《美国塑料管道学会 塑料管道手册》

《美国塑料管道学会塑料管道手册》郑茂鼎夏德楷译第一章管道用的塑料聚氯乙烯聚乙烯丙烯晴-—丁二烯—苯乙烯苯乙烯—橡胶聚丁烯聚丙烯醋酸—丁酸纤维素热固性塑料标志代导小结第二章挤压模塑第三章热运动线性热膨胀系数地下管道…．地上管道……耐化学性…化学品塑料的类型—…接触的时间……第一部分管道用的塑料加工工艺设计参数安装第一章管道用的塑料不同的塑料其特性差别很大，他们的特性范围同金属领域中所遇到的不相上下。这个范围包括与金属不同类别的性能以及取决于所考虑的特殊性质。塑料不仅因化学类别不同，其性能变化很大，而且在同一化学类别中差别也不小。因此对于一种塑料在某种特定应用中的成功或失比并不能说明其它塑料(即使是同一类型的)在这个应用中的运行情况．当然没有人指望用于制作淋浴帘子和垫片的聚氯乙烯塑料用来做压力管道会得到令人满意的结果。淋浴帘子和垫片材料是一种类似橡胶的软性材料而管子材料则是坚硬和刚性的。由于各种塑料的性能差别很大，而且有大量成功应用的实例，即使一篇扼要叙述整个塑料领域的文章将会很长。因此本文的论述将主要限于管道应用力面有关的特种塑料及其性质。但是，必须着重指出，用于特定场合的管道必须选择合适的塑料品种和配方。许多塑料管道在使用中失败的原因可以追溯到由于选错品种和(或)配方、处理错误或不适当的工程施工而引起的。塑料技术用语可按A5TMD883标准“有关塑料术语的定义”和ASTMF412标难“有关塑料管道系统术语的定义”采用的缩写可按ASTMD1600标准“有关塑料术语的缩写”的规定。应加以说明的是在塑料工业中，“树脂”和“聚合物”二者可通用。复合物是指树脂加上添加剂，诸如稳定剂、润滑剂、加工改良剂、填料等的混合物。术语：“聚合物”或“聚合学”，对熟悉这些材料基本理论知识的人是经常使用的。一般说来，各种聚合物是由高分子量的分子所组成的，并且作为这个领域内的听有材料，虽然它们在分子数量上有很大差异，但都表现出能遵循同样的物理—化学定律。按工艺和工程方面分类，聚合物可以分成各种材料类别：即塑料、橡胶、纺织品、纸、木材、皮革、粘合剂、涂料、沥青材料、浆糊和糊精、纤维素、酪素等。在动物体内和植物组织内的大多数物质也是聚合物。“聚合物”和“聚合的”单词如与“塑料”连在一起使用时，指的是用一般术语描述它们性质的基本物理—化学原理。在这些论据中，“塑料”这个词被定义为“一种材料其主要成分为高分子量的有机物质，最终状态为固态，并且在制造成加工成员终产品的某些阶段，能够流动成形”。这个定义对于不熟悉化学、整合学或有关工艺学的人们是不够的。因此有必要按照它的性能进行初步讨论。最初对这些材料选用“塑料”一词是由于这些材料在常温或接近常温时呈塑性状态(一个非常陈旧的观念)，而多数材料是在某些温度下呈塑性状态。对于钢、混凝土、玻璃等多种材料，在室温或接近常温时应力—应变的性质基本上与时间无关，但当温度升高后，它们与时间就有关了(那是处于塑性状忠下)。所以若一根钢棒的抗拉强度是在室温下测量，以在5分钟或5周(50400分钟)内使钢棒断裂的速率施加裁荷，则所测得的抗拉强度基本一致。但是，对于每根钢棒在较高的温度下测试，则在较长的负荷时间下将得到较低的抗拉强度。这后者的条件，称为塑性状态—即应力—应变或负荷—变形的性质与时间有关。塑料在常温或接近常温下，局部处在塑性状态，此局部塑性状态的范围，视类型、成分、温度和应力或负荷而定。所以，一种聚氯乙烯管子的成分，在60至70秒内，它在水压(圆周)应力7500磅／英寸2下破坏，1000小时内，在5600磅／英寸2圆周应力下破坏，在100000小时(11．43年)内，为4500磅／英寸2，在50年内，为4100磅／英寸’；在88000000年内，为2000磅／英寸2。这些长期强度，是从规定的复合物的试验数据所推导的最小均方重对数回归方程统计预测的。在塑性状态下，塑料和其它材料的成功运用，需要进行正规的工程设计。在选用材料时，必须把与时间有关的因素考虑进去。塑料的另一个重要方面就是温度与压力的结合，在此情况下，物料将流动，因此可以模塑成各种形状，如管件，也可挤压成各种型材，如管子。在这方面，人们把塑料分成两类，通常称为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料就是能够在温度升高时变软，温度降低时变硬，可反复进行这样的过程。热固性塑料则相反，在模塑和成型的过程中进行团化，并且由于化学反应的结果(由于加热或添加化学品，或者两者兼有)而引起成为坚固难熔和不溶于有机溶液的物体。用热塑性塑料制成的产品，可以将它粉碎成颗粒状重新进行模塑；而热固性塑料，当固化后，就不能再次模塑成形。虽然大多数塑料能轻微吸水，水是不会产生腐蚀或其它危害。所吸收的水量和产生的影响随塑料品种和配方而各异。在多数情况下，吸收少量的水是有益的，通常可以产生较高的抗冲击性能和较大的韧性。对于中性盐溶液例如氯化钠，其影响与单纯是水的情况相同。多数(但不是全部)塑料不受酸性或碱性的盐类的影响。对于有机溶剂的作用，随塑料品种和成分的不同变化很大，例如，多数酸类和酮类对聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)管子成分无影响，但大多数配类和酮类可以溶解醋酸—丁酸纤维素(CAB)。塑料除了有高度的耐化学性能外，当与多种金属管道材料接触时能免受腐蚀。塑料的密度比其它管道材料要低得多，制成的塑料管子便于运输和铺设。某些塑料和其它管道材料的密度列在表1中。虽然有的塑料比其它塑料更柔软些，例如聚乙烯与I型聚氯乙烯相比；但当塑料与混凝土、粘土或铸铁相比较，则塑料都比较柔软。这种柔性有利于装卸、安装以及设计地下装置。多数塑料具有高抗冲击性能，这同它们固有的柔性结合在一起从而产生了一种高韧性。塑料管子的光滑表面，使流动时产生较小的摩擦系数，并可防止内部沉积物的生成。它们的低热传导性能，使热损失(或得到热量)很少；这样在油料输送过程中要比采用其它具有高导热系数材料制成的管子使物料的温度保持得更为均匀。输送热液体的塑料管道，除非有良好的保温，其外表面温度很少会接近液体的温度。塑料的热膨胀系数比许多其它材料为高，它是金属的6至10倍。因此在设计使用温度变化较大的管道队必须考虑这个因素。但由于塑料比较柔软，弹性模数低，故单纯温度的作用并不像预期那么大。一些普通管材的热膨胀系数列在表2中。在大多数塑料中所用的基本聚合物或树脂不会直接受细菌和毒菌的侵蚀，因为塑料不能作为这些生物体的食物。好多年前，某些复合物的组成部分遭受这些生物的侵蚀，而塑料工业使材料有了很大的改变，这些材料不能作为生物的食物。用于塑料管道的配方，一般不会遭受细菌和霉菌的侵蚀。少数可被这些生物侵蚀的塑料成分，若在配方中混以杀菌剂是很容易做到免受生物之害的。需要注意的是：当生物体能得到足够的营养，理想的生长条件，并且新陈代谢的产物是控制在位它们不会毒害生物体(在个别情况下、在个别特殊情况下和没定的情况下)，那么由细菌和霉菌所引起酌新陈代谢的产物可积聚到一定的数量，它们将会损害玻璃、金属、陶瓷制品和各种有机材料。这些新陈代谢的产物因生物体不同而各异，它可以有酸、碱、酯、酮、乙醇等介质。当前用在管道方面的主要热塑性塑料按使用量排列，顺序如下：1．聚氯乙烯PVC2．聚乙烯PEs．丙烯晴—丁二烯—苯乙烯共聚物4．苯乙烯—橡胶塑料SR5．聚丁烯PB6．聚丙烯PP用许多其它的热塑性塑料制作的特殊用途的管子需要特殊订货。但上表所列的这些塑料大约占生产塑料管、管件总量的98％，而前四种约占总量的95％．标准性质表参见表3聚氯乙烯聚氯乙烯(pvc)是一种热塑性塑料，它含有聚氯乙烯树脂与稳定剂、润滑剂、颜料、填充剂、加工改良剂和增塑剂混合制成。但并非所有复合物均含有这些成分，并且不同复合物的各种成分的比例也不一致。每种复合物具有特定的性质，供某类用途或某一专门用途使用。不过，复合物的主要成分是聚氯乙烯树脂，它使这些塑料拥有其基本特性。聚氯乙烯树脂本身是一种硬的、坚固的脆性材料，难以模压或挤压成型。高强度的聚氯乙烯复合物，它的短期强度和长期强度取决于不含增塑剂和最小的渗合成分。这些复合物有时被称为硬聚氯乙烯，但在管道行业中被称为I型聚氯乙烯(北美)或无增塑剂聚氯乙烯(uPvc，欧洲)。在I望聚氯乙烯复合物中添加其它树脂或改性剂(如ABS、CPE或丙烯酸树脂)，形成一种具有改善抗冲击性能和较低的抗化学性能复合物。这种性能改变的大小，不仅取决于加到复合物中改性剂的量，而且也取决于所用改性剂的性质。这类改进冲击性能的材料被称为I型聚氯乙烯(北美)或橡胶改性聚氯乙烯(欧洲)。另有第三种聚氯乙烯管材，它实质上是氯化聚氯乙轨被称为NPVC或CPVC(氯化聚氯乙烯)。这种材料因具有较高的热变形温度，有时被称为高温聚氯乙烯。I型聚氯乙烯塑料系坚硬材科，对于73。F的水，其水压设计应力为2000磅／英寸2，并且能耐多种化学品。I型材料可使用到温度140。F，而实际温度的极限应按流体和压力的要求而定。第二类，z型，系渴合而成，所以易于挤压或程压成型，它具有高的抗冲击强度，但稍软些，耐化学性尔差，对于蹦。5的尔，损循不同复合构的配方，通常水压设月应力相应较低，分别为I000、1撼0，1600或2000涝／英lr2；它的耐热性能耍比I型和W型低得多。在[型产品中，不同复合物的变化情况要比I型大。例如t型聚氯乙烯管材在耐化学性能和长期水压强度方面接近于I型复合物；另一种t型复合物，则相对地耐化学性能差，并且长期水压强度只有该类型中强度高的品种的50％。氯化聚氯乙烯的大多数性能类似I型聚氯乙烯，但它还具有抗高温的性能，可以用列210。I／的温度。在73。F时的水压设计应力为20oo磅／英寸’，在180。F时为500磅／英寸’．聚乙烯q；沦是软的还是便的聚乙烯塑料制品都有极好的耐化学性能。由于它们的耐化学性能太好，所以不能采用溶剂牢固地胶接，而且其表面如不经特殊处理，连粕合剂也涂不上。皆材可采用热熔法、插入或压入管件法进行连接。管材中掺入其它组分的数量很少，一般添加2％的发黑。炭黑能增加稳定性，抗老化，对于需要暴露在紫外线辐射能如太阳下更为有益。当考虑美国和欧洲材料时，聚乙烯的标志有时会发生混用。这是由于欧洲将聚乙烯分为二种类型，低密度和高密度聚乙烯，而美国实际犄它分为三种类型，低、中、高密度(j酉常相应地称为I、I、l型)聚乙烯而造成的。最近高密皮的类型又被分为I型和w型。这种分类法是单一按树脂的固有密度来划分的。I型或低密度材料比较软，有柔性(不坚硬)仅适用于较低的圆周应力，对于73。女的水，其应力为40o磅／英寸’。它主男用于内应力小的小尺1f敞口端管道和低压头(基本上为敞口端)灌沥用管道。这些材料耐化学性好，但耐热性较差。R型或中密度复合凯其柔性比较小些(稍微坚硬些)，稍硬一些，比I型材料有较高的耐热性。其抗环境破坏应力较好，耐化学性能与I型材料差不多。E型材料在短时性能方面被考虑作为一类，但在长期水压设计应力的基础上被分成两类；即对于73。y的水为500和630磅／英寸’。这是一个基本实例，在短时(一般小于10分钟)测得的强度性能，不能用以预测长期强度，例如，这些长期强度应在超过1000小时或更长的试验期间所测得。E型或高密度复合物，比较坚硬，在聚乙烯塑料族中具有最大的耐热性和抗化学性能。它们的水压设计应力，对于73。F的水，是630磅／英寸’。丙烯脂—T二烯—笨乙烯丙烯腊—丁二烯—苯乙烯(ABS)塑料是由苯乙烯—丙烯睛(S—AN)共聚物同由S—AN和聚丁二烯反应生成的共聚物化合而成或在某些工艺过程个由丙烯肪、丁二烯和苯乙烯一起反应所生成的共聚物。以聚丁二烯为基础的共聚物具有韧性和抗冲击性能，而5—AN共聚物，则具有刚性、硬度和抗拉强度。所以ABs塑料是—种窜切性和抗冲击的塑料，易十模压和挤压nAB59g料与I型聚氯乙烯材料类似，作为管道材料它的适用范围很广，质地较坚硬，易于模压和挤压成形，并且在室温和低温下具有很高的拎击强度。水压设计应力，对于73。F的水，为800、1000、1250和1600磅／英寸‘。这些管材，在没有压力的情况下，可在180。y的温度下使用。ABs管树和