丙烯酸酯共混聚氯乙烯（ABR）管低温力学性能研究

Research on Low-Temperature Mechanical Properties of Acrylate Polymer Blended with Polyvinyl Chloride Resin (ABR) Pipes

摘要

为探究丙烯酸酯共混聚氯乙烯管（ABR）低温环境下的力学性能和使用性能，试验对ABR、高性能硬聚氯乙烯管（PVC-UH）和PN1.0 MPa型号的硬聚氯乙烯（PVC-U）管进行了多种温度条件下的压扁性能和拉伸性能测试，并对3种管道在5 ℃环境中的偏角密封性能进行了试验研究。同时，基于测试和试验结果建立了低温下的ABR管偏角密封性数值模型。试验和模拟的研究结果表明：低温条件下，ABR管的力学性能优于PVC-UH和PVC-U管，丙烯酸酯（ACR）改性剂的混入显著提高了ABR管低温下的压扁、拉伸和抗渗漏性能。在5 ℃的环境中，ABR管材的屈服强度为57.1 MPa，弹性模量为3 679.3 MPa，断裂伸长率为71.5%，环刚度为22.67 kN/m²，环柔性良好。同时，在5 ℃的环境中，ABR管线接口处在0.4 MPa静液压和8°偏角位移的作用下依旧能保持密封性。

关键词

ABR管 / 温度 / 力学性能 / 密封性 / 数值模拟

Key words

ABR pipes / Temperature / Mechanical properties / Leak tightness / Numerical simulation

埋地管道的损害中较为常见的是地基不均匀沉降导致的管线渗漏^[1-3]。其中，造成管线地基沉降的因素很多。例如，沿海地区多为软土地基，而软土地基具有可压缩性高、强度低的特点^[4]，使该环境下不均匀沉降频发，并给沿海地区的埋地管线带来了重大安全隐患^[5-6]。而内陆地区的地基强度虽优于沿海地区，但城市中隧道的修建导致的地基受力变化^[7]，地下开采带来的土层变化^[8-9]，农业灌溉导致的地块的土体饱和度不均匀、翻土播种和机械劳作导致的土体密实度的改变^[10]等因素都会诱发地基的不均匀沉降。地基的不均匀沉降会使该条件下的埋地管线长期受到偏角位移和静液压的双重作用并最终泄漏失效^[11-13]，且这种渗漏主要发生在管线的接口处^[14-16]。因此，管线连接处偏角密封性能的高低将直接决定管线的使用寿命和使用性能。

硬聚氯乙烯(PVC-U)管道具有质量轻、成本低、耐腐蚀的优点，广泛用于城市给排水和农业水利领域^[17-18]。但PVC-U管道又具有不耐热、不耐寒的缺点^[19-21]。温度的降低往往会使PVC的材料韧性大幅下降，导致低温环境中的输水管道易开裂、易脆断。为提高PVC类管道的材料韧性，许多人员对PVC类管材进行了增韧研究^[22-24]。王原^[25]认为，增韧改性剂在提高氯化聚氯乙烯(CPVC)韧性的同时也会降低CPVC的耐热性，其对比研究了甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、丁腈橡胶(NBR)以及乙烯丙烯酸丁酯共聚物(EBA)4种改性剂对CPVC材料的增韧效果，发现MBS改性剂与CPVC树脂的相容性最佳，MBS在大幅提高CPVC的材料韧性的同时对CPVC维卡软化温度的影响最小。张周达^[26]研究了纳米碳酸钙填充粉末橡胶复合粒子对PVC的韧性影响。研究发现，纳米CaCO₃和丁苯胶乳(SBR)的配比为7∶3时，改性后的材料综合力学性能最好。贾立蓉^[27]采用超细全硫化粉末橡胶共混改性法对PVC-U进行了增韧研究。结果表明：全硫化粉末丁腈橡胶与PVC的兼容性好，改性后的材料界面间作用力强，增韧效果好。ZHANG等^[28]通过α-甲基苯乙烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(AMS-ABS)和氯化聚乙烯(CPE)共混对PVC进行了增韧改性。结果表明：三元共混物提高了材料的剪切屈服强度，这使改性后的材料抗冲击性能提高了21倍。

共混改性是一种物理改性方式，其通过将改性剂与PVC原料进行搅拌混合，从而制备成改性的PVC混配料。这种改性方式操作简便、成本低^[29-30]。而丙烯酸酯共混聚氯乙烯管(ABR)管是一种通过丙烯酸酯(ACR)共混PVC制成的管道。为探究ABR管材低温条件下的力学性能和日常使用性能，本文通过试验测试和数值模拟的方法对ABR管进行了压扁测试、拉伸测试和管道接口的偏角密封性研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

硬聚氯乙烯管(PVC-U)，PVC-U-dn200-en8-PN1.0MPa-GB/T 10002.1—2006，山东东信塑胶科技有限公司；高性能硬聚氯乙烯管(PVC-UH)，PVC-UH-dn200-en8-PN1.0MPa-CJ/T 493—2016，山东东信塑胶科技有限公司；丙烯酸酯共混聚氯乙烯管(ABR)，ABR-dn200-en8-PN1.0MPa-T/SDAQI 073—2022，山东东信塑胶科技有限公司。

1.2 仪器与设备

环刚度检测机，JJRST-1412，承德市金建检测仪器有限公司；万能试验机，UTM-1352，承德市金建检测仪器有限公司；管材静液压试验机，JJHBT，承德市金建检测仪器有限公司；电阻应变片，BE120-3AA-P300，中航电测仪器股份有限公司；应变式位移传感器，YWD-200，江苏省溧阳市金诚测试仪器厂；工业级电压双轴倾角传感器，LCT620T，无锡咏为传感科技有限公司；动态应变测试分析系统，GHHP-DJ，南京贺普科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 压扁性能测试

按照GB/T 9647—2015进行测试，对外径200 mm的ABR管材、PVC-UH管材和PVC-U管材进行压扁性能测试。管段壁厚为8 mm，管段长为300 mm，设备压缩速率为5 mm/min，压缩度为3%，压缩位移的测量采用内径测量，测试温度为25、15、5 ℃，每种温度下测试3组，取平均值。环柔性测试的压缩度为30%，其余设置与环刚度相同。

1.3.2 拉伸性能测试

按照GB/T 8804—2003和GB/T 1040.1—2018进行测试。加载速率为5 mm/min，拉伸片材种类为标准的机械加工类型，测试温度为25、15、5 ℃，每种温度下测试3组，取平均值。

1.3.3 偏角密封性测试

按照GB/T 19471.1—2004进行测试。每组管道包含1根长1.5 m带承口的管段和一根带倒角的6 m标准直管，且管道承口段通过夹具固定在外框架上。同时，管道接口处安装有应变片和倾角仪以监测管道形变和偏移角度，管线接口处、直管中部、直管末端设置有位移计以监测管道的实际位移。测试时的室温与水温皆为5 ℃。

对组装好的管道加水压至0.4 MPa，待水压稳定后对管体进行偏角位移加载，加载步长为0.5°，每加载一步后保持偏角不变持续荷载60 min，观察是否有渗漏的现象；若有，停止试验；若无继续试验。图1为偏角密封性试验示意图。

2 结果与分析

图2为在25、15、5 ℃下3种管道的环刚度对比。从图2可以看出，当温度为25 ℃时，PVC-UH、ABR、PVC-U管的环刚度分别为19.29、17.44、15.38 kN/m²，表明在室温条件下，ABR管材的环刚度高于普通的PVC-U管材，但低于PVC-UH这类高性能管材。结果表明：丙烯酸酯类共聚物(ACR)改性剂在常温下能够提高PVC类管材的抗压性能，但提升效果相对有限。在15 ℃条件下，PVC-UH、ABR、PVC-U管的环刚度分别为20.8、19.18、16.15 kN/m²。与25 ℃时相比，3种管材的环刚度分别提升了8%、10%、5%，表明随着温度的降低，3种管材的抗压能力均呈上升趋势，且ABR管的抗压性能上升幅度大于PVC-UH和PVC-U管材。在5 ℃时，PVC-UH、ABR、PVC-U管的环刚度分别为21.8、22.67、16.92 kN/m²。相较于25 ℃时，3种管材的环刚度分别提升了13%、30%、10%。结果表明：PVC-UH管和PVC-U管的制作原料基本相同，因此温度对环刚度的影响相近。但ABR管却展现出了优秀的低温抗压性能。5 ℃时的ABR管材的环刚度为22.67 kN/m²，相较于25 ℃时提升了30%，且超过了PVC-UH管材的环刚度，表明ACR改性剂的混入显著提高了ABR管材的低温抗压性能。

图3为25、15、5 ℃下3种管道的环柔性对比。测试时对3种管材加压至预设压缩度后，迅速卸载并观察管壁。结果显示，3种管材皆无裂缝、无发白、无断丝且回弹效果良好。从图3可以看出，随着温度的降低，ABR管同样展现出较大的环形韧性的提升。在3种温度条件下，ABR管的抗压性能皆高于PVC-U，这证明ACR改性剂能提高PVC-U管材的抗压性能。且5 ℃的测试结果表明，ABR管具有优异的低温抗压性能。另一方面，虽然常温条件下ABR管材的抗压性能低于PVC-UH管材，但PVC-UH管材对生产设备和生产原料的要求较高，而ABR管的生产需求与普通PVC-U管相近，且ABR管的原料成本低于PVC-UH。因此，相较于PVC-UH管和PVC-U管，ABR管具有较高的性价比。

图4为25、15、5 ℃下3种管道的拉伸性能对比，表1为具体数据。从图4和表1可以看出，当温度为25 ℃时，ABR管的屈服强度和弹性模量略低于PVC-UH管，但高于PVC-U管道。而随着温度的降低，在15 ℃时，ABR管的拉伸性能已全面高于PVC-UH管。在5 ℃时，ABR管表现出优异的低温韧性，此时其屈服强度为57.1 MPa，弹性模量为3 679.3 MPa，相较于25 ℃时提高了27%和20%。这表明ACR改性剂能够提高管材的弹性模量和屈服强度，从而提升管材的韧性。此外，PVC具有低温脆断的材料特征，使3种管材的断裂伸长率皆随着温度的降低而降低。在5 ℃时，PVC-UH、ABR、PVC-U管的断裂伸长率分别为63.7%、71.5%、55.9%。与25 ℃时相比，3种管材的断裂伸长率分别降低了24%、16%、29%。这表明ACR改性剂能改善PVC类管低温脆断的缺陷，从而降低管道在低温环境中的开裂风险。

日常使用中，埋地输水管道的失效灾害以泄漏为主。因此管道的偏角密封性能将直接决定管线的使用性能和抗风险能力。图5为偏角密封性试验结果。试验观测到：待水压达到0.4 MPa并稳定后，随着偏角的增大，承口端偏角内侧的管壁逐渐受压变形发白，而偏角外侧的管道承口与插口之间的间隙也随之增大。同时，接口处的密封圈也在管内水压的作用下被逐渐顶出。随后，当管道偏角外侧的管壁进入塑性应变阶段时，管口的应变开始快速上升，如图5中标记点所示。此时管道的密封性逐渐失效，管线接口处出现泄漏，试验停止。在5 ℃的环境温度下，PVC-UH、ABR、PVC-U管在0.4 MPa内压下的临界偏角值分别为6°、8°、5°，表明ABR具有较高的低温偏角密封性能。

3 模拟与讨论

3.1 模拟设置

为探究导致ABR管材偏角密封性较强的原因，对ABR管材的偏角密封性试验进行数值模拟分析。模拟采用ABAQUS有限元软件。在数值模拟中，管道采用实体可变形单元建模，材料设置为弹塑性材料，材料属性使用拉伸试验中测定的数值；网格单元选用C3D8R单元。密封圈为超弹性材料，选用Mooney-Rivlin材料模型，其参数根据试验测得C10=2.205，C01=0.152，密封圈网格单元选用的C3D8RH单元，数值模型总共105.8万个单元。模拟采用静力通用分析方式，分为三步：首先将直管插入承口端，随后对模型连接处内表面和直管内侧表面施加0.4 MPa的均布压力，最后对直管施加0°~12°的角位移。

3.2 模拟结果分析

图6为ABR管在试验与模拟中采集的偏角侧管口应变-角位移特征曲线的对比。从图6可以看出，在管内水压为0.4 MPa的情况下，偏角位移对管壁环向应变的影响大于轴向应变。随着偏角位移的增大，承口端偏角内侧管壁的应变随之增大。当偏角位移达到8°时，承口端管壁偏角内侧的管口处因挤压出现塑性变形，导致管口的应变开始快速上升。而当偏角位移达到9°时，试验中管道出现泄漏，模拟中管口则出现大面积的应力屈服。数值模拟与试验吻合度较高，证明该数值模型较好地反映ABR管偏角密封性试验中管道的受力状况。

数值模拟第一步是管线接口的组装，即将直管插入承口端，图7为其数值模拟等值线，其中应力、应变值是基于Mises屈服准则计算的等效应力、应变值。从图7可以看出，直管插入承口端时，应力主要集中于密封圈所在的区域。此时密封圈因挤压出现变形，并与直管管壁紧密贴合，从而使管线接口处于密封状态。不过这种因密封圈形变带来的挤压应力较小，最大值仅为0.246 MPa。因此这种残余应力不会对管道的后期使用造成明显影响。

图8为管道偏角过程中的数值模拟等值线。从图8可以看出，在管内静液压为0.4 MPa的情况下，随着偏角位移的增大，偏角外侧的直管管壁与密封圈间的挤压作用逐渐减小，使密封圈与管壁间的摩擦力随之减小并导致接口密封性开始逐渐降低。图8中的管道承口端仍处于弹性阶段，其应力极值为32.481 MPa。而直管倒角处部分区域的应力达到57.106 MPa，开始进入塑性应变阶段。

图9为偏角位移达到8°时，管道承口端开始塑性应变时的数值模拟等值线图。从图9可以看出，偏角位移过程中承口端的应力极值出现在偏角内侧的管口处。当偏角位移达到8°时，偏角内侧管口处的应力达到57.106 MPa，并开始进入塑性应变阶段，而偏角外侧的密封圈开始与管壁脱离。此时管线接口的偏角密封性已经失效，试验测试中此时的管线接口开始泄漏。

图10为偏角位移达到12°时管线接口的模拟等值线。从图10可以看出，偏角内侧大面积的塑性形变导致偏角外侧管壁与密封圈脱离接触是管线接口处偏角试验过程中密封性能下降的主要原因，表明管道的屈服应力大小是决定管线接口处偏角密封性能的主要因素。而由拉伸测试可知，在5 ℃的环境中ABR管具有优异的低温拉伸性能，这使低温环境中ABR管道的偏角密封性能大于PVC-UH管和PVC-U管。此外，直管倒角与管道承口端的契合度也是管线接口处偏角密封性能的影响因素之一。图10中直管倒角与管道承口端间存在挤压作用，这种挤压造成的卷曲变形使原本紧密贴合的管壁间出现较大的缝隙。此时，输水管内的带压水体会迅速涌入缝隙并导致管口出现泄漏，从而使管道接口丧失密封性，甚至出现爆管灾害。因此，直管倒角处的加工质量也不可忽视。

综合分析试验与模拟的结果，可以发现：管道的屈服强度和弹性模量决定了管线接口处的偏角密封极限值。不同于普通的静液压试验中接口处的密封性能主要由密封圈性能来提供，偏角密封性试验中承口端的管道材料力学性能对于管道的偏角密封性能也极为重要。承口端的材料力学性能决定其在偏角位移所带来的压力下的应变大小，并以此来影响密封圈受到的压力大小。在低温环境中，ABR管材相较于PVC-HU管材和PVC-U管材拥有更高的屈服强度和弹性模量，使其偏角密封性能优于后两者。而良好的偏角密封性能有助于提高埋地输水管线的使用寿命。

4 结论

试验对PVC-UH、ABR和PVC-U3种管材进行了多种温度下的压扁性能、拉伸性能测试，并对3种管道在5 ℃环境中的偏角密封性能进行了试验。基于测试和试验结果对ABR管低温下的偏角密封性能进行数值模拟研究。结果表明：ARC改性剂显著提高了ABR管低温下的力学性能，使ABR管低温下的偏角密封性能得到了提高。良好的偏角密封性能为管道的长期运维提供了保障。

在25 ℃和15 ℃的环境中，ACR改性剂的混入使ABR管的环刚度和环柔性略低于PVC-UH管。但其压扁性能依旧高于常见的PVC-U管。而5 ℃的环境中，ABR管的环刚度和环柔性与PVC-UH管相近。

在15 ℃和5 ℃的环境中，ABR管的屈服强度、弹性模量和断裂伸长率显著高于PVC-UH管和PVC-U管，表明ABR具有优秀的低温拉伸性能。

在5 ℃的环境中，ABR管线接口处在0.4 MPa静液压和8°偏角位移的作用下依旧能保持密封状态。

基于ABAQUS对管线进行偏角密封数值模拟，模拟结果表明低温下ABR管良好的屈服强度和弹性模量是使ABR管线具有更好偏角密封性能的主要原因。

参考文献

[1] 刘威,黄淳捷.地面不均匀沉降下埋地管道响应数值分析[J].同济大学学报:自然科学版,2022,50(3):370-377.

[2] 马小明,康逊.埋地管道不均匀沉降的应力及影响因素分析[J].重庆大学学报,2017,40(8):45-52.

[3] 张玉,侯正森,李大勇,地基沉降作用下管道安全性测试平台设计与研制[J].实验技术与管理,2021,38(7):135-140.

[4] 詹迪,马小明.非均匀沉降下沿海埋地天然气管道应力有限元分析与预测[J/OL].热加工工艺,1-5[2024-02-13].

[5] 季蓓蕾,刘啸奔,江金旭,软土沉降位移作用下大口径管道轴向应力状态研究[J].中国安全生产科学技术,2021,17(6):85-90.

[6] 郑志军,郑博士,马小明.土体不均匀沉降下越站管道应力有限元分析[J].化工设备与管道,2023,60(3):76-81.

[7] LIN C G, HUANG M S, NADIM F, et al. Tunnelling-induced response of buried pipelines and their effects on ground settlements[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2020, DOI: 10.1016/j.tust.2019.103193.

[8] 武段旭,董琪,门玉明.浅埋PVC管道穿越挖填方场地时受力状态研究[J].铁道科学与工程学报,2017,14(10):2177-2184.

[9] YU C, HAN C J, XIE R, et al. Mechanical behavior analysis of buried pipeline under stratum settlement caused by underground mining[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2020, DOI: 10.1016/j.ijpvp.2020.104212.

[10] GUO Z Y, HU S W, JIN W C, et al. Application of digital twin in the industry of axial hollow-wall pipes[J]. Applied Science, 2023, DOI:10.3390/app13148093.

[11] 张玉,梁昊,林亮,不同沉降方式下埋地管道力学响应试验研究[J].岩土力学,2023,44(6):1645-1656.

[12] 巴振宁,王智恺,梁建文.温度和不均匀沉降耦合作用下埋地管道力学性能[J].油气储运,2018,37(10):1097-1103.

[13] 刘鹏,黄维和,李玉星,阶梯沉降条件下埋地钢管的力学响应规律[J].天然气工业,2023,43(12):110-120.

[14] BALKAYA M, MOORE I D. Analysis of a gasketed polyvinyl chloride pipe joint[J]. Transportation Research Record, 2009, 2131(1): 113-122.

[15] 徐海翔,王永焕,林松涛.某核电工程大直径输水管道水密性能检测方法和检测装置研究[J].工业建筑,2011,41(S1):198-200.

[16] ZHANG J, LIANG Z, HAN C J. Mechanical behaviour analysis of buried pressure pipeline crossing ground settlement zone[J]. International Journal of Pavement Engineering, 2017, 18(7): 608-621.

[17] 唐鹏飞,胡少伟,刘国安,排水用PVC轴向中空壁管力学性能及结构优化分析[J/OL].工程科学与技术:1-11[2023-10-29].

[18] 朱瑞霞,甘露,武芷萱.几种常见给水PVC工程管道的对比分析[J].中国塑料,2021,35(3):50-58.

[19] 甄凤.阻燃耐高温PVC管材的制备及其应用研究[J].塑料科技,2023,51(3):59-62.

[20] 巨安奇,王娜,高玉铃,PVC/ABS共混物的热稳定性[J].高分子材料科学与工程,2009,25(6):74-77.

[21] 郭泽元,胡少伟,金文粲,PVC-U轴向中空壁管挤出成型工艺优化与数值模拟[J].塑料工业,2023,51(9):94-101.

[22] 承林,何志才,韦佳倩,PVC/EVA形状记忆管材的制备及性能研究[J].塑料工业,2018,46(7):155-158.

[23] 辛明亮,林华义,李茂东,聚氯乙烯管材研究进展及使用寿命评估[J].塑料科技,2015,43(8):95-98.

[24] 范英奎,朱瑞霞,彭金刚,PVC-UH管材壁厚对环向拉伸强度的影响[J].中国塑料,2019,33(8):38-43.

[25] 王原.CPVC稳定、流动、增韧、增强方面的研究[D].北京:北京化工大学,2018.

[26] 张周达.纳米碳酸钙填充型粉末橡胶复合粒子增韧聚氯乙烯[D].上海:华东理工大学,2012.

[27] 贾立蓉.超细全硫化粉末橡胶对硬质聚氯乙烯的改性研究[D].成都:四川大学,2004.

[28] ZHANG Z, ZHANG J, LIU H Y. Toughening modification of poly (vinyl chloride)/α-methylstyrene-acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer blends via adding chlorinated polyethylene[J]. Polymer Engineering & Science, 2014, 54(2): 378-385.

[29] YANG J H, HU S W. Estimation of burst pressure of PVC pipe using average shear stress yield criterion: Experimental and numerical studies[J]. Applied Sciences, 2021, DOI: 10.3390/app112110477.

[30] 胡少伟,杨金辉.大口径高性能聚氯乙烯管道研发与工程安全保障技术[J].工程力学,2023,40(1):1-31.

基金资助

国家重点研发计划资助(2022YFC3004401)

国家自然科学基金委重点项目(52130901)

河南省自然科学基金资助项目(232300421003)

泰山产业领军人才项目(tscx202306104)