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聚氯乙烯管的性能及应用

浏览次数: 日期:2011年8月6日 15:08

摘要:

       PVC 管(全称 聚氯乙烯 塑胶硬质管)的应用,始于第二次世界大战后的1940年,由欧洲、美国、日本等工业国家相继开发、推广。在我国近二、三十年来,因建筑业、工商业及农渔业的蓬勃发展,由于 PVC 管具有优异的特性及符合经济实用的价值,促使其使用量与日俱增,在建筑工程、一般土木工程、自来水工程、下水道工程、电讯工程、农渔业工程等,皆普遍、广泛应用。笔者在几年的设计工作中大量接触到有关 PVC 管的管线设计,特总结出以下几点应注意的问题,与大家共同探讨。
  1. PVC 管的抗拉强度
  1.1 PVC 管的抗拉强度,是将试片以10mm/min的拉引速度,测定其断裂时最大荷重,除以试片的最小断面积而得。
  1.2 PVC 管的抗拉强度与温度的高低变化有密切的关系,温度提高时, 抗拉强度、弹性系数会相对的降低;温度降低时, 抗拉强度、弹性系数会提高,而温度低于0℃时会逐渐有脆性现象,故在管线设计上需留意温度的条件。
  1.3 参照图1,是 PVC 管的抗拉强度与温度的关系曲线图,温度在20℃时, 抗拉强度可达530kg/cm2,如在40℃时,则会降至400kg/ cm2。
  1.4 图2为 PVC 管长期间负荷后的抗拉强度变化曲线,该曲线与疲劳曲线很相似,但当其负荷时间延长时,其强度则随时间的增长而逐渐降低,伸长率则有增加的趋势,因此 PVC 管在管线设计上仍需考虑到长期使用的强度变化问题。
  1.5 参照图2, PVC 管的强度虽然随负荷时间而减低,但其减低率亦随时间的增加而越来越小,约到1000小时后几乎不再减低。其长期抗拉强度约为瞬间抗拉强度的1/2,此强度既是 PVC 管的长时间强度,或持久性强度,是一般设计的依据。
  1.6 PVC 管的设计使用年限,均依据图2的关系曲线设定为50年,但如果 PVC 管埋在地下而不露出配管,其寿命应可超过50年。
  2. PVC 管的弹性系数(杨氏系数)
  2.1 材料的应力与所产生变化之比,称为“弹性系数”,公式: E=S/△。
  2.2 弹性系数的测定方法,除可由荷重试验依上式计算外,也可用振动方式作间接测定,图1的弹性系数曲线是由振动方式测定所得的结果。该弹性系数与温度的关系曲线上,有两个转移点,第一次转移点显示 PVC 管开始软化,第二次转移点因其极限伸长率渐小,强度增加,但是延性渐消失,冲击强度变弱,开始有脆性发生。
  2.3 PVC 管在常温的弹性系数约2.8~3.4?04kg/cm2,在外压强度的计算上,一般采用3╳104kg/cm2。
  3. PVC 管的内压强度
  3.1 PVC 管瞬间的爆破水压,可由下列Naday式计算获得。
  PB=2tf/Dm=2tf/(D-t)=4tf/(D+d)
  式中: PB:瞬间的爆破水压(kg/cm2)
  f:抗拉强度(一般采用500 kg/cm2)(kg/cm2)
  t:管厚(cm)
  Dm: PVC 管中线口径(cm)
  D: PVC 管外径(cm)
  d: PVC 管内径(cm)
  3.2 PVC 管的最高常用水压,一般所采用的安全系数S=6。
  3.3 PVC 管的使用温度,一般以常温最适合,如使用温度提高,其耐内压强度的比率应相对加以降低,其各种温度下的耐内压比率可参照表1采用。
  4. PVC 管的外压强度
  4.1 PVC 管所承受的外压,来自土压和轮压,可由Janssen式计算。
  垂直土压:PE=Bρ〔L-(2Ktanθ)/2Ktanθ〕
  垂直轮压:PM=(L+i)W/(L+h)(b+2h)
  式中:B:新挖掘的管沟宽度(计算采用50cm)(cm)
  ρ:覆盖土壤的密度(0.0018kg/cm3)(kg/cm3)
  h:覆土高度(cm)
  i:车轮荷中的冲击率(一般采用0.3)
  W:轮胎荷重(后轮一轮)(kg)
  L:轮胎的接地长度(cm)
  b:轮胎的接地宽度(cm)
  K=(1-sinθ)/(1+sinθ)
  5. PVC 管的伸缩问题
  5.1 PVC 管与其他材质相同,具有热胀冷缩的特性,其线膨胀系数,也随温度的高低而有变化,一般以0~100℃的平均值表示,参照图3当温度增高时其线膨胀系数亦随之增加,常温下线膨胀系数在6~8?0-5/℃,管线设计中一般采用7?0-5/℃。
  5.2 PVC 管因材质的热胀冷缩,其管线受气温的变化,将会产生伸缩,其伸缩量可由下列公式计算。
  △l=(Q1-Q2)L.a
  式中:△l:管线伸缩量(cm)
  Q1-Q2:温度差(℃)
  L:直线配管长度(cm)
  a:线膨胀系数(℃-1)
  5.3 PVC 管的管线设计中,直线配管必须考虑伸缩问题,尤其露出配管更应留意,若采用活套管,因活套管的承口本身就是一种伸缩接头,所以不必考虑本项问题。但露出配管采用TS冷接法,配管直线长度超过50M,就应安装伸缩接头或Ω状伸缩接头(ExpansionJoint),而活套管施工时,应依规定预留间隙,才可发挥伸缩效果。
  6. PVC 排水管的流量计算
  6.1 PVC 管的排水流动,一般靠管线的坡度来达成流动效果(以泵输送,不在本文叙述范围中)。由于 PVC 管的内壁很光滑,其粗糙程度系数为0.009(铸铁为0.015),故在相同的内径之下, PVC 管的流量远较金属管为大,且长期使用管内不会粘附水垢,故流量始终不至有低落的变化,在加 PVC 管的优异耐酸、耐碱、耐腐蚀特性,为下水道工程管线最实用的管材之一。
  6.2 PVC 排水管的流量计算,可用Maning式计算。
  Q=A.V
  V=R2/3.I1/2
  式中:Q:流量(m3/sec)
  A:流水断面积(m2)
  n:粗糙系数
  R:径深(m)
  I:管路的坡度(以分数或小数表示)
  R=(满管或半管,R=)
  S:流水断面弧长(m)
  粗糙系数: PVC 管:0.009 水泥管:0.013 铸铁管:0.015
  7. PVC 管的水头损失与流量
  7.1 自来水管因直线配管长度,管内水的流速产生的摩擦水头损失可由下式计算。
  h=λ.……………………(1)
  式中: h:损失水头(m)
  λ:摩擦系数
  l:配管长度(m)
  d:管内径(m)
  V:流速(m/sec)
  g:重力加速度(9.8m/sec2)
  I=(动水坡度)………………(2)
  由(1)、(2)式,可得
  V=(2g)0.5λ-0.5.I 0.5.d 0.5
  7.2 流量计算
  Q=(2g)0.5λ-0.5.I 0.5.d 2.5=3.4776λ-0.5.I 0.5.d 2.5
  3.4776λ-0。5= C(流量系数)
  由以上得:Q= C.I 0.54.d 2.27(适用于口径在63mm以下的管子)
  流量系数:C=215
  Q=0.2785 C.I 0.57.d 2.63(适用于口径在75mm以上的管子)
  流量系数:C=140
  8. PVC 管外露配管的支撑间距
  表1PVC 管外露配管的支撑间距 单位:m

 

 

标称管径

直向支撑间距

横向支撑间距

11/4''(40Φ)以下

1.5

1.0

11/2''(50Φ)~21/2''(50Φ)

2.0

1.5

3''(90Φ)以上

2.5

2.0

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