应力松弛的转换模型，既能有效降低转换时间成本，亦可利用蠕变的实验模型推导出应力松弛特征参数。

4 聚氨酯保温管力学性能计算

本文根据聚氨酯材料力学性能的基础上，采用实验和理论相结合的方式，对常温环境中的聚氨酯保温管进行应力松弛及蠕变分析。在相同温度、不同应力、不同初始应变下聚氨酯保温管的应力松弛和蠕变行为，探索其影响因素及变化机理。

选取保温层筒壁半径为r的任意一点，以Z轴建立空间坐标轴系（r，θ，Z）。任意截取一段聚氨酯保温层，如图1所示，以此微元体作为研究对象。

图1 聚氨酯保温层中弹性微元体

微元体主要受三个方向作用力， 以σr表示沿半径r方向的径向应力，以σθ表示沿θ方向的周向应力，以σZ表示沿Z方向的轴向应力。相应的，以εr表示径向应变，以εθ表示周向应变，以εZ表示轴向应变。w表示轴向径向位移，u表示轴向位移。在不计重力的情况下，微元体的几何结构和受力载荷基本轴对称，而且Z轴方向保持不变，保温层筒体的几何结构、受力载荷沿Z轴方向基本不变，w只与r有关，u只与Z有关[3]。

微元体的平衡方程为：

几何方程为：

物理方程为：

其中：E为弹性体弹性模量；

μ为弹性体泊松比。

以聚氨酯保温管为例，在工作环境中，受外力P0和内力Pi，钢管直径为Ri，聚氨酯弹性体半径为R0，如图2所示。

图2 保温管聚氨酯弹性体示意图

计算聚氨酯弹性体径向位移方程为：

当保温管聚氨酯弹性体所受的外力为特定值时，忽略工作钢管的径向形变，可给定其边界 条件：

在r=Ri处，；

在r=Ro处，。

由此可计算未知量Pi和Ro。

5 聚氨酯保温管常温蠕变实验

通过蠕变实验考察聚氨酯保温管随时间变化获得的蠕变数据，对其蠕变影响因素及变化机理进行探索，建立聚氨酯保温管常温条件下蠕变的模型。

5.1 实验装置

设计搭建聚氨酯保温管常温蠕变实验装置，如图3所示。实验装置由装置底架、保温管固定块、保温管、砝码、砝码支架、千分表支架及千分表组成。聚氨酯保温管放置在装置底架，由固定块固定位置。在保温层中部放置砝码支架，下方加装砝码，千分表测定聚氨酯保温层偏移量[4]。

图3 保温管聚氨酯管常温蠕变实验装置示意图

5.2 实验材料

截取一段φ219聚氨酯保温管，管段的长度约为800mm。泡沫层厚度75mm，长度为300mm，聚氨酯密度60kg/m3。如图4所示，保温管中部B段作为检验承压部分，长度为100mm。本次测试承压件的两部分为保温层段A，长度为100mm。A段与B段之间剪切有两个5mm贯穿的剪切口，保温层完全分离，钢管保持完整，切口垂直于钢管轴线。

5.3 实验步骤

（1）首先将试样聚氨酯保温管置于温度为23±2℃环境中，测量聚氨酯保温层的厚度S；

（2）将试样的钢管内部中通入热流体进行提高温度，温度升到140±2℃后仍需保持温度恒定。环境条件下的温度维持23±2℃不变，进行蠕变性能 检测；

（3）采用不同重量的砝码，对实验保温层施加不同径向力F。砝码的重量定为1.5±0.01KN。待负载作用力恒定后，记录千分表数值。

（4）保持试样钢管温度不变，分别在施加径向力后的100h和1000h的时刻，记录径向偏移量ΔS100和ΔS1000。

5.4 数据处理

试样聚氨酯保温管蠕变实验数据如表1所示。

表1 蠕变实验数据

其中Δε为实验记录时间时，试样的压缩总应变减去了蠕变，即：

创建双曲轴对数坐标曲线示意图，横向轴坐标表示时间（h），纵向轴坐标表示径向量的位移（mm）。以测定的ΔS=0为坐标原点，依次将ΔS100和ΔS1000测得值标示在该双对数坐标图，连接形成一条直线，如图5所示。

图5 试样保温层蠕变实验结果

5.5 压缩蠕变实验结果推算

根据不同时间的蠕变位移量，可模拟计算试样保温层蠕变公式。因为保温管蠕变是一个长期的过程，只与时间、载荷和温度有关，蠕变公式为：

其中：ε为总应变；

ε0为蠕变开始时的应变；

t为蠕变时间；

σ为蠕变的应力水平；

Q为活化能；

R为气体常数；

T为热力学温度；

n、m为材料常数。

在相同的温度和载荷下，Q、R、T都是常数，公式可简化为：

其中：

式中的k与蠕变载荷、温度有关，载荷越大、温度越高，k值越大。

将公式两边取常用对数得到：

将表1中的数据进行最小二乘法线性拟合，得到：

由此得到蠕变公式为：

根据此蠕变公式，可推算保温管使用3 0年（262800小时）时的径向位移增量为16.3mm。

6 结语

（1）本文聚氨酯保温管保温材料抗蠕变性能测试的试验方法和实验装置参照GB/T 29046《城镇供热预制直埋保温管道技术指标检测方法》设计；

（2）聚氨酯保温管保温层可类比为无限长度的筒体，在工作环境中受到环向的压力载荷并不相同，径向压缩量也不相同。本实验装置模拟单一径向的压力载荷对聚氨酯保温层的压缩位移；

（3）本文所述蠕变实验及推算结果可用于不同工艺直埋聚氨酯保温管的性能比较。亦可用于研究运行输送流体温度对聚氨酯保温管的寿命影响。