CN110907276A - 一种塑料管道强度试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种塑料管道强度试验方法及装置，属于强度试验设备技术领域，该方法通过多功能电子力学性能试验机和专用装置对管道试样内部进行均匀加压，利用力学性能试验机数据采集***进行数据采集和分析，定量评判塑料管材环向强度大小；该装置包括力学性能试验机、加载椎体和试验管段夹持装置，加载椎体下部为从上往下直径逐渐减小的锥形段；管段夹持装置包括夹持头，夹持头中央竖直设有管材容纳腔，管材容纳腔开口于夹持头的顶面。本发明可对试验管段内部进行均匀加压，用于模拟管材在役过程中承受的均布内压，通过力学性能试验机测试管道的环向强度，可缩短试验周期、降低试验成本、简化试验***，而且可采集试验过程应力和变形的定量数据。
Description
技术领域
本发明涉及强度试验设备技术领域，尤其涉及一种塑料管道强度试验方法及装置。
背景技术
管道是最经济、最环保的流体输送设备。塑料管道因其加工成型容易、耐腐蚀、抗冲击性好、环保、施工容易、综合节能性能好等优点，随着高分子材料工艺和加工业的发展，在过程工业、城镇基础设施以及建筑领域应用广泛，逐渐取代了金属管道，大量应用于燃气、生活水、污水、化学腐蚀介质等的中低压力输送。
塑料管道因大量应用于强酸、强碱、燃气和城镇饮用水等介质的输送，虽然压力等级大大低于长输金属管道，但因介质风险高、管道事故的影响大，对管道的性能要求并不低。我国塑料管道的发展起步较晚，相较于金属管道较完备的性能测试和试验体系还存在不小滞后，随着塑料管道行业的蓬勃发展以及行业监管和民生保障的需要，塑料管道性能测试的需求愈发迫切，管道强度是管道最基本也是最重要的性能。理论分析表明，承受内压的塑料管道的环向应力大于轴向应力，非外部作用下的内压管道常因环向强度不足而失效，因而塑料管道的环向强度测试对于保障管道质量和使用安全至关重要。
目前，塑料管材生产过程中通常用静液压试验来检验管材的强度。静液压试验的基本原理是，将待测管段通过封头密封，放置于恒定温度的热水槽中，程控***通过接管按国家标准控制密封管段内部压力恒定，在规定温度和内压下保持不破坏的时间超过标准规定则视为强度合格，从而完成静液压试验。否则，管道的强度不合格。
然而，静液压试验方法及***存在以下局限性：
(1)试验周期长，试验成本高。在标准GB15558.1中，明确规定静液压试验根据不同的要求需要达到100h、165h和1000h，试验周期长达数周或数月。
试验***复杂，试验过程对***的控制要求高，占地面积较大。
缺乏试验过程中应力应变情况的量化记录和分析，忽略应力应变之间的定量反映，不利于对塑料管材的力学性能分析。
试验制样的条件复杂且要求高，主要适于规模较大的生产企业和条件较好的研究院所。
多功能力学性能试验机是一种较普及的力学性能试验设备，能够定量记录和分析材料试样在加载过程中的应力应变规律。多功能力学试验机已经在金/非金属材料力学性能测试试验中得到了广泛应用，相关试验方法、标准和装置都已经非常成熟，能够完整反映材料试样整个试验过程中的应力应变关系情况，并对试验过程中应力应变数据进行相关量化处理。
发明内容
本发明旨在提供一种塑料管道强度试验方法及装置，可方便快捷的进行塑料管道环向强度测试，同时可降低试验成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种塑料管道强度试验方法，借助力学性能试验机对管道试样内部进行均匀加压，利用力学性能试验机数据采集***进行数据采集和分析，导出失效时的环向应力，从而评判塑料管材环向强度大小。
进一步的，将加载椎体竖直安装在力学性能试验机的加载横梁上，加载椎体下部为从上往下直径逐渐减小的锥形段；将管道试样固定于加载椎体下方，使管道试样与加载椎体同轴，利用加载椎体的锥形段对管道试样进行加压，加载椎体的外锥面与管道试样内壁接触。
进一步的，将固定管道试样的管段夹持装置固定在力学性能试验机的底座上；所述管段夹持装置包括夹持头，夹持头底部中央与力学性能试验机的基座连接，所述夹持头内部为中空用于容纳待试验管段，夹持头的中空腔开口于夹持头的顶面，所述中空腔的直径与管道试样的外径相适配，将管道试样同轴装在中空腔中。
进一步的，塑料管道强度试验方法包括以下步骤；
S1，调整加载横梁，使加载椎体与管道试样上沿内部接触时停止；
S2，在计算机中设置相关参数；
S3，启动力学性能试验机，自动完成试验。
5.根据权利要求2、3或4所述的塑料管道强度试验方法，其特征在于：采用公式(1)计算管道试样所受的环向应力σθ；
式(1)中，
σθ为试验管段的环向应力，单位：MPa；
F为力学性能试验机作用在椎体上的加载力,单位：N；
α为接触点处锥面与管道试样的夹角,单位：rad；
e为管道试样厚度,单位：mm；
当材料开裂时的σθ就是管道试样失效时的环向应力。
一种塑料管道强度试验装置，包括力学性能试验机、加载椎体和管段夹持装置，所述加载椎体顶部与力学性能试验机的加载横梁固接，加载椎体下部为从上往下直径逐渐减小的锥形段；
所述管段夹持装置包括夹持头，夹持头底部与力学性能试验机的下夹具固接，所述夹持头中央竖直设有管材容纳腔，管材容纳腔开口于夹持头的顶面；所述管材容纳腔为圆形，管材容纳腔与加载椎体同轴。
其中，加载椎体的顶部中央以及夹持头底部中央均有用于与力学性能试验机连接的连接部。
进一步的，所述连接部包括竖直连接杆，竖直连接杆上设有同轴的固定盘和横向的销孔,销孔位于固定盘外端，连接部通过通过圆柱销和固定盘与力学性能试验机固接。
进一步的，所述管材容纳腔为阶梯孔，管材容纳腔顶部口径大于底部直径。
优选地，管材容纳腔为三级阶梯孔。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1，本发明利于多功能力学性能试验机测试管道的环向强度，可缩短试验周期、降低试验成本、简化试验***，而且可采集试验过程应力和变形的定量数据，能降低试验要求，利于提高塑料管道新产品的研发速度，优化塑料管道的制造工艺，提高塑料管道的监督和管理水平，拓宽塑料管道的监管范围，保障塑料管道的在役安全；
2，本发明中的加载椎体可对管道试样内部进行均匀加压，可用于模拟管材在役过程中承受的均布内压，可以用于多功能力学性能试验机上快速测试管材的环向强度；
3，本发明中的管段夹持装置可夹持固定管道试样，利用多功能力学性能试验机对管道试样进行强度试验时，可方便快速地固定管道试样。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是加载装置的结构示意图；
图3是管段夹持装置的结构示意图；
图4是塑料管道强度试验装置的结构示意图；
图5是阶梯孔结构的管段夹持装置的结构示意图；
图6是本发明方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
本发明公开的塑料管道强度试验方法，通过多功能电子力学性能试验机和专用装置对待测管道试样内部进行均匀加压，利用力学性能试验机数据采集***进行数据采集和分析，从而定量评判塑料管材环向强度大小。
本发明设计了一个加载装置来模拟塑料管道在役过程中承受的均布内压，以此来测试实际管道的环向强度。如图1、2、4所示，该加载装置1包括加载椎体11，将加载椎体11竖直安装在力学性能试验机4的加载横梁41上，加载椎体11下部为从上往下直径逐渐减小的锥形段；将管道试样固定于加载椎体下方，使管道试样3与加载椎体11同轴，利用加载椎体11的锥形段对管道试样3进行加压，加载椎体11的外锥面与管道试样3内壁接触。加载椎体11可对管道试样内部进行均匀加压，便于模拟管材在役过程中承受的均布内压。
如图1所示，管材通过加载椎体11在向下压力F的作用下，受到环向力的作用。设加载锥体11锥角为2α，待测管道试样3管壁厚为e，管道试样3与加载锥体11线接触压力为p。多功能力学性能试验机4通过加载锥体11加载的集中载荷F转化为作用于管道试样3环向的均布压力p，并最终在管道试样3内部产生三向应力：环向应力、径向应力和轴向应力。因径向应力较小常被忽略，环向应力最大，是导致管材失效的主要应力，环向应力计算原理如下。
其中,
σθ—试验管段的环向应力，单位MPa；
F—多功能力学性能试验机作用在椎体上的加载力,单位N；
P—为管材与锥体线接触压力，单位Pa；
α—为接触点A处锥面与被测管材的夹角,单位rad；
D—试验管段直径，单位mm；
e—试验管段厚度，单位mm；
因此，根据加载载荷F即可导出在该载荷下试验管段所受的环向应力σθ，当σθ超过被测试的强度，则材料失效开裂，为此可以导出失效时的环向应力，从而对被测试管材的强度进行评价。失效时的环向应力反映了管材的强度，失效时的环向应力越大说明管材的强度越大，反之说明管材的强度越小。
为方便固定管道试样3，如图3、4所示，本发明设计了用于夹持固定管道试样3的管段夹持装置2。所述管段夹持装置2包括夹持头21，夹持头21底部中央与多功能力学性能试验机4的基座连接，所述夹持头21中央竖直设有管材容纳腔22，管材容纳腔22开口于夹持头21的顶面，所述管材容纳腔22为圆形，所述管材容纳腔22的直径与管道试样3的外径相适配，将管道试样3同轴装在管材容纳腔22中。
下面结合附图1-6详细介绍本发明公开的塑料管道强度试验方法，包括以下步骤；
S1，制备试样：根据管材容纳腔22深度，在塑料管材上截取250mm长度的管材作为管道试样3，且将管道试样3上下端面加工平齐；
S2，安装加载椎体11和管段夹持装置2：将加载椎体11和管段夹持装置2与多功能力学性能试验机4相连，并保证加载椎体11与管段夹持装置2之间距离大于300mm；
S3，安装管道试样3：将制备好的管道试样3放入管材容纳腔22中；
S4，调节加载椎体11与管道试样3接触。手动慢速调节多功能力学性能试验机4的加载横梁41向下运动，通过观察加载椎体11与管道试样3接触力的大小，在加载椎体11与管道试样3上沿内部恰好接触即停止调节；
S5，试验开始与结束。首先通过计算机6将多功能力学性能试验机先前参数置零，然后设置加载速度和压缩试验标准，再启动多功能力学性能试验机开始试验，管道试样3发生明显失效后停止试验。
本发明公开的塑料管道强度试验装置，如图2-4所示，它包括多功能力学性能试验机4、加载椎体11和管段夹持装置2，所述加载椎体11顶部与多功能力学性能试验机4的加载横梁41连接，加载椎体11下部为从上往下直径逐渐减小的锥形段。
管段夹持装置2包括夹持头21，夹持头21底部与多功能力学性能试验机4的下夹具连接，所述夹持头21中央竖直设有管材容纳腔22，管材容纳腔22开口于夹持头21的顶面；所述管材容纳腔22为圆形，管材容纳腔22与加载椎体11同轴。
其中，加载椎体11的顶部中央以及夹持头21底部中央均有用于与多功能力学性能试验机4连接的连接部。
连接部包括竖直连接杆12，竖直连接杆12上设有同轴的固定盘13和横向的销孔14,销孔14位于固定盘13外端。具体的，将加载椎体11的竖直连接杆12安装在多功能力学性能试验机4的加载横梁41上，通过圆柱销5和固定盘13限制竖直连接杆12在轴向和环向的位移，从而实现加载椎体11的固定。
将管段夹持装置2的竖直连接杆12固定在多功能力学性能试验机4的下夹具连接座上，通过圆柱销5和固定盘13限制竖直连接杆12在轴向和环向的位移，从而实现管段夹持装置2的固定。
在另一个实施方式中，如图5所示，管段夹持装置2的管材容纳腔22为阶梯孔，管材容纳腔22顶部口径大于底部最小直径。管材容纳腔22为阶梯孔，可适用于多种管径的管材，适用范围宽。
阶梯孔的级数根据需要合理设置即可。本实施方式中，管材容纳腔22为三级阶梯孔。三级阶梯孔的直径分别为160mm、110mm、63mm，主要适应
和
三种管径。
本发明中的管段夹持装置2可夹持固定管道试样，便于利用多功能力学性能试验机对管道试样进行强度试验。
本发明提出了一种基于广泛应用的多功能力学性能试验机的管道强度快速、低成本试验方法，该方法无需增加场地和仪器设备就能开展试验，该方法的测试原理符合强度理论，试验方法可靠、试样制作容易；本发明装置基于现有多功能力学性能试验机而设计，只需增加配套的加载装置和管段夹持装置即可，整体结构简单、测试方便、测试时间短。
当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种塑料管道强度试验方法，其特征在于：借助于力学性能试验机和加载夹持装置对管道试样内部进行均匀加压，利用力学性能试验机数据采集***进行数据采集和分析，从而定量评判塑料管材环向强度大小。
2.根据权利要求1所述的塑料管道强度试验方法，其特征在于：将加载椎体安装在力学性能试验机的加载横梁上，加载椎体下部为从上往下直径逐渐减小的锥形段；将管道试样固定于加载椎体下方，使管道试样与加载椎体同轴，利用加载椎体的锥形段对管道试样进行加压，加载椎体的外锥面与管道试样内壁接触。
3.根据权利要求2所述的塑料管道强度试验方法，其特征在于：将固定管道试样的管段夹持装置固定在力学性能试验机的底座上；所述管段夹持装置包括夹持头，夹持头底部中央与力学性能试验机的基座连接，所述夹持头内部为中空用于容纳待试验管段，夹持头的中空腔开口于夹持头的顶面，所述中空腔的直径与管道试样的外径相适配，将管道试样同轴装在中空腔中。
4.根据权利要求3所述的塑料管道强度试验方法，其特征在于：包括以下步骤；
S1，调整加载横梁，使加载椎体与管道试样上沿内部接触时停止；
S2，在计算机中设置相关参数；
S3，启动力学性能试验机，自动完成试验。
5.根据权利要求2、3或4所述的塑料管道强度试验方法，其特征在于：采用公式(1)计算管道试样所受的环向应力σθ；
式(1)中，
σθ为试验管段的环向应力，单位：MPa；
F为力学性能试验机作用在椎体上的加载力,单位：N；
α为接触点处锥面与管道试样的夹角,单位：rad；
e为管道试样厚度,单位：mm；
当材料开裂时的σθ就是管道试样失效时的环向应力。
6.一种塑料管道强度试验装置，其特征在于：包括力学性能试验机、加载椎体和管段夹持装置，所述加载椎体顶部与力学性能试验机的加载横梁固接，加载椎体下部为从上往下直径逐渐减小的锥形段；
所述管段夹持装置包括夹持头，夹持头底部与力学性能试验机的下夹具固定孔连接，所述夹持头中央竖直设有管材容纳腔，管材容纳腔开口于夹持头的顶面；所述管材容纳腔为圆形，管材容纳腔与加载椎体同轴。
7.根据权利要求6所述的塑料管道强度试验装置，其特征在于：加载椎体的顶部中央以及夹持头底部中央均有用于与力学性能试验机连接的连接部。
8.根据权利要求7所述的塑料管道强度试验装置，其特征在于：所述连接部包括竖直连接杆，竖直连接杆上设有同轴的固定盘和横向的销孔,销孔位于固定盘外端，连接部通过通过圆柱销和固定盘与力学性能试验机连接。
9.根据权利要求8所述的塑料管道强度试验装置，其特征在于：所述管材容纳腔为阶梯孔，管材容纳腔顶部口径大于底部最小直径。
10.根据权利要求9所述的塑料管道强度试验装置，其特征在于：管材容纳腔为三级阶梯孔。
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- 2019-12-03 CN CN201911221124.1A patent/CN110907276A/zh active Pending
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