水利工程塑料管材落錘沖擊試驗的不確定度評定及試驗方法研究

孫丹丹，曹增龍，羅 偉，付家敏，張 年

(湖北正平水利水電工程質量檢測有限公司，湖北 武漢 430070)

隨著國家對水利工程基礎設施建設的投資力度逐漸加大，塑料管材因其價格優惠、節能環保和性能優越等優勢在水利工程中的應用越來越廣泛，常見的管材類型主要有：聚氯乙烯管(PVC管)、聚乙烯管(PE管)和聚丙烯管(PP管)3類[1]。為了使塑料管材的質量得到保證，檢測水利工程塑料管材的物理力學性能顯得尤為重要[2]。物理力學性能檢測的指標主要包括：靜液壓強度、氧化誘導時間、縱向回縮率、維卡軟化溫度、落錘沖擊試驗等，主要針對落錘沖擊試驗進行介紹。

落錘沖擊試驗是衡量水利工程塑料管材耐沖擊韌性的重要檢測方法，通過一定質量的落錘從不同的高度沖擊管材規定的部位，以沖擊破壞總數除以沖擊總數即真實沖擊率(TIR)小于或等于10%則判定為合格，依據主要為GB/T 14152—2001《熱塑性塑料管材耐外沖性能試驗方法 時針旋轉法》。為提高水利工程塑料管材落錘沖擊試驗的準確性，引入不確定度理論對落錘沖擊試驗進行修正，并對該試驗的方法進行系統性地概括和研究，以期為水利工程塑料管材質量檢測提供新的思路。

1 不確定度理論

對于水利工程質量檢測，為保證測量結果的可靠程度應對測量結果的質量進行定量說明，表征測量值的分散性，即不確定度[3]。不同于誤差的是，不確定度是主要衡量測量結果質量的指標，測量結果不確定度的大小在一定程度上表明了測量結果的可用性[4]，即不確定度愈小，測量結果與測量真值愈接近，測量結果質量愈高，其使用價值愈高；反之不確定度愈大，測量結果與測量真值相差愈大，其使用價值愈低[5- 8]。落錘沖擊試驗中所需的沖擊能量主要通過落錘沖擊試驗機來實現[9]，管材落錘沖擊試驗的不確定度的重點在于校核落錘式沖擊試驗機的不確定度，不確定度的評定過程如圖1所示。通過評定落錘式沖擊試驗機的不確定度，以提高落錘式沖擊試驗的整體準確性和可靠度。

1.1 儀器與設備

采用的試驗儀器為XJC- 300系列落錘式沖擊試驗機，滿足ISO3127對試驗設備的要求，由工作臺、防止二次沖擊機構、導向管、錘體、錘體升降及自動落錘機構、電機、減速器、電控箱、機座等組成，主要的技術參數見表1。

XJC- 300系列落錘式沖擊試驗機試驗設備實物如圖2所示。

1.2 識別和分析不確定度來源

XJC- 300系列落錘式沖擊試驗機不確定度的來源主要有：隨機因素引起的落錘質量測量的不確定度，包括衡器不準確引起的不確定度um1和重復測量引起的不確定度um2；跌落高度的測量所引起的

圖1 不確定度評定步驟

表1 主要技術參數表

圖2 落錘式沖擊試驗機試驗設備實物圖

不確定度，包括測量高度裝置不準確引起的不確定度uh1和重復測量引起的不確定度uh2；沖擊速度測量的不準確所引起的不確定度，包括測量速度裝置不準確引起的不確定度uv1和重復測量引起的不確定度uv2。

1.3 數學模型

落錘沖擊試驗中誤差主要來源于落錘跌落過程中的能量損失，根據能量守恒定律和能量轉化原理，能量損失公式為[10]：

(1)

落錘沖擊速度和跌落高度互不相關，即相互獨立：

(2)

式中，C1、C2—靈敏度系數。

(3)

(4)

所以，不確定度為：

(5)

1.4 不確定度評定

1.4.1落錘質量測量的不確定度評定

衡器采用電子計重秤，允許誤差為±1g，區間半寬δm=1g，通常假設為均勻分布，采用B類方法評定[11]，計算公式為：

(6)

由重復測量值引起的不準確度采用A類方法中的極差法進行評定[12]，計算公式為：

(7)

則落錘質量測量的不確定度為：

(8)

1.4.2跌落高度測量的不確定度評定

測量高度裝置采用鋼卷尺，允許誤差為±1.0mm，區間半寬δh=1mm，通常假設為均勻分布，采用B類方法評定，計算公式為：

(9)

由重復測量值引起的不準確度采用A類方法中的極差法進行評定，計算公式為：

(10)

則跌落高度測量的不確定度為：

(11)

1.4.3沖擊速度測量的不確定度評定

(12)

由重復測量值引起的不準確度采用A類方法中的極差法進行評定，計算公式為：

(13)

則沖擊速度測量的不確定度為：

(14)

1.5 不確定度的計算

對XJC- 300系列落錘式沖擊試驗機進行不確定度評定，落錘質量、跌落高度和落錘速度重復進行n=5次測量，各有關測量數據統計結果見表2。

通過上述計算公式，各有關測量數據的不確定度及能量損失的擴展不確定度見表3。

由表3計算結果可知，XJC- 300系列落錘式沖擊試驗機能量損失擴展不確定為2.26%(k=2)，測量結果與測量真值接近，采用此系列的試驗機進行落錘沖擊試驗的結果使用價值高。

表2 各測量數據統計表

表3 各測量數據的不確定度

2 落錘沖擊試驗方法研究

落錘沖擊試驗現行的規范主要為GB/T 14152—2001《熱塑性塑料管材耐外沖性能試驗方法時針旋轉法》[13]，對該規范進行了系統性地總結和研究。落錘沖擊試驗步驟如圖3所示。

圖3 落錘沖擊試驗步驟

2.1 試樣制備

試樣制備的內容主要包括試樣切割、試樣長度、試樣標線和試樣數量。

(1)試樣切割。試樣從連續生產的管材中隨機抽取，切割斷面應光滑無損傷，與管材軸線垂直。

(2)試樣長度。試樣長度取200mm±10mm。

(3)試樣標線。當前試樣標線有2種畫法[14]：軸向畫線法(如圖4所示)和徑向畫線法(如圖5所示)。

圖4 軸向畫線法

圖5 徑向畫線法

在實際操作過程中，圖5存在管材無法進行時針旋轉、沖擊點集中于管材的某一軸線上而無法綁定管材的整體質量、標線間距過小導致實際操作無法實現對每道劃線的沖擊等缺陷。推薦采取圖4的軸向畫線法。不同外徑管材試樣應畫線數根據GB/T 14152—2001中表3確定。

(4)試樣數量。試驗所需試樣數量根據GB/T 14152—2001中表3確定，根據TIR值為10%時的判定表，試樣沖擊總數須≥25次。即：試驗所需試樣數量=沖擊總數/不同外徑管材試樣應畫線數。

2.2 狀態調節

狀態的調節主要包括溫度的調節，一般采取(0±1℃)的水浴和(20±2℃)的空氣浴進行管材溫度的調節，不同管材壁厚狀態調節時間根據GB/T 14152—2001中表4確定。

2.3 確定落錘質量和沖擊高度

GB/T 14152—2001中規定落錘的質量和沖擊高度按照產品標準所需來確定，未明確實際落錘質量和沖擊高度的參考值，建議可參照GB/T 19472.1—2019《埋地用聚乙烯(PE)結構壁管道系統第1部分：聚乙烯雙壁波紋管材》[15]中表8確定(使用地區氣溫-10℃以下)，見表4。

2.4 沖擊試樣

管材外徑DN≤40mm的試樣，僅進行一次沖擊；對于管材外徑DN>40mm的試樣，首先沖擊管材的1號標線，若試樣未破壞，對管材進行時針旋轉，沖擊管材的2號標線，直至試樣破壞或全部標線均被沖擊一次。每個試樣均應進行沖擊。落錘回跳捕捉率應保證100%。

2.5 結果判定

以真實沖擊率(TIR)來判定水利工程塑料管材的沖擊性能，一般要求TIR值小于等于10%，或試樣沖擊的破壞數集中在A區；若根據現有沖擊試樣數不能作出判定，應增加試樣數量繼續進行沖擊，直至可以得出判定結果。

3 結語

(1)水利工程塑料管材耐沖擊韌性常采用落錘沖擊試驗進行檢測，本文嘗試性地識別該試驗的不確定度來源，建立數學模型，并對其不確定度進行評定，為測量結果與測量真值接近程度提供定量數據支撐。

(2)現行規范未明確試樣標線方式，建議采用軸向畫線法，提出了落錘質量和沖擊高度的參照值，對水利工程塑料管材落錘沖擊試驗具有較好的指導意義。

(3)不確定度理論僅用于落錘沖擊試驗，水利工程塑料管材的其他物理力學性能如靜液壓、氧化誘導時間、維卡軟化溫度等均可參照本文理論進行系統分析，在今后的研究中將以此為重點。