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山東省塑料管道係統工程技術研究中心

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PVC-U管材脆性破壞原因分析
文章來源 : 欧宝体育APP集團 發布時間 : 2017-08-11 瀏覽量:

持久使用的塑料管道不可避免的會發生破壞。破壞類型可分脆性破壞與韌性破壞。脆性破壞是管道斷截麵附近或在斷截麵上,沒有明顯大的塑性變形。斷裂前管材的形變是均勻的,致使管材斷裂迅速貫穿垂直於應力方向的平麵,應變不大,而且斷裂所需的能量也不大。而韌性破壞則存在不可逆的塑性變形,伴隨著大得多的形變。斷裂麵形狀和斷裂能是區別脆性和韌性破壞最主要的指標。

一、脆性破壞的理論基礎
由於所有實際存在的材料表麵不可能不存在裂縫和缺陷(如表麵劃痕、內部夾雜、微孔、晶界、相界麵等),因而斷裂的裂縫理論認為,這些裂縫和缺陷會使應力集中於裂縫的尖端處,而遠高於管材受到的平均應力。當它達到和超過某一臨界條件時,裂縫會失去穩定性而發生擴展,最終在最低的名義應力下引起材料的斷裂。

分子理論:
脆性破壞的分子理論認為材料的破壞是一個鬆弛過程,宏觀斷裂是微觀化學鍵的斷裂和熱活化過程。即當原子熱運動的能量超過束縛原子間的壁壘時,會使化學鍵解離。當破裂的化學鍵達到一定數目後,材料便失去了承載能力,從而發生斷裂。

二、PVC- U管材使用過程中的脆性破壞現象

PVC-U管材在使用過程中發生的脆性破壞主要原因可總結為以下四點:

1 .氣錘的影響:

PVC-U管材使用時,未能排淨管路內空氣或排氣閥設置不當,管路內存在氣體時,易使管路內產生氣囊,管道中的氣囊雖然不能直接造成水錘,但可借助水錘造成危害。

在正常情況下,管道中的水流可近似地看成是恒定流(壓力、流速、溫度不變)。在這種狀態下,水中的氣體要逐漸地析出,形成大小不等的氣泡上升到管壁,氣泡按水流流速向前運動。在上坡段,由於浮力的作用,氣泡流速可能大於水流速。因管壁有一定粗糙度,各氣泡運動方向相同,很難聚集成大氣泡。小氣泡沿管壁一定寬度向前流動,經過最高點排氣閥時,排氣管直徑內的氣泡有條件排出,而其他氣泡靠水流的推力向下遊流去。由於管壁處的紊流和流速和切線特性,使一些經過排氣管的小氣泡越過排氣孔也向下遊流去。

越過排氣閥的氣泡順坡而行,運動方向與氣泡所受浮力的分力方向相反,這個浮力合力產生的阻力,必然使氣泡運動的速度減慢,後序氣泡容易撞擊前麵氣泡而全成大氣泡。氣囊能引起爆管,是由於快速開關閥門或水泵起停,使管道出現了大的壓力增值,氣體的可壓縮特性,使應力集中到氣囊產生高壓而爆管。

2 .劃痕的影響:

安裝、運輸過程中,對PVC-U管材表麵造成了劃痕、磕碰等損傷。

根據脆性破壞的裂縫理論,這些劃痕會使應力集中於劃痕尖端處,而遠高於管材受到的平均應力,當此應力達到並超過某一臨界值時,裂縫會發生擴展,由於PVC-U為脆性材料,裂縫擴展速度很快,造成脆性破壞。

3 .水擊的影響:

水擊是指壓力瞬變過程,是管路中不穩定流動所引起的一種特殊的重要現象。當由於某種原因引起管路中流速突然變化時,例如開關閥門過快,突然斷電停泵,都會引起管內壓力突然變化,造成水擊。水擊又稱水錘。通常,在給水管道係統中,由於下列原因造成水錘:

1)水泵的關閉

2)給水管道係統壓力過高,閥門、龍頭突然關閉。發生水擊現象的物理原因,主要是由於液體具有慣性和壓縮性。閥門關閉產生增壓波,增壓波傳到管路上遊反射回來的減壓波又傳到閥門處為止,所需時間為2L/a。L=管長度;a=壓力波速。

當閥門關閉時間Tc<2L/a,最早由閥門處產生的向管道上遊傳播,而又反射回來的減壓波,在閥門全部關閉時還未到達閥門處,則在閥門處可能產生最大的水擊壓力,稱為直接水擊。

當閥門關閉時間Tc>2L/a,由管道上遊反射回來的減壓波會部分抵消水擊增壓,使閥門處的水擊壓力不致於達到直接水擊增壓值,稱為間接水擊。

當水擊壓力足夠大時,會使PVC-U管材發生脆性破壞,即使管材不發生破壞,當水擊反複發生時,特別是頻率較高時,在管內產生一個較大的內壓力同時,對管子也施加了疲勞載荷。

4.拋摔的影響

在貯存、運輸、安裝PVC-U管材時,對管材的拋摔會使管材發生細小的裂縫或缺陷,根據脆性破壞的裂縫理論,在此處極易發生應力集中而導致管材的脆性破壞。