热塑材料——PVC管材综述

由于过去一个世纪里管材行业的技术进步，使 得木质管材和砖质下水道已成为过去，而为能向客 户提供更具有信价比的工程管材产品打开了方便之 门。用于自来水和污水系统的传统管材正在被现代 化材料所代替。这些材料性能更好、容易安装，总之 就是“对过去的一次重大冲击”。
在北美，对埋在地下的管道来说，腐蚀等环境的 影响是一个重大的威胁。据联邦高速公路管理处 （ＦＨＷＡ）的研究表明，全美由于自来水和污水系统 的腐蚀造成的损失每年都超过了３６０亿美元。
１ 塑料管材
在２０世纪５０年代后期的北美，塑料管材的使 用开辟了新的工业领域，并最终对传统的市政自来 水和污水管材进行了一场革命。塑料是由含有ｃ和 Ｈ的分子进行聚合而形成的。在北美使用最广泛的 三种塑料管材是聚乙烯氯化物（ｐｖｃ）、高密度聚乙 烯（ＨＤＰＥ）和强化玻璃材料（ＧＲＰ，也叫玻璃纤维 管）。ＰＶＣ和ＨＤＰＥ属于可热塑的材料，而ＧＲＰ属 于热固材料。由于热塑这种优良的性质，材料可以被 加热、加工、成形和改变形状很多次，而且材料的物 理化学性质不会发生永久性的改变。而热固材料是
现在在美国和加拿大，ＰＶＣ管材（一种热塑管 材）是自来水和供水系统中应用最为广泛的材料。本 文将为设计工程师和专业人员提供基于各种ＰＶＣ 压力和拉力的管材标准及产品，这些材料既可以适 用于开挖也可用于非开挖铺设和修复管道。在考虑 选用ＰＶＣ管材时，本文内容将在标准和材料选择决 策过程中发挥作用。另外还讨论了一些相关内容如 实用的接头类型等。
例如在１２４５４这个小单元里，第３条、第４款规 定管材的拉伸强度最小值必须达到７０００ｐｓｉ。第４ 条、第５款规定管材的弹性模量最小值必须达到 ４０００００ｐｓｉ。类似的，在１２３６４这个小单元中规定加工 过程中管材的拉伸强度最小值必须达到６０００ｐｓｉ，而
图２ ＰＶＣ管材的化学分子结构和原材料
第２２卷第２￣３期
从图１的一系列曲线Ｂ中可以看出，粘弹性材 料的应力应变关系和弹性材料的应力应变关系有些 刁ｊ同。很明显的就是，应力应变之间不再是直接的线 性关系，而且斜率也随着时间而变化。换句话说，对 于一个特定的应力，加载时间越长，应变越大。在应 力不变的条件下，变形随着时间的变化而增加的特 性叫蠕变。蠕变的后果就是当应力施加一定时间后， 材料会发生破坏。因此，对时间的依赖性被认为是粘 弹性材料的一个重要性质。
同时采用化学方法和加热而形成的，所以一旦成形 便不可被改变形状。
用于塑料加工业的热塑材料如ＰＶＣ指的是固 体塑料。这个术语肯定地说明这些材料不再含有会 使它们延展的软化剂，因此它不适合于做市政的地 下设施。不论是热塑材料还是热固材料，它们都具有 柔韧性（管／土相互作用是恒等的）并根据此特性而 设计管道。
另外有一种型号的接头，可旋式的螺丝扣只用 于ＰＶＣ铅垂产品。螺丝ＰＶＣ塑料管配件第８０条 ＡＳＴＭ Ｄ２４６４就是一个实例。
另外还有两种接头ＴｅｒｒａＢｒｕｔｅ和ＣｅｒｔａＬｏｋ。它 们都用于非开挖工程中的回拉过程。
７ ＰＶＣ压力管材标准
ＰＶＣ压力管材主要应用在饮用水的配送中，也 可用于污水排放。ＰＶＣ管材的静水设计基准（ＨＤＢ） 是指环向的压力值，这个值是参考管材的长期压力 等级而建立的。这是确定一个给定壁厚的管材的抗 压强度的基准点。在ＡＷＷＡ和ＡＳＴＭ标准中， ＰＶＣ管材的ＨＤＢ值是４０００ｐｓｉ。对于ＰＶＣＯ（轴向 ＰＶＣ），其ＨＤＢ值为７１００ｐｓｉ。因为此项区别，当直径 相同时ＰＶＣＯ管管壁比ＰＶＣ管薄。
评价一种材料的强度，最常用的做法就是给它
¨■均ｎ■Ｂ■Ｖ嗍
Ｔ—ｎ●
南
￡轴蝴ｌ，．｝
图１粘弹性材料的应力应变关系图
１６６
非开挖技术Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
２００５年
直接加载，观察应力和应变之间的关系。图１中曲线 Ａ阐述了弹性材料应力和应变间的线性关系。理想 的弹性材料在荷载撤除后，应变马上就回到零点，同 时线性关系并不是明显与时间相关。但是，需要指出 的是，这种线性关系只是在一定的应力点以下才有 效，这个点叫做屈服点。过了这一点，因为发生蠕变， 应变会迅速增加，直至完全破坏。
ＰＶＣ－Ｍ：通过融入添加剂或者“冲击改良剂” 以增强材料的强度可得到改良型ＰＶＣ管材。材料吸 收和损耗能量而造成的结构阻力是评价材料强度的 一个指标。ＰＶＣ—ຫໍສະໝຸດ Baidu主要在欧洲和澳大利亚生产和 使用，在美国只有一家生产，并且不用于地下埋管。
６ ＰＶＣ管接头
根据实际应用情况，有各种各样可满足ＰＶＣ压 力和重力管道的标准接头。
另外一个重要的事实就是，破坏的时间与应力 呈反比关系。对于热塑性材料，可以找到并施加一个 足够低的应力，只要它能保证达到破坏的理论时间 超过管线的设计寿命。
对于热塑管来说，蠕变是不自由的既是受到限 制的，因为管材的变形是个常量，就跟埋在地下的 ＰＶＣ压力管道的情况一样。因此，从图１可以看出， 初始应力随时间递减，同时这也是热塑性材料的松 弛性质。ＰＶＣ和ＨＤＰＥ这些粘弹性材料的基本性质 使工程师在设计市政管道系统时，既能保证结构上 的完整性，也能达到长期的设计寿命。
第２２卷第２￣３期 ２００５年３月
非开放技术
Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．２２．Ｎｏ．２—３ Ｍａｒｃｈ，２００５
热塑材料——ＰＶＣ管材综述
Ｓｈａｈ Ｒａｈｍａｎ著蔡记华译
摘要：本文较全面地介绍了各种ＰＶＣ管材的类型、性能、加工和技术标准等，特别是它的热塑性，这种性能非常适
合 关地键下词市：政翘管鬯线窭的妄非！开堕挖茎施兰工！壁。茎拶 卜 ＞
３ 加工
在２０００年，超过５０亿磅的ＰＶＣ树脂被用来加 工ＰＶＣ压力和重力管材。一个氯乙烯分子由ｃ、Ｈ 和ｃ１分子组成，如图２ａ所示。对这些氯乙烯分子进 行聚合，它们结合在一起形成如图２ｂ所示的长链，
最终形成图２ｃ所示的ＰＶＣ树脂。 ＰＶＣ管材的加工首先是把树脂与稳定剂、色
素、润滑剂、过程酸和其它功能性的添加剂混和，加 热到４００Ｆ的温度。这使这些组分能较好地融合在一 起并转变成可锻的状态。在这种熔融状态下，材料被 机械压制成管道，同时达到ＡＳＴＭ、ＡＷＷＡ和其他 标准所规定的物理和机械性能。接下来进行冷却。最 后，在交付最终的使用者之前，按照上述标准对所要 求的各项进行ＱＡ／Ｑｃ测试。
５ ＰＶＣ管道的类型
目前世界范围内生产三种不同类别的ＰＶＣ管 材，要么通过加工方式不同（分子排列方式不同）来区 分，要么根据化学组成中调节剂的含量不同（这会影 响管材在受到重大冲击时吸收和损耗能力）来区分。
ＰＶＣ－Ｕ：非塑性ＰＶＣ管材是目前管道加工业 中最普通的一种管材。在北美地区，我们提到ＰＶＣ 管材时，实际上就是指ＰＶＣ—Ｕ管材。本文前面提到 的加工过程就是针对ＰＶＣ—Ｕ管材的。ＰＶＣ管材的 分子结构是随意排列的长链结构，这在ＰＶＣ管材里 是最常见的。一般来说，ＰＶＣ分子并不呈现出明显 的方向性，也就是说它轴向和径向的强度是一致的。 测试表明，对于一个具有１５年寿命的ＰＶＣ管道，其 轴向弹性只比径向弹性高一点点。
ＡＳＴＭ Ｄ３１３９一塑料压力管道用可塑弹性密封 接头，是ＰＶＣ压力管道接头生产和测试的主要标 准。ＡＷＷＡ Ｃ６０５一用于水的ＰＶＣ压力管道和配件 的地下工程安装，也为用于饮用水分配和输送的 ＰＶＣ压力管道系统安装后的测试提供了参考标准。
可熔式接头：在北美，直到现在，ＨＤＰＥ管是唯 一采用平接熔焊的热塑管。在２００３年底，自来水／污 水工业引进了ＰＶＣ／Ｃ一９００／Ｃ一９０５焊接标准。在这 个行业中第一次把所有的配方和一种特殊的焊接过 程结合在一起，并采用一些非开挖和开挖的措施把 几段ＰＶＣ管焊接在一起形成连续的管线。这些非开 挖方法包括：ＨＤＤ（水平定向钻进）、劈裂法、爆管 法、导向钻进、气动锤和钻孔等。当可熔的ＰＶＣ管道 首先应用于循环水、下水和污水等系统时，Ｃ一９００／
第二方面就是焊接过程。ＵＧＳＩ焊接线对管材 接头的焊接采用了标准的平接焊接设备。通过在特 殊的焊接步骤中设置温度、压力和时间，使得管材融 合并形成接头，并且接头和原来的材料强度一样。焊 接过程中所需时间和其它的管道（如ＨＤＰＥ）热塑接 头一样。
其它接头类型：溶解焊接式接头主要用在铅垂 管的安装中。然而在美国一些较老的设施中允许在 市政重点工程中采用溶解焊接法。采用溶解法的 ＩＰＳ ＰＶＣ管材接头ＡＳＴＭ Ｄ２６７２用ＰＶＣ管材和配 件制作溶解式接头的实践，给溶解焊接式接头的制 作提供了参考依据。
根据塑料管协会（ＰＰＩ）的ＴＲ一２／２００４文件，即 ＰＰＩ ＰＶＣ组分变化而组成的目录，列出了流体静应 力板（ＨＳＢ）所允许的ＰＶＣ管材加工各项组分的最 小／最大范围。这些目录是经过广泛的工业测试后编 辑而形成的。最早加工ＰＶＣ管材的时候，每个ＰＶＣ 组分是固定而具体的，同时清清楚楚地“列出”每个 成分及其使用水平。现在不是这样了，ＰＰＩ ＴＲ一２目 录允许厂商在规定的组成范围内加工管材。因此，几 乎所有厂家的的配方都不相同。这是追求更有效、成 本更低的配方的必然结果。最后的目标就是按照指 定的标准来生产满足各种要求的管材。
非开挖技术Ｔｒｅｎｃｈ＿ｌｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
２００５往
ｃ一９０５焊接标准明确的将它引入饮用水系统。这些 管道是按照ＡＷＷＡ Ｃ９００和Ｃ９０５标准进行加工， 并取得ＮＳＦ认证。图４是一种可熔式接头。
可熔式ＰＶＣ管材的加工很有可能得益于两个 方面。第一，专利里的材料配方符合了塑料管材协会 （ＰＰＩ）的第２条技术报告——ＰＰＩ ＰＶＣ组成和质量 组分范围所规定的指标，这个配方里所有的组成部 分都满足了技术标准。这使得ＰＶＣ管材被压制成标 准的直径和壁厚。这种管材拥有传统的ＰＶＣ管材所 拥有的一切性质——抗压强度、拉伸强度和外部荷 载承受能力等。
图３粘弹性材料管接头
套接密封式接头：传统上，这是在开挖式市政工 程中与ＰＶＣ压力和重力管道标准最匹配的接头类 型。比邻管道的套接头滑进套管的罩子里，直到套管 上标志位置处为止。弹性密封圈通常安装在罩子里， 起到承压式密封作用，如图３所示。
弹性密封圈是按照用于连接塑料管材的弹性密 封圈（垫圈）ＡＳＴＭ Ｆ４７７制成的。只要正确组装，通 常套接头的尾端和罩子的颈部之间的间隙足够让密 封圈进行膨胀和角偏转。重力管道及配件的制作和 测试按照ＡＳＴＭ Ｄ３２１２（排水和污水塑料管材用可 塑弹性密封接头）标准进行。Ｕｎｉ—Ｂｅｌｌ的ＰＶＣ设计 和建设手册所推荐的渗透／析出极限为：在计算人工 孔及其附属配件（而不是管材接头自身）时，渗透／析 出极限不能超过２５加仑，以直径／英里／天计。而其 他绝大多数重力管材业鼓励渗透／析出量在２００加 仑，以直径／英里／天计。
４ ＰＶＣ的基本性质
ＡＳＴＭ Ｄ７８４文件中列出了ＰＶＣ组成的基本性 质，里面含有固体聚合物（氯乙烯）（ＰＶＣ）和氯化的 聚合物（ＣＰＶＣ）的标准技术参数。这些技术参数分 为５项指标，规定了每项指标必须达到的最小值。这 ５项指标是：基本数值、Ｉｚｏｎ冲击强度、拉伸强度、弹 性模量和荷载条件下的变形温度。
２粘弹性材料的性质
像ＰＶＣ这样的热塑材料是粘弹性的。粘弹性材 料既存在弹性，也存在粘性。材料在受到载荷时变 形，在载荷撤掉后又恢复到原来形状的性质叫弹性。 相反的，粘性材料在受到载荷后变形，一旦在载荷撤 掉后并不恢复到原来的大小和形状。事实上，所有的 材料都或多或少的与虎克定律中的应力和应变的线 性关系存在一些偏差。
Ｓｈａｈ Ｒａｈｍａｎ著蔡记华译：热塑材料——ＰｖＣ管材综述
１６７
其弹性模量最小值必须达到４４００００ｐｓｉ。 传统ＰＶＣ压力管材的所有标准都列在１２４５４
这个小单元中，它强调了最小拉伸强度必须达到 ７０００ｐｓｉ的重要性，在加载时，出于安全因素考虑，这 个值是ＰＶＣ管材最大长期强度的最优值。另外重力 管材标准在１２４５４和１２３６４这两个小单元里。结合 实际目的，参照这些标准加工的重力管道在地下性 能非常好。
ＰＶＣ－Ｏ：把传统的ＰＶＣ管材进行膨胀就可以 得到分子定向排列的ＰＶＣ管材。在膨胀过程中，分 子沿径向或沿轴向排列。分子的重新排列增加了分 子的环向强度。同时，ＨＤＢ的测试值从４０００ｐｓｉ增加 到了７１００ｐｓｉ。因此，在相同加载条件下，这种高强度 材料的厚度可以比普通ＰＶＣ管薄。在美国，ＰＶＣ—Ｏ 的加工过程被称为“离线过程”，而在欧洲“在线过 程”用得更为普遍。在美国ＰＶＣ—Ｏ可称为专利产 品，因为只有一个公司生产它。ＰＶＣ—Ｏ管材不用来 做重力管道。