聚氨酯保溫管的應力松弛及蠕變分析

楊錕昊 羅維多 蔣 沛

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

隨著工業經濟的高速發展，國內管網高層次技術革新推動聚氨酯保溫管的廣泛應用，實現工業化生產。聚氨酯材料是一種新型高性能高分子聚合物，與傳統材料相比，具有無與倫比的優勢。

聚氨酯材料主要可以細分為硬質泡沫、半軟半硬質泡沫及柔性泡沫，根據選用的配方、原材料和催化劑有所差異。聚氨酯保溫管通常選用堅硬泡沫塑料。聚氨酯材料是以各種固態材料作為基體，具有良好的機械性能，如硬度、強度、耐磨性和抗沖擊性相對于傳統材料優良。聚氨酯保溫管不僅導熱系數低，提高了保溫效果，降低熱損耗，節約能源，而且具有防腐優勢，延長了管網運行壽命。

尺寸穩定性差是聚氨酯高分子材料的一個固有缺陷，在正常環境下也可能會出現蠕變和應力松弛現象，從而直接導致聚氨酯保溫層的結構破壞，在其生產和使用過程中我們需對此進行充分考慮。在恒定的溫度和應力的條件下，隨著時間不斷延長，固體材料的應變會持續增加，這種現象叫蠕變現象。蠕變現象會不斷增加固體材料的塑性變形，并且相應減少彈性變形，在總變形保持不變的條件下，應力會緩慢減弱，這種現象叫應力松弛。蠕變和應力松弛現象普遍存在于聚氨酯保溫管的日常存儲過程中，如若存儲場所環境溫度較高，這種現象尤為明顯。蠕變和應力松弛對聚氨酯保溫層結構進行了破壞，嚴重影響管網的運行壽命。在不影響聚氨酯保溫層材料特性的前提下，進行蠕變和應力松弛研究，對于管網運行壽命及安全性有深遠意義[1]。

1 聚氨酯在保溫管行業中的應用

1.1 聚氨酯材料的基本性質

聚氨酯是一類具有高分子結構化合物共聚體的總稱，由異氰酸酯與羥基化合物（多元醇）作用而成。聚氨酯產品種類繁多，應用最廣泛的為聚氨酯保溫材料類產品，而聚氨酯彈性體類產品應用于生活方方面面，聚氨酯涂料類產品多應用于工業。

聚氨酯材料通過改變原材料的配比，添加不同的催化劑或采用不同的成型工藝，可獲得差異較大的產品。聚氨酯材料按其密度和導熱系數大致可分為三類，即：硬質聚氨酯泡沫、半軟質聚氨酯泡沫和柔性聚氨酯泡沫。聚氨酯保溫管行業中多采用堅硬的彈性聚氨酯泡沫。

1.2 聚氨酯在保溫管行業中的應用

聚氨酯材料作為新型保溫材料，具有隔熱保溫性能優良、強度高、重量輕、成型工藝簡單等優點，在保溫管網行業中顯示出明顯的效益性，廣泛應用。

聚氨酯材料在保溫管道復合體系中發揮出優異的結構性能和承重性能；

聚氨酯泡沫具有良好的保溫性能，節約管線運行成本；

聚氨酯泡沫吸水率低，具備較好的防水性能，運行壽命長久；

聚氨酯泡沫可根據不同管徑及運行環境，調整泡沫密度，實現經濟效益最大化；

聚氨酯泡沫可采用多元化加工方式，加工成本低廉，生產效率高。

2 蠕變的研究

蠕變是使構件失效的主要形式。固體材料隨著其保持的應力和溫度不變，時間不斷推移和延長，應變也不斷地增加，這種現象稱為蠕變。蠕變的持續過程大致可以分為三個階段，第一階段被稱為初始加速蠕變過程，在初始蠕變的持續過程中，應變強度的增加會使蠕變速度持續增加，但蠕變速度隨時間的推移而逐漸減慢；第二階段被稱為穩態加速蠕變過程，此階段應變會勻速增加；第三階段則稱為加速穩態蠕變的持續過程，此階段應變會加速增加，直至構件發生失效[2]。

通過實驗發現，環境溫度、載荷大小及加載時間會直接影響聚氨酯保溫層的蠕變性能。在高溫環境中，材料的蠕變速率明顯加快。施加的載荷逐漸增大，加快蠕變進程，甚至只表現出加速蠕變過程，發生斷裂。

聚氨酯保溫管的工作環境恰恰存在這樣的條件，保溫管長期暴露在土壤中，工作鋼管中輸送的流體具有一定溫度，長期在此環境下運行必會導致保溫層發生蠕變。

3 應力松弛的研究

應力松弛主要是一種由高分子粘彈性特殊而產生的一種物理現象，用外力突然讓其發生特定的變形，維持這個變形過程中所需力量與時間的關系。蠕變現象會不斷增加構件的塑形變形，而構件的總形變始終保持在一定范圍內，相應地會大大減少彈性變形，隨著時間不斷延長，應力緩慢降低，這種現象叫應力松弛。

蠕變是在恒定應力作用情況下，應變緩緩增加的一個過程，應力松弛也可以類比為高、低不同應力作用下的蠕變。通過構造蠕變和應力松弛的轉換模型，既能有效降低轉換時間成本，亦可利用蠕變的實驗模型推導出應力松弛特征參數。

4 聚氨酯保溫管力學性能計算

本文根據聚氨酯材料力學性能的基礎上，采用實驗和理論相結合的方式，對常溫環境中的聚氨酯保溫管進行應力松弛及蠕變分析。在相同溫度、不同應力、不同初始應變下聚氨酯保溫管的應力松弛和蠕變行為，探索其影響因素及變化機理。

選取保溫層筒壁半徑為r的任意一點，以Z軸建立空間坐標軸系（r，θ，Z）。任意截取一段聚氨酯保溫層，如圖1所示，以此微元體作為研究對象。

圖1 聚氨酯保溫層中彈性微元體

微元體主要受三個方向作用力， 以σr表示沿半徑r方向的徑向應力，以σθ表示沿θ方向的周向應力，以σZ表示沿Z方向的軸向應力。相應的，以εr表示徑向應變，以εθ表示周向應變，以εZ表示軸向應變。w表示軸向徑向位移，u表示軸向位移。在不計重力的情況下，微元體的幾何結構和受力載荷基本軸對稱，而且Z軸方向保持不變，保溫層筒體的幾何結構、受力載荷沿Z軸方向基本不變，w只與r有關，u只與Z有關[3]。

微元體的平衡方程為：

幾何方程為：

物理方程為：

其中：E為彈性體彈性模量；

μ為彈性體泊松比。

以聚氨酯保溫管為例，在工作環境中，受外力P0和內力Pi，鋼管直徑為Ri，聚氨酯彈性體半徑為R0，如圖2所示。

圖2 保溫管聚氨酯彈性體示意圖

計算聚氨酯彈性體徑向位移方程為：

當保溫管聚氨酯彈性體所受的外力為特定值時，忽略工作鋼管的徑向形變，可給定其邊界 條件：

在r=Ri處，；

在r=Ro處，。

由此可計算未知量Pi和Ro。

5 聚氨酯保溫管常溫蠕變實驗

通過蠕變實驗考察聚氨酯保溫管隨時間變化獲得的蠕變數據，對其蠕變影響因素及變化機理進行探索，建立聚氨酯保溫管常溫條件下蠕變的模型。

5.1 實驗裝置

設計搭建聚氨酯保溫管常溫蠕變實驗裝置，如圖3所示。實驗裝置由裝置底架、保溫管固定塊、保溫管、砝碼、砝碼支架、千分表支架及千分表組成。聚氨酯保溫管放置在裝置底架，由固定塊固定位置。在保溫層中部放置砝碼支架，下方加裝砝碼，千分表測定聚氨酯保溫層偏移量[4]。

圖3 保溫管聚氨酯管常溫蠕變實驗裝置示意圖

5.2 實驗材料

截取一段φ219聚氨酯保溫管，管段的長度約為800mm。泡沫層厚度75mm，長度為300mm，聚氨酯密度60kg/m3。如圖4所示，保溫管中部B段作為檢驗承壓部分，長度為100mm。本次測試承壓件的兩部分為保溫層段A，長度為100mm。A段與B段之間剪切有兩個5mm貫穿的剪切口，保溫層完全分離，鋼管保持完整，切口垂直于鋼管軸線。

5.3 實驗步驟

（1）首先將試樣聚氨酯保溫管置于溫度為23±2℃環境中，測量聚氨酯保溫層的厚度S；

（2）將試樣的鋼管內部中通入熱流體進行提高溫度，溫度升到140±2℃后仍需保持溫度恒定。環境條件下的溫度維持23±2℃不變，進行蠕變性能 檢測；

（3）采用不同重量的砝碼，對實驗保溫層施加不同徑向力F。砝碼的重量定為1.5±0.01KN。待負載作用力恒定后，記錄千分表數值。

（4）保持試樣鋼管溫度不變，分別在施加徑向力后的100h和1000h的時刻，記錄徑向偏移量ΔS100和ΔS1000。

5.4 數據處理

試樣聚氨酯保溫管蠕變實驗數據如表1所示。

表1 蠕變實驗數據

其中Δε為實驗記錄時間時，試樣的壓縮總應變減去了蠕變，即：

創建雙曲軸對數坐標曲線示意圖，橫向軸坐標表示時間（h），縱向軸坐標表示徑向量的位移（mm）。以測定的ΔS=0為坐標原點，依次將ΔS100和ΔS1000測得值標示在該雙對數坐標圖，連接形成一條直線，如圖5所示。

圖5 試樣保溫層蠕變實驗結果

5.5 壓縮蠕變實驗結果推算

根據不同時間的蠕變位移量，可模擬計算試樣保溫層蠕變公式。因為保溫管蠕變是一個長期的過程，只與時間、載荷和溫度有關，蠕變公式為：

其中：ε為總應變；

ε0為蠕變開始時的應變；

t為蠕變時間；

σ為蠕變的應力水平；

Q為活化能；

R為氣體常數；

T為熱力學溫度；

n、m為材料常數。

在相同的溫度和載荷下，Q、R、T都是常數，公式可簡化為：

其中：

式中的k與蠕變載荷、溫度有關，載荷越大、溫度越高，k值越大。

將公式兩邊取常用對數得到：

將表1中的數據進行最小二乘法線性擬合，得到：

由此得到蠕變公式為：

根據此蠕變公式，可推算保溫管使用3 0年（262800小時）時的徑向位移增量為16.3mm。

6 結語

（1）本文聚氨酯保溫管保溫材料抗蠕變性能測試的試驗方法和實驗裝置參照GB/T 29046《城鎮供熱預制直埋保溫管道技術指標檢測方法》設計；

（2）聚氨酯保溫管保溫層可類比為無限長度的筒體，在工作環境中受到環向的壓力載荷并不相同，徑向壓縮量也不相同。本實驗裝置模擬單一徑向的壓力載荷對聚氨酯保溫層的壓縮位移；

（3）本文所述蠕變實驗及推算結果可用于不同工藝直埋聚氨酯保溫管的性能比較。亦可用于研究運行輸送流體溫度對聚氨酯保溫管的壽命影響。