楊錕昊 羅維多 蔣 沛

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)管網(wǎng)高層次技術(shù)革新推動(dòng)聚氨酯保溫管的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。聚氨酯材料是一種新型高性能高分子聚合物，與傳統(tǒng)材料相比，具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

聚氨酯材料主要可以細(xì)分為硬質(zhì)泡沫、半軟半硬質(zhì)泡沫及柔性泡沫，根據(jù)選用的配方、原材料和催化劑有所差異。聚氨酯保溫管通常選用堅(jiān)硬泡沫塑料。聚氨酯材料是以各種固態(tài)材料作為基體，具有良好的機(jī)械性能，如硬度、強(qiáng)度、耐磨性和抗沖擊性相對(duì)于傳統(tǒng)材料優(yōu)良。聚氨酯保溫管不僅導(dǎo)熱系數(shù)低，提高了保溫效果，降低熱損耗，節(jié)約能源，而且具有防腐優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)了管網(wǎng)運(yùn)行壽命。

尺寸穩(wěn)定性差是聚氨酯高分子材料的一個(gè)固有缺陷，在正常環(huán)境下也可能會(huì)出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，從而直接導(dǎo)致聚氨酯保溫層的結(jié)構(gòu)破壞，在其生產(chǎn)和使用過(guò)程中我們需對(duì)此進(jìn)行充分考慮。在恒定的溫度和應(yīng)力的條件下，隨著時(shí)間不斷延長(zhǎng)，固體材料的應(yīng)變會(huì)持續(xù)增加，這種現(xiàn)象叫蠕變現(xiàn)象。蠕變現(xiàn)象會(huì)不斷增加固體材料的塑性變形，并且相應(yīng)減少?gòu)椥宰冃危诳傋冃伪３植蛔兊臈l件下，應(yīng)力會(huì)緩慢減弱，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象普遍存在于聚氨酯保溫管的日常存儲(chǔ)過(guò)程中，如若存儲(chǔ)場(chǎng)所環(huán)境溫度較高，這種現(xiàn)象尤為明顯。蠕變和應(yīng)力松弛對(duì)聚氨酯保溫層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了破壞，嚴(yán)重影響管網(wǎng)的運(yùn)行壽命。在不影響聚氨酯保溫層材料特性的前提下，進(jìn)行蠕變和應(yīng)力松弛研究，對(duì)于管網(wǎng)運(yùn)行壽命及安全性有深遠(yuǎn)意義[1]。

1 聚氨酯在保溫管行業(yè)中的應(yīng)用

1.1 聚氨酯材料的基本性質(zhì)

聚氨酯是一類具有高分子結(jié)構(gòu)化合物共聚體的總稱，由異氰酸酯與羥基化合物（多元醇）作用而成。聚氨酯產(chǎn)品種類繁多，應(yīng)用最廣泛的為聚氨酯保溫材料類產(chǎn)品，而聚氨酯彈性體類產(chǎn)品應(yīng)用于生活方方面面，聚氨酯涂料類產(chǎn)品多應(yīng)用于工業(yè)。

聚氨酯材料通過(guò)改變?cè)牧系呐浔龋砑硬煌拇呋瘎┗虿捎貌煌某尚凸に嚕色@得差異較大的產(chǎn)品。聚氨酯材料按其密度和導(dǎo)熱系數(shù)大致可分為三類，即：硬質(zhì)聚氨酯泡沫、半軟質(zhì)聚氨酯泡沫和柔性聚氨酯泡沫。聚氨酯保溫管行業(yè)中多采用堅(jiān)硬的彈性聚氨酯泡沫。

1.2 聚氨酯在保溫管行業(yè)中的應(yīng)用

聚氨酯材料作為新型保溫材料，具有隔熱保溫性能優(yōu)良、強(qiáng)度高、重量輕、成型工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在保溫管網(wǎng)行業(yè)中顯示出明顯的效益性，廣泛應(yīng)用。

聚氨酯材料在保溫管道復(fù)合體系中發(fā)揮出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能和承重性能；

聚氨酯泡沫具有良好的保溫性能，節(jié)約管線運(yùn)行成本；

聚氨酯泡沫吸水率低，具備較好的防水性能，運(yùn)行壽命長(zhǎng)久；

聚氨酯泡沫可根據(jù)不同管徑及運(yùn)行環(huán)境，調(diào)整泡沫密度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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，生產(chǎn)效率高。

2 蠕變的研究

蠕變是使構(gòu)件失效的主要形式。固體材料隨著其保持的應(yīng)力和溫度不變，時(shí)間不斷推移和延長(zhǎng)，應(yīng)變也不斷地增加，這種現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變的持續(xù)過(guò)程大致可以分為三個(gè)階段，第一階段被稱為初始加速蠕變過(guò)程，在初始蠕變的持續(xù)過(guò)程中，應(yīng)變強(qiáng)度的增加會(huì)使蠕變速度持續(xù)增加，但蠕變速度隨時(shí)間的推移而逐漸減慢；第二階段被稱為穩(wěn)態(tài)加速蠕變過(guò)程，此階段應(yīng)變會(huì)勻速增加；第三階段則稱為加速穩(wěn)態(tài)蠕變的持續(xù)過(guò)程，此階段應(yīng)變會(huì)加速增加，直至構(gòu)件發(fā)生失效[2]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度、載荷大小及加載時(shí)間會(huì)直接影響聚氨酯保溫層的蠕變性能。在高溫環(huán)境中，材料的蠕變速率明顯加快。施加的載荷逐漸增大，加快蠕變進(jìn)程，甚至只表現(xiàn)出加速蠕變過(guò)程，發(fā)生斷裂。

聚氨酯保溫管的工作環(huán)境恰恰存在這樣的條件，保溫管長(zhǎng)期暴露在土壤中，工作鋼管中輸送的流體具有一定溫度，長(zhǎng)期在此環(huán)境下運(yùn)行必會(huì)導(dǎo)致保溫層發(fā)生蠕變。

3 應(yīng)力松弛的研究

應(yīng)力松弛主要是一種由高分子粘彈性特殊而產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象，用外力突然讓其發(fā)生特定的變形，維持這個(gè)變形過(guò)程中所需力量與時(shí)間的關(guān)系。蠕變現(xiàn)象會(huì)不斷增加構(gòu)件的塑形變形，而構(gòu)件的總形變始終保持在一定范圍內(nèi)，相應(yīng)地會(huì)大大減少?gòu)椥宰冃?，隨著時(shí)間不斷延長(zhǎng)，應(yīng)力緩慢降低，這種現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。

蠕變是在恒定應(yīng)力作用情況下，應(yīng)變緩緩增加的一個(gè)過(guò)程，應(yīng)力松弛也可以類比為高、低不同應(yīng)力作用下的蠕變。通過(guò)構(gòu)造蠕變和應(yīng)力松弛的轉(zhuǎn)換模型，既能有效降低轉(zhuǎn)換時(shí)間成本，亦可利用蠕變的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯茖?dǎo)出應(yīng)力松弛特征參數(shù)。

4 聚氨酯保溫管力學(xué)性能計(jì)算

本文根據(jù)聚氨酯材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方式，對(duì)常溫環(huán)境中的聚氨酯保溫管進(jìn)行應(yīng)力松弛及蠕變分析。在相同溫度、不同應(yīng)力、不同初始應(yīng)變下聚氨酯保溫管的應(yīng)力松弛和蠕變行為，探索其影響因素及變化機(jī)理。

選取保溫層筒壁半徑為r的任意一點(diǎn)，以Z軸建立空間坐標(biāo)軸系（r，θ，Z）。任意截取一段聚氨酯保溫層，如圖1所示，以此微元體作為研究對(duì)象。

圖1 聚氨酯保溫層中彈性微元體

微元體主要受三個(gè)方向作用力， 以σr表示沿半徑r方向的徑向應(yīng)力，以σθ表示沿θ方向的周向應(yīng)力，以σZ表示沿Z方向的軸向應(yīng)力。相應(yīng)的，以εr表示徑向應(yīng)變，以εθ表示周向應(yīng)變，以εZ表示軸向應(yīng)變。w表示軸向徑向位移，u表示軸向位移。在不計(jì)重力的情況下，微元體的幾何結(jié)構(gòu)和受力載荷基本軸對(duì)稱，而且Z軸方向保持不變，保溫層筒體的幾何結(jié)構(gòu)、受力載荷沿Z軸方向基本不變，w只與r有關(guān)，u只與Z有關(guān)[3]。

微元體的平衡方程為：

幾何方程為：

物理方程為：

其中：E為彈性體彈性模量；

μ為彈性體泊松比。

以聚氨酯保溫管為例，在工作環(huán)境中，受外力P0和內(nèi)力Pi，鋼管直徑為Ri，聚氨酯彈性體半徑為R0，如圖2所示。

圖2 保溫管聚氨酯彈性體示意圖

計(jì)算聚氨酯彈性體徑向位移方程為：

當(dāng)保溫管聚氨酯彈性體所受的外力為特定值時(shí)，忽略工作鋼管的徑向形變，可給定其邊界 條件：

在r=Ri處，；

在r=Ro處，。

由此可計(jì)算未知量Pi和Ro。

5 聚氨酯保溫管常溫蠕變實(shí)驗(yàn)

通過(guò)蠕變實(shí)驗(yàn)考察聚氨酯保溫管隨時(shí)間變化獲得的蠕變數(shù)據(jù)，對(duì)其蠕變影響因素及變化機(jī)理進(jìn)行探索，建立聚氨酯保溫管常溫條件下蠕變的模型。

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)搭建聚氨酯保溫管常溫蠕變實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)裝置由裝置底架、保溫管固定塊、保溫管、砝碼、砝碼支架、千分表支架及千分表組成。聚氨酯保溫管放置在裝置底架，由固定塊固定位置。在保溫層中部放置砝碼支架，下方加裝砝碼，千分表測(cè)定聚氨酯保溫層偏移量[4]。

圖3 保溫管聚氨酯管常溫蠕變實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

5.2 實(shí)驗(yàn)材料

截取一段φ219聚氨酯保溫管，管段的長(zhǎng)度約為800mm。泡沫層厚度75mm，長(zhǎng)度為300mm，聚氨酯密度60kg/m3。如圖4所示，保溫管中部B段作為檢驗(yàn)承壓部分，長(zhǎng)度為100mm。本次測(cè)試承壓件的兩部分為保溫層段A，長(zhǎng)度為100mm。A段與B段之間剪切有兩個(gè)5mm貫穿的剪切口，保溫層完全分離，鋼管保持完整，切口垂直于鋼管軸線。

5.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）首先將試樣聚氨酯保溫管置于溫度為23±2℃環(huán)境中，測(cè)量聚氨酯保溫層的厚度S；

（2）將試樣的鋼管內(nèi)部中通入熱流體進(jìn)行提高溫度，溫度升到140±2℃后仍需保持溫度恒定。環(huán)境條件下的溫度維持23±2℃不變，進(jìn)行蠕變性能 檢測(cè)；

（3）采用不同重量的砝碼，對(duì)實(shí)驗(yàn)保溫層施加不同徑向力F。砝碼的重量定為1.5±0.01KN。待負(fù)載作用力恒定后，記錄千分表數(shù)值。

（4）保持試樣鋼管溫度不變，分別在施加徑向力后的100h和1000h的時(shí)刻，記錄徑向偏移量ΔS100和ΔS1000。

5.4 數(shù)據(jù)處理

試樣聚氨酯保溫管蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

其中Δε為實(shí)驗(yàn)記錄時(shí)間時(shí)，試樣的壓縮總應(yīng)變減去了蠕變，即：

創(chuàng)建雙曲軸對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線示意圖，橫向軸坐標(biāo)表示時(shí)間（h），縱向軸坐標(biāo)表示徑向量的位移（mm）。以測(cè)定的ΔS=0為坐標(biāo)原點(diǎn)，依次將ΔS100和ΔS1000測(cè)得值標(biāo)示在該雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，連接形成一條直線，如圖5所示。

圖5 試樣保溫層蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.5 壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算

根據(jù)不同時(shí)間的蠕變位移量，可模擬計(jì)算試樣保溫層蠕變公式。因?yàn)楸毓苋渥兪且粋€(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，只與時(shí)間、載荷和溫度有關(guān)，蠕變公式為：

其中：ε為總應(yīng)變；

ε0為蠕變開始時(shí)的應(yīng)變；

t為蠕變時(shí)間；

σ為蠕變的應(yīng)力水平；

Q為活化能；

R為氣體常數(shù)；

T為熱力學(xué)溫度；

n、m為材料常數(shù)。

在相同的溫度和載荷下，Q、R、T都是常數(shù)，公式可簡(jiǎn)化為：

其中：

式中的k與蠕變載荷、溫度有關(guān)，載荷越大、溫度越高，k值越大。

將公式兩邊取常用對(duì)數(shù)得到：

將表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到：

由此得到蠕變公式為：

根據(jù)此蠕變公式，可推算保溫管使用3 0年（262800小時(shí)）時(shí)的徑向位移增量為16.3mm。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本文聚氨酯保溫管保溫材料抗蠕變性能測(cè)試的試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置參照GB/T 29046《城鎮(zhèn)供熱預(yù)制直埋保溫管道技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)方法》設(shè)計(jì)；

（2）聚氨酯保溫管保溫層可類比為無(wú)限長(zhǎng)度的筒體，在工作環(huán)境中受到環(huán)向的壓力載荷并不相同，徑向壓縮量也不相同。本實(shí)驗(yàn)裝置模擬單一徑向的壓力載荷對(duì)聚氨酯保溫層的壓縮位移；

（3）本文所述蠕變實(shí)驗(yàn)及推算結(jié)果可用于不同工藝直埋聚氨酯保溫管的性能比較。亦可用于研究運(yùn)行輸送流體溫度對(duì)聚氨酯保溫管的壽命影響。