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山东省塑料管道系统工程技术研究中心

PVC-U管材脆性破坏原因分析
文章来源 : 陆宇集团 发布时间 : 2017-08-11 浏览量:

持久使用的塑料管道不可避免的会发生破坏。破坏类型可分脆性破坏与韧性破坏。脆性破坏是管道断截面附近或在断截面上,没有明显大的塑性变形。断裂前管材的形变是均匀的,致使管材断裂迅速贯穿垂直于应力方向的平面,应变不大,而且断裂所需的能量也不大。而韧性破坏则存在不可逆的塑性变形,伴随着大得多的形变。断裂面形状和断裂能是区别脆性和韧性破坏最主要的指标。

一、脆性破坏的理论基础
由于所有实际存在的材料表面不可能不存在裂缝和缺陷(如表面划痕、内部夹杂、微孔、晶界、相界面等),因而断裂的裂缝理论认为,这些裂缝和缺陷会使应力集中于裂缝的尖端处,而远高于管材受到的平均应力。当它达到和超过某一临界条件时,裂缝会失去稳定性而发生扩展,最终在最低的名义应力下引起材料的断裂。

分子理论:
脆性破坏的分子理论认为材料的破坏是一个松弛过程,宏观断裂是微观化学键的断裂和热活化过程。即当原子热运动的能量超过束缚原子间的壁垒时,会使化学键解离。当破裂的化学键达到一定数目后,材料便失去了承载能力,从而发生断裂。

二、PVC- U管材使用过程中的脆性破坏现象

PVC-U管材在使用过程中发生的脆性破坏主要原因可总结为以下四点:

1 .气锤的影响:

PVC-U管材使用时,未能排净管路内空气或排气阀设置不当,管路内存在气体时,易使管路内产生气囊,管道中的气囊虽然不能直接造成水锤,但可借助水锤造成危害。

在正常情况下,管道中的水流可近似地看成是恒定流(压力、流速、温度不变)。在这种状态下,水中的气体要逐渐地析出,形成大小不等的气泡上升到管壁,气泡按水流流速向前运动。在上坡段,由于浮力的作用,气泡流速可能大于水流速。因管壁有一定粗糙度,各气泡运动方向相同,很难聚集成大气泡。小气泡沿管壁一定宽度向前流动,经过最高点排气阀时,排气管直径内的气泡有条件排出,而其他气泡靠水流的推力向下游流去。由于管壁处的紊流和流速和切线特性,使一些经过排气管的小气泡越过排气孔也向下游流去。

越过排气阀的气泡顺坡而行,运动方向与气泡所受浮力的分力方向相反,这个浮力合力产生的阻力,必然使气泡运动的速度减慢,后序气泡容易撞击前面气泡而全成大气泡。气囊能引起爆管,是由于快速开关阀门或水泵起停,使管道出现了大的压力增值,气体的可压缩特性,使应力集中到气囊产生高压而爆管。

2 .划痕的影响:

安装、运输过程中,对PVC-U管材表面造成了划痕、磕碰等损伤。

根据脆性破坏的裂缝理论,这些划痕会使应力集中于划痕尖端处,而远高于管材受到的平均应力,当此应力达到并超过某一临界值时,裂缝会发生扩展,由于PVC-U为脆性材料,裂缝扩展速度很快,造成脆性破坏。

3 .水击的影响:

水击是指压力瞬变过程,是管路中不稳定流动所引起的一种特殊的重要现象。当由于某种原因引起管路中流速突然变化时,例如开关阀门过快,突然断电停泵,都会引起管内压力突然变化,造成水击。水击又称水锤。通常,在给水管道系统中,由于下列原因造成水锤:

1)水泵的关闭

2)给水管道系统压力过高,阀门、龙头突然关闭。发生水击现象的物理原因,主要是由于液体具有惯性和压缩性。阀门关闭产生增压波,增压波传到管路上游反射回来的减压波又传到阀门处为止,所需时间为2L/aL=管长度;a=压力波速。

当阀门关闭时间Tc<2L/a,最早由阀门处产生的向管道上游传播,而又反射回来的减压波,在阀门全部关闭时还未到达阀门处,则在阀门处可能产生最大的水击压力,称为直接水击。

当阀门关闭时间Tc>2L/a,由管道上游反射回来的减压波会部分抵消水击增压,使阀门处的水击压力不致于达到直接水击增压值,称为间接水击。

当水击压力足够大时,会使PVC-U管材发生脆性破坏,即使管材不发生破坏,当水击反复发生时,特别是频率较高时,在管内产生一个较大的内压力同时,对管子也施加了疲劳载荷。

4.抛摔的影响

在贮存、运输、安装PVC-U管材时,对管材的抛摔会使管材发生细小的裂缝或缺陷,根据脆性破坏的裂缝理论,在此处极易发生应力集中而导致管材的脆性破坏。