塑料管道基本计算

en =dn/(2S+1)
(8)
便可计算管材公称壁厚, 见表4。
表3 公称S值与计算值
公称S值 计算值 公称S值 计算值
2
1. 9953 12. 5 12. 589
2. 5 2. 5119 14 14. 125
3. 2 3. 1623 16 15. 849
4
3. 9811 20 19. 953
5
5. 0119 25 25. 119
ABS
1. 6
PVC - C
1. 6
PB
1. 25
PVC - HI
1. 4
PE
1. 25
PVC - U
1. 6
PE-X
1. 25 PVDF共聚 1. 4
PP共聚 1. 25 PVDF均聚 1. 6
PP均聚
1.6
GB/T 18475 (ISO 12162)的意义
不仅在于给出了热塑性管材的分类和命 名，它还是热塑性压力管道的设计基础，该 标准还给出了总使用设计系数C：“是一个大 于1的数值，它的取值考虑了使用条件和管道 系统组件的性能，而不考虑置信下限已包含 的因素”。CEN/TC 155提出了不同塑料管道 的设计使用系数C，并已被ISO/TC 138所认可。 这些规定也已为我国所接受，并在相应国家 标准中确定。
e—误差变量，服从正态分布，平均值为0。
举例PE
20 ℃、60 ℃、80 ℃温度下,选用 不同压力,按照GB/T 6111要求,对管材 试样进行静水压试验,得到满足GB/T 18252 要求的足够的试验数据,再按照 统计学的方法得到环应力与破环时间 的函数关系,并获得外推到50a预测的
长期静液压强度的预测下限σLPL。
按照上述原则,可以用表6的分布为例进行计算:
①将90℃的时间1.7%圆整到2%;
②按照5级应用条件计算,使80℃的时间达到20%, 可以用13.2%的80℃使用时间加上从70℃折算 6%的时间,按照2.5倍的系数,消耗70℃的使用 时间15%;
③70℃的使用剩下7.3%,折算到60℃,相当于18%, 加上60℃原有的使用时间17.3%,得到35%;
内压水平和时间范围分布应满足以下条件：
⑴对每个选定的温度，在至少5个规则地分布的内压水平上观 察试样的破坏时间，得到至少30个观察值。处于统计分析 的需要，要求在一定的应力水平下有多个试验结果，即重 复观察值。选择内压水平时，应做到至少有4个观察值在 7000小时以上，至少有1个观察值在9000小时以上。当拐点 存在时，对两种破坏模式都应收集到可供统计分析的足够 数量的观察值。
该标准规定用小口径（直径φ25—63mm） 管材做一系列静液压试验，通过对结果 的统计分析，在置信概率α下，得到温 度T、试样破坏时间t、环应力σ之间的 关系。从而可得到在使用条件（温度T、 破坏时间t）下管材在97.5%置信下限下 的环应力σ，进而可给出设计应力σD； 反度之T下也给可出以管在材给的定破设坏计时应间力，σ即D和寿使命用。温
⑵任何温度下破坏时间10小时以内的观察值都应舍弃。 ⑶温度小于等于40℃时，若破坏时间在1000小时以上的观察
值的数量已经符合条件⑴的要求，则舍弃破坏时间小于 1000小时的观察值，即舍弃所有符合舍弃条件（温度和破 坏时间）的观察值。 ⑷在最低内压水平没有破坏的试样，可以在多元线性回归计 算和拐点判断时视为观察值，否则也可予以舍弃。
10
100 1. 25
8
设计应力
σD=MRS/C 原材料性质决定了
σD
对压力管道材料
冷水管以 MRS为基础的分级体系； 热水管以管系列S为基础的分级体系。
S=(Dn-en)/2en
GB/T 18475规定了不同材料的总体使用系数C的最小值
表2 各种材料总体使用系数C的最小值
材料 C 的最小值 材料 C 的最小值
6. 3 6. 3096 32 31. 623
8
7. 9433 40 39. 811
10 10. 000 50 50. 119
11. 2 11. 220 63 63. 096
表4 部分公称壁厚值GB/T 10798（ ISO 4065）
公称
管材S 值(标准尺寸比SDR)
外径 3.2 (7. 4) 4 (9) 5 (11) 6.3 (13. 6) 8(17)
℃ 时间/年a ℃ 时间/年 ℃
h
1b
60
49
80
1
95 100
供热水(60℃)
2b
70
49
80
1
95 100
供热水(70℃)
3c
20
0.5
50
4.5
65 100
地板下的低温供热
30
20
40
25
4
20
2.5
70
2.5
100 100 地板下供热和低温暖气
40
20
60
25
5
20
60
80
14
90
25
10
1
表1 材料命名和设计应力
材料 命名
PE63
预测下限
σLPL/ MPa
6. 3 ≤σLPL ≤7. 99
最小要求强 度MRS/ MPa
6. 3
分级 数
63
总体使用
系数C
1. 25
设计应力
σD/ MPa
5
PE80
8 ≤σLPL ≤9. 99
8
80 1. 25
6. 3
PE100 10 ≤σLPL ≤11. 19
R：半径，D Φ ：中径，e：壁厚
(可参见董孝理书)
σ环=2σ纵
σ环大于σ纵因此试验按环应力去做
σ环= P× DΦ/2e
σ环= P× (D-e)/2e ISO方程 (1)
从(1) 可导出：
P = 2e σ环/ (D-e)
(2)
e =D/ (2 σ环/P+1)
(3)
式中： D：外径， D= DΦ+e
100 100
高温暖气
注：本标准仅适用于TD、Tmax 和Tmal的值都不超过表1中第5级的闭式系统。
a 对任一级别，当设计温度不止一个时，时间应当累加处理（例如：对于级别5，50年使 用寿命是：20℃，14年，60℃，25年，80℃，10年，90℃，1年，100℃，100h）。 b 依据国际、国家和地方规范。 c 仅在故障温度不超过65℃适用。
二、设计应力的获得
ISO 1167、GB/T 6111 液压试验，得到基础数据 ISO 9080、 GB/T 18252 外推方法，处理数据,
得到20℃、50年长期强度σLTHS 取σLTHS的97.5%置信下限,得到σLPL ISO 12162、 GB/T 18475 将σLPL圆整,得到MRS ISO 12162 、GB/T 18475 总使用系数C ISO 161-1、GB/T 4217 根据MRS和C值确定设计
110 15. 1 12. 3 10. 0 8. 1
6. 6
小结1
①通过静液压试验及数据处理得到曲线： Lgt=A+b/Tlgσ+C/T+Dlgσ
②外推得到20℃下σLPL，圆整得到材料
MRS，除以总体使用系数C,得到材料的 设计应力σD。 ③壁厚计算：en=Dn/ (2σD/P+1)
四、热水管使用条件级别的确定
表6中，总时间的百分份额是用每年 的小时数除以一年的小时数8760，并保 留一位小数得到。例如：80-90℃， 148/8760×100%≈1.7%。为将实际温度 分布进行“换算”以得到便于设计、计 算的温度分布, 该标准特作下列规定:
a.温度分布在10℃范围内的小时数按这个温度范 围的最高温度计;
应力σD；
管材制备
数据外推
静液压试验
GB/T 6111
GB/T 18252
管材料分级
设计应力
GB/T 4217
GB/T 18475
lgσ T
lgt 图1
Lgt=A+b/Tlgσ+C/T+Dlgσ (4)
（ISO 13670 Miner’s规则） 系数可由试验数据拟和得到。
GB/T 18252、ISO 9080
ISO 10508在通过规定级别的材料制 作的各种塑料管材和管件应符合相关产 品的国际标准后，以压力冷热水系统的 使用条件建立了一个分级体系，作为热 塑性塑料管材和管件系统性能评价和设 计的基础。
表5 使用条件级别（ GB/T 18991 、 ISO 10508 ）
级别
TD
Tmax
Tmal
应用举例
④50℃时的19.2%,折算到60℃,相当于8%,60℃的 使用时间合计为43%,圆整为50%。得到温度-时 间分布为:90℃ 2%； 80℃ 20%；60℃ 50%
上述温度-时间分布在50a的使用寿命 中,得到90℃使用时间1a、80℃使用时间 10a、60℃使用时间25a,这就是第5级的 应用级别。用这样的方法可以得到不同 地区的使用条件级别。
塑料管道基本计算
主要内容
一、基本公式的导出 二、设计应力的获得 三、标准尺寸比与厚度系列 四、热水管使用条件级别的确定 五、热水管的设计应力 六、热水管的厚度系列 七、常用公式
一、基本公式的导出
纵向：流体产生的力：
DΦ
F纵=P×πR2 =P×πDΦ2/4
管壁纵向应力产生的力：
σ纵 ×π×D Φ ×e 静力学平衡条件：
b.用2.5的系数将较低温度应用条件折算到高 10℃的条件,如将60℃或70℃的使用条件折算 成70℃或80℃,可以将使用时间按2.5倍减少。 反之温度按上述规律降低时,时间按2.5倍加长;
c.折算系数可以根据使用要求的严酷程度在2.53中选用;
d.数据按照规定进行圆整;
e.异常温度的时间不计算在时间-温度分布中,另 做考虑。
设计应用单位可以按照使用条件的级 别选用合适的产品种类和规格。
32 4. 4 3. 6 2. 9
2. 4
1. 9
40 5. 5 4. 5 3. 7
3. 0
2. 4
Βιβλιοθήκη Baidu
50 6. 9 5. 6 4. 6
3. 7
3. 0
63 8. 6 7. 1 5. 8
4. 7
3. 8
75 10. 3 8. 4 6. 8
5. 6
4. 5
90 12. 3 10. 1 8. 2
6. 7
5. 4
试验温度要求
在两个或两个以上温度进行试验，温度应满足以下条件： ⑴每对相邻的温度至少相差10℃。 ⑵对无定形的聚合物或主要是无定形的聚合物，最高试验温
度Tt,max不应超过维卡软化温度以下15℃，对结晶或部分 结晶聚合物，Tt,max不应超过熔点以下15℃。 ⑶为了得到长期静液压强度的置信下限σLPL的最佳估计值， 试验温度范围应包括使用温度或使用温度范围。 ⑷如果在最低试验温度以下20℃范围内材料不发生物态变化， 最低试验温度下所得数据可以向下外推20℃。 对聚乙烯典型的试验温度是20℃、40℃、60℃。
按照GB/T 18475 (ISO 12162) 和 GB/T 4217（ISO 161）的规定,对预测
下限σLPL进行圆整,得到最小要求强度
MRS,得到材料的分级数和对应的材料命 名。按照GB/T 18475规定，选用材料总 体使用系数C,用材料MRS除以C,得到计 算管材厚度所必须的材料设计应力,见 表1 。
数学计算
该标准使用了四参数模型，考虑了韧性、脆性两种 破坏模式，给出了两种模式转换点（拐点）的自动 检测方法。
四参数模型：
log10t=c1+c2/T+c3log10σ+c4(log10σ)/T+e 式中：t—破坏时间，单位h；
T—温度，单位K；
σ—环应力，单位MPa；
ci—参数，i＝1，2，3，4；
F纵=P×πDΦ2/4 =σ纵 ×π×D Φ ×e 因此：
σ纵 = P×πD Φ 2/4 /(π×D Φ ×e) = P ×D Φ /4
DΦ
横向（环向）：
流体产生的力：
F横=P× L× D Φ 管壁环应力产生的力：
σ环× L× e× 2 静力学平衡条件：
F横=P× L× D Φ =σ环× L× e× 2 因此：σ环=P× L× D Φ /(L× e× 2)= P× D Φ /2e 式中：P：静液压（各向同性）， F：力， σ：应力，
表6 某城市供暖用散热器的热水入口温度与时间的分布
温度，℃
80～90 70～80 60～70 50～60 40～50 30～40 20～30
<20
每年的小时数，h （30年的平均值）
148 1158 1955 1517 1687 1283 646 373
总时间的百分份额，%
1.7 13.2 22.3 17.3 19.2 14.6 7.4 4.3
三、标准尺寸比与厚度系列
塑料管材的标准尺寸比SDR 定义为管材
的公称外径dn 与公称壁厚en 的比:
SDR =dn/en
（5）
管材壁厚的系列S值定义为:
S = (SDR - 1)/2 （6）
由公式 （1）、（6）可推导出：
S =σD/P
（7）
在实际应用中,用设计应力和最大允 许操作压力计算出管材的Scale值,将计算 结果靠到标准规定的公称S值，见表3， 取自GB/T 10798(ISO 4065)中的表2。由 公式(5)和(6)得到：