管道老化实验研究

管道老化实验研究

董永志1冯亮 滕飞3

沈阳骅飞管业有限公司辽宁水利土木工程咨询有限公司辽水水利工程管理（盘锦）有限责任公司

摘要：由于长期使用、地下水和土壤侵蚀的影响，管道发生了老化，表现为管道的性能下降，输水能力下降，甚至发生泄漏。为了提高管道的质量，可以通过模拟实验来研究老化管道的性能变化。随着科学技术的发展，各种新型材料在管道中得到广泛应用。由于其具有耐腐蚀、耐磨损、重量轻、质量小等优点，使其在输水、供水和排水工程中得到广泛应用。但是随着时间的推移，一些老化的管道在使用过程中出现了渗漏、断裂等现象，严重影响了输水质量。因此，为了提高输水工程质量，必须对老化的管道进行老化实验研究。

关键词：管道，老化，实验研究

1实验设计

为了模拟老化，首先将管段材料在实验室中进行预处理，然后分别放置在室内和室外环境中，观察其老化程度。为了获得较好的实验效果，可以将相同型号和规格的管材、管件按照相同的比例进行排列。把预制好的管段材料放在实验装置内，并将其固定在一定位置上。然后将管段材料放在实验台上进行老化试验。其中管段材料的设计尺寸为φ110mm×2mm。在试验过程中要注意观察管道内壁的温度变化情况以及管道内壁的磨损情况。

1.1温度变化

管道内壁的温度变化主要是通过测量管内壁温度来实现。根据理论分析可知，管材的热膨胀系数为2.75×10-6/℃，而管壁内壁温度每升高1℃，管材的质量就会减少0.015kg。因此，通过实验可以得出管材在温度变化下的质量变化情况。在相同条件下，将管内温度升高1℃时，管段材料的质量会减少0.29kg。为了更好地模拟水在管道中流动时产生的热量，实验过程中采用一组水管与管件连接。水管内壁涂上减温剂，并且将管内的水温控制在20℃以下。试验过程中，每隔2小时对管内的水温进行测量。由于管内温度与管壁内壁温度相差较大，因此通过实验可以得出：在相同条件下，管内水温升高1℃时，管段材料质量会减少0.29kg；在相同条件下，管内水温升高2℃时，管段材料质量会减少0.29kg。

1.2磨损情况

管道在运行过程中会发生磨损现象，主要有两种情况：一种是摩擦磨损，另一种是冲蚀磨损。在实验过程中，要对其进行观察，并记录管道内壁的磨损情况。冲蚀磨损主要是由于冲刷而引起的，它是在水流的作用下，管段材料受到水流的冲击而产生的一种破坏现象。这种破坏可以分为三个阶段：1、管段材料与水流剧烈接触时，管道材料受到水流冲击而产生变形；2、当管内压力小于管壁强度时，管内壁发生局部凹陷，管段材料表面的部分凸起；3、当管内压力大于管壁强度时，管段材料被冲走。实验结束后要对管段进行清洗和干燥处理，然后再进行下一次试验。

2实验过程

第一个阶段的目的是模拟管道材料的老化过程，第二个阶段的目的是研究管道老化过程中的性能变化。首先将管道在常温下放置24小时，然后将温度调节到70℃，然后将其放入水中浸泡24小时。最后将PVC管放入低温液氮中进行冷冻24小时，观察老化后的性能变化。

2.1断裂伸长率

在常温下，UPVC管的断裂伸长率为4.28%,PE管为2.05%,PPR管为1.32%,PVC管为0.76%。可以看出UPVC在常温下的断裂伸长率最低，而PE在常温下的断裂伸长率最高。这是因为PE塑料的分子链之间存在较大的空间，分子链之间的作用力较小，所以PE塑料在低温下的力学性能最差。在低温下，管道中的自由水会溶解于塑料中，这样会使得管道内壁产生裂纹。在低温下老化的UPVC管道不能在常温下进行冷冻修复，所以断裂伸长率下降。但是，从整体上来看，PE管道的断裂伸长率依然比UPVC管道要高。这是因为PE管中含有大量的碳氢化合物，而碳氢化合物会导致管道中产生裂纹。

2.2拉伸强度

拉伸强度是衡量管材在拉伸应力作用下的抗破坏能力的主要指标。材料的拉伸强度与其老化程度有关。在一定条件下，随着温度的升高，管材的抗破坏能力越好，其抗老化性能也越好。由于PVC材料本身的化学特性，它在常温下抗老化性能较好。而PE和PPR材料在低温下抗老化性能较差。因此，随着温度升高，PE和PPR管道材料的抗老化性能越差。

2.3硬度

硬度是一个反映管道材料抗疲劳性能的指标。影响管道耐疲劳性能的主要因素有材料的弹性模量和拉伸强度。在常温下，管道的弹性模量相对稳定，而在低温下，管道的弹性模量相对不稳定。当温度低于20℃时，材料的弹性模量相对稳定；当温度高于40℃时，弹性模量相对不稳定。PPR管在常温下的弹性模量为1×106MPa，而在低温下则仅有0.48×106MPa。PPR管在常温下和低温下均处于稳定状态，但PPR管在常温下的弹性模量较小，而在低温下则较大。PPR管的抗疲劳性能优于PVC管和PE管。这是因为PPR管具有较高的抗疲劳强度，能承受一定范围内的多次反复变形而不损坏。

3结果与讨论

通过对老化管道的各种性能进行试验研究，可以得出以下结论：（1）材料的力学性能与老化程度之间存在一定的关系，随着老化程度的加深，管道的力学性能下降，脆性增加。

（2）随着老化程度的加深，管道的力学性能与原材料之间的关系逐渐减弱。

（3）随着老化程度的加深，材料的脆性增大，韧性降低。

（4）在进行管道老化试验时，可以通过改变老化程度来改变材料的性能，从而提高管道工程质量。

通过实验得出以下结论：（1）在进行管道老化试验时，必须对管道进行严格控制。在进行管道老化实验时，可以通过改变试验条件来提高试验结果的可靠性。

（2）对老化程度不同的管道进行比较，可以得出材料性能变化与老化程度之间的关系。

（4）可以通过改变试验条件来提高管道工程质量。如提高环境温度、减少输送介质流速、控制温度等。

4结论

1、随着时间的推移，塑料管道的性能逐渐降低，力学性能显著降低，出现了老化现象，老化后的塑料管道在一定程度上失去了使用价值。在老化过程中，由于塑料管道长期暴露在水中，受到地下水和土壤侵蚀的影响，导致塑料管道的强度和刚度逐渐降低。因此，在使用过程中要注意维护和保养。

2、橡胶、玻璃等材料属于半刚性材料，具有较大的弹性和阻尼，容易受力变形。同时，由于材料本身具有弹性、强度和刚度较小、抗冲击性较强等优点，在使用过程中不容易发生变形或破裂。因此，橡胶、玻璃等材料可以作为管道的填充材料。但橡胶、玻璃等材料因其具有较高的弹性和模量而受到限制。随着时间的推移，这些材料将逐渐失去弹性和刚度。同时由于化学成分发生变化而失去机械性能。

3、塑料管道老化后性能下降主要原因是长期暴露在水中造成的水侵蚀或腐蚀。因此，在使用过程中应采取措施减少水对塑料管道的侵蚀和腐蚀。同时还应注意环境因素对塑料管道老化的影响，如温度、湿度和风速等。

4、金属管道老化后性能下降主要原因是管道内部腐蚀和外部腐蚀引起的内应力所致。此外，由于金属管道的刚度较小且有一定弹性，在使用过程中发生断裂的可能性较小，但由于内部腐蚀严重且有一定应力，在使用过程中应注意防止断裂或破裂。

5、根据老化实验结果来看，塑料管道老化后性能下降主要是由材料内部腐蚀引起的。因此，在使用过程中应注意管道维护和保养；对于金属管道老化后性能下降的问题要采取有效措施加以解决；对于内部腐蚀造成的断裂问题要及时采取措施进行处理；同时还要注意防止外部腐蚀对塑料管道造成损害。

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