城市高温工业废水对地下聚氯乙烯管材性能的影响

Effect of Urban High-temperature Industrial Wastewater on Properties of Underground Polyvinyl Chloride Pipes

摘要

未增塑聚氯乙烯（UPVC）管道具有良好的力学和耐腐蚀性，是城市地下管网的重要组成部分，但其安全性受到管内各类排放物的威胁。为了分析工业废水对管网安全的影响，以UPVC管道为研究对象，进行材料力学性能研究，建立地下UPVC管材力学参数预测的经验公式，探究实温度幅度和热循环次数对管材的应力-应变拉伸曲线的影响，揭示UPVC管材的力学参数退化规律，提出城市高温工业废水作用下的管材力学参数预测公式。结果表明：在相同的温度范围循环作用下，UPVC管材的强度和断裂应变随高低温循环次数的增加不断降低。当热循环次数超过80次后，材料拉伸曲线不再随循环次数的增加而继续退化；在相同的热循环次数下，UPVC管材的强度和断裂应变随着高温幅值的增加显著降低。当高温废水温度接近100 ℃时，UPVC管材的强度不再明显变化，拉伸曲线基本稳定。

Abstract

Unplasticized polyvinyl chloride (UPVC) pipes exhibited favorable mechanical properties and corrosion resistance, serving as critical components of urban underground pipeline networks. However, their safety was threatened by various effluents within the pipes. To analyze the impact of industrial wastewater on pipeline safety, UPVC pipes were selected as the research subject for mechanical property investigation. Empirical formulas were established for predicting the mechanical parameters of underground UPVC pipes, and the effects of temperature amplitude and thermal cycle on the stress-strain tensile curves of the pipes were explored. The degradation patterns of mechanical parameters for UPVC pipes were revealed, and prediction formulas for pipe mechanical parameters under high-temperature industrial wastewater conditions were proposed. The results demonstrated that under identical temperature range cycling, the strength and fracture strain of UPVC pipes continuously decreased with the increasing high-low temperature cycle. When the thermal cycles exceeded 80, the material tensile curves no longer degraded with further increases of cycles. Under identical thermal cycles, the strength and fracture strain of UPVC pipes significantly decreased with increasing high-temperature amplitude. When the high-temperature wastewater temperature approached 100 ℃, the strength of UPVC pipes no longer exhibited obvious variation, and the tensile curves essentially stabilized.

Graphical abstract

关键词

未增塑聚氯乙烯 / 管道 / 工业废水 / 热循环次数 / 高温

Key words

Unplasticized polyvinyl chloride / Pipe / Industrial wastewater / thermal cycle / High-temperature

地下管网系统作为城市基础设施，是保障城市公共安全的重要组成部分^[1]。未增塑聚氯乙烯(UPVC)材料具有质量轻、抗压性好、耐腐蚀性强、摩阻小等特点^[2-4]，在城市地下排水工程中的应用日益广泛^[5-8]。然而，地下管网系统持续受到复杂环境的作用，运营后其安全性将不断降低，尤其是城市高温工业废水对地下管道安全的影响更为显著^[9-10]。UPVC材料不耐高温，易老化，因此研究其在城市高温工业废水反复作用下的力学性能具有重要意义。

目前，城市地下管网及聚氯乙烯(PVC)材料安全的研究备受关注。增塑剂对PVC管材力学性能有明显的提升作用^[11-12]，但在地下管网中的应用尚未普及。彭道军等^[13]研究增塑剂对PVC管材力学性能的影响，发现改良后管材的强度及断裂伸长率均有明显提升。韩间涛等^[14]对热塑性聚氨酯弹性体(TPU)改性PVC进行性能研究，发现PVC的力学性能显著提高，且二者相容性较好。雷经发等^[15]对PVC/TPU共混材料进行静动态拉伸试验，研究表明模压成型的材料断裂应变更优。DESHMUKH等^[16]和WANG等^[17]研究添加剂对PVC材料力学性能的影响，发现PVC的拉伸模量和强度均大幅提升。温度对PVC管材的弹性模量和强度均有影响，管材的耐久性和稳定性也与运营环境直接相关^[18-19]。张辉等^[20]研究UPVC材料在不同温度下的性能，发现温度对管材的弹性模量和强度均有较大影响。程旭亮等^[21]对PVC膜材进行老化试验研究，发现管材的耐久性与运营环境密切相关。唐鹏飞等^[22]研究PVC管材的轴向和埋地力学性能，发现管道抗弯及变形能力取决于轴向截面惯性矩。张立等^[23]研究超支化聚酯对PVC管材热稳定性及力学性能的影响，发现PVC热稳定性得到一定的改善。王安艺等^[24]采用TG-FTIR-MS耦合分析方法研究PVC及其共热解过程中的热失重行为，结果表明聚氯乙烯/聚苯乙烯(PVC/PS)共热解具有较强的协同作用。韩荣等^[25]研究碳纤维/PVC材料的热学和力学性能，结果表明碳纤维可提高PVC材料的导热性能、体积稳定性及热力学性能。

本文以UPVC管材为研究对象，研究高温工业废水引起的温度循环对材料力学性能的影响，揭示地下管网材料性能与工业废水最高温度及热循环次数之间的联系，建立有效的UPVC力学指标评估公式。研究成果为城市地下管网的安全评估提供依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

UPVC管材，公元管道(ERA，Φ110 mm)，密度为1 494 kg/m³，壁厚为4.0 mm，纵向回缩率为5%，浙江省台州市永高股份有限公司。

1.2 仪器与设备

伺服液压试验机，UTM-25，澳大利亚IPC Global公司；全自动小型电热水炉，NP100-10，上海热能设备有限公司；应变计，120-5AA，上海澄科电子科技有限公司；动静态应变测试系统，TZT3827EN-16，江苏泰斯特电子设备制造有限公司。

1.3 样品制备

按照GB/T 1040.2—2022^[26]制备UPVC试样。根据对某市工业园区废水温度调研结果，高温工业废水排至地下管网后，管道先升温，废水排出后又逐渐下降至常温，完成一次高低温循环。采用全自动小型电热水炉对试件施加高低温循环作用，待试件温度从目标高温自然降至常温后，对其进行拉伸试验。图1为UPVC试样的尺寸。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：按照GB/T 1040.2—2022^[26]进行测试，加载时将伺服液压试验机的内部环境温度调整为20 ℃，采用位移加载控制，加载速率为1 mm/min。当强度陡然下降时，表示试件破坏，实验结束。为探究废水温度及高低温循环作用次数对UPVC性能的影响，采用4种温度升降循环条件(20~40 ℃、20~60 ℃、20~80 ℃、20~100 ℃)；5种不同的高低温循环次数(30、60、70、80、90次)。每组实验工况制作3个试件。拉伸强度取测试结果平均值，计算公式为：

{\sigma }_{\mathrm{u}}=\frac{F_{\mathrm{u}}}{bh}(1)

式(1)中：σ_u为拉伸强度，MPa；F_u为拉伸失效前荷载平稳值，N；b为试件截面宽度，mm；h为试件截面厚度，mm。

2 结果与讨论

2.1 热循环次数的影响

图2为热循环次数对UPVC管材应力-应变曲线的影响。从图2可以看出，UPVC管材在进入塑性阶段时，应力达到峰值，此后进入强度稳定阶段，直至断裂，表明UPVC管材的塑性变形能力较好。在相同的温度变化范围条件下，UPVC管材的强度和断裂应变随热循环次数的增加不断降低，性能下降速度随热循环次数的增加呈现先快后慢的规律。当热循环次数超过80次后，UPVC管材的拉伸强度从41 MPa降低至25 MPa以下，断裂应变的下降甚至超过50%，但材料拉伸曲线不再随热循环次数的增加而继续退化，曲线形状逐渐保持稳定。

2.2 温度变化幅度的影响

图3为温度变化对UPVC管材应力-应变曲线的影响。从图3可以看出，在相同的热循环次数下，UPVC材料的强度和断裂应变随温度的增加而降低；当排放温度接近100 ℃时，材料强度不再明显变化，基本稳定在20~25 MPa，材料应力-应变曲线也不再随温度的增加而变化。

2.3 UPVC力学参数的退化规律及分析

为综合研究城市高温工业废水引起的热作用对地下管网性能的不利影响，对UPVC材料的主要力学指标进行拟合分析。图4为UPVC管材力学指标与热循环次数的关系。其中，t_m和n分别表示城市工业废水排出时的最高温度和热循环次数；E₀和E(t_m，n)分别为UPVC管材的初始拉伸模量和热循环作用后的拉伸模量；σ_u0和σ_u(t_m，n)分别为管材的初始强度和热循环作用后的强度；ε_f0和ε_f(t_m，n)分别为管材的初始断裂应变和热循环作用后的断裂应变。从图4可以看出，管材的拉伸模量、强度和断裂应变均随温度变化幅度和循环次数的增加而降低；除拉伸模量外，管材强度和断裂应变的下降趋于平缓，即达到一个稳定的状态。随着温度幅度的升高，材料达到稳定状态所需的热循环次数逐渐减少，表明高温下材料的性能退化更加迅速。

为进一步获得UPVC管材力学性能与高温工业废水循环作用之间的关系，对实验结果进行拟合分析。将力学参数实测值与初始值相比，可以直观得到管材的性能退化规律。UPVC管材力学性能参数的拟合结果公式为：

\left\{\begin{array}{l}E\left(t_{\mathrm{m}},n\right)/E_{\mathrm{0}}=-a{n}^{\mathrm{1.4}}+\mathrm{1.00}\\ a=\mathrm{2}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{7}}{\left(\mathrm{100}-t_{\mathrm{m}}\right)}^{\mathrm{2}}-\mathrm{1.28}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}\end{array}\right.(2)

\left\{\begin{array}{l}{\sigma }_{\mathrm{u}}\left(t_{\mathrm{m}},n\right)/{{\sigma }_{\mathrm{u}}}_{\mathrm{0}}=a{\left(\mathrm{90}-n\right)}^{\mathrm{2.2}}+b\\ a=-\mathrm{1.1}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{10}}{\left(\mathrm{100}-t_{\mathrm{m}}\right)}^{\mathrm{2.8}}+\mathrm{2.7}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{5}}\\ b=\mathrm{7.5}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{5}}{\left(\mathrm{100}-t_{\mathrm{m}}\right)}^{\mathrm{2}}+\mathrm{0.47}\end{array}\right.(3)

\left\{\begin{array}{l}{\epsilon }_{\mathrm{f}}\left(t_{\mathrm{m}},n\right)/{{\epsilon }_f}_{\mathrm{0}}=a{\left(\mathrm{90}-n\right)}^{\mathrm{2.5}}+b\\ a=-\mathrm{1.5}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{11}}{\left(\mathrm{100}-t_{\mathrm{m}}\right)}^{\mathrm{3}}+\mathrm{8.2}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}}\\ b=\mathrm{1.4}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{7}}{\left(\mathrm{100}-t_{\mathrm{m}}\right)}^{\mathrm{3.5}}+\mathrm{0.37}\end{array}\right.(4)

式(2)~式(4)中：a和b为公式表达的过程参数。

以上经验公式的适用范围为：工业废水排入管道时的最高温度为20~100 ℃，热循环次数不超过90次。结果表明，管材的强度和断裂应变拟合函数曲线的对称轴为热循环90次，说明强度和断裂应变的下降随热循环次数的增加逐渐达到稳定状态。

2.4 UPVC管材弹塑性本构模型

为方便采用数值分析方法评估经过工业废水作用后的管道承载能力，需要建立相应的本构模型。因此，将实验获得的工程应力-工程应变曲线转化为真实应力-真实应变曲线。转化公式为：

\left\{\begin{array}{l}\sigma ={\sigma }_{\mathrm{0}}\left(\mathrm{1}+{\epsilon }_{\mathrm{0}}\right)\\ \epsilon =\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\mathrm{1}+{\epsilon }_{\mathrm{0}}\right)\end{array}\right.(5)

式(5)中：σ和σ₀分别为真实应力和工程应力，MPa；ε和ε₀分别为真实应变和工程应变，%。

UPVC管材进入塑性后，工程应力进入平稳阶段，转化为真实应力应变后曲线呈现双折线形，且二次切线模量基本保持为常数。在应变不大于30%范围内，采用双折线形本构模型对应力-应变曲线进行模拟。表1为UPVC管材本构模型对应的参数。从表1可以看出，在小变形范围内，初始弹性模量和屈服应力仍可采用式(2)和式(3)进行计算，二次切线模量在热处理后变化不大，取32 MPa。

图5为UPVC管材实验与本构模型曲线对比结果(20~40 ℃)。从图5可以看出，双折线模型计算结果与实验曲线基本一致，表明所提出的模型具有良好的适用性，该曲线可以为管道承载能力评估提供计算依据。

3 结论

本实验测试高温水作用下的UPVC管材的力学性能，获得在不同温度幅度和循环次数作用后UPVC管材的拉伸应力-应变曲线，揭示力学参数退化规律，提出考虑城市高温工业废水作用的管材力学参数预测公式。结果表明：在相同的温度范围循环作用下，UPVC管材的强度和断裂应变随高低温循环次数的增加不断降低；当热循环次数超过80次后，材料拉伸曲线不再随循环次数的增加而继续退化。在相同的热循环次数作用下，UPVC管材的强度和断裂应变随着高温幅值的增加显著降低；当高温废水温度接近100 ℃时，UPVC管材的强度不再明显变化，拉伸曲线基本稳定。热循环对UPVC管材的力学性能影响较大，UPVC管材的拉伸模量、强度和断裂应变均随温度变化幅度和循环次数的增加而降低；除拉伸模量外，管材的强度和断裂应变的下降逐渐趋于平缓，即达到稳定状态。本研究获得的UPVC管材本构模型具有较好的适应性，在地下管网安全评估中具有较大的应用前景。

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基金资助

国家自然科学基金项目(51708485)

杭州市建设科研项目(2021048)