多层塑料复合管——回收料的应用可能 P. Hutař1, J. Poduška1, P. Dlhy2, A. Frank3, J. Kučera4, J. Sadílek4, G. Pinter5, L. Náhlík6 1 Institute of Physics of Materials, Academy of Sciences of the Czech Republic 2 CEITEC BUT, Brno, Czech Republic 3 Polymer Competence Center Leoben, Leoben, Austria 4 Polymer Institute Brno, Brno, Czech Republic 5 Montanuniversität Leoben, Leoben, Austria 6 CEITEC IPM, Institute of Physics of Materials, Brno, Czech Republic
摘要：为了鼓励管材制造商在产品中应用更多的回收料，人们做了很大的努力。本文不仅对回收料应用于非压力管道系统进行了研究，还对其应用于压力管道系统进行了研究，模拟了几种管材结构的裂纹扩展并预测了其使用寿命。研究结果表明，完全使用回收料生产压力管材的可能性不大，但将回收料用在多层管材中是可能的。使用寿命评估结果表明，含一层回收料的多层管材与使用PE100和PE100RC新料生产的同质管材并没有明显差异。 关键词：多层管材；寿命预测；回收料；CRB测试
0 简述 本文研究了在多层聚乙烯压力管道系统中部分应用回收料的可能性，模拟了不同结构管材的裂纹扩展，计算了含回收料的管材使用寿命，并对比了使用新料管材的使用寿命。
1 引言 近年来，在管材中使用回收料已成为塑料管道的重要研究课题。2016年Tony Calton的文章表明，欧洲塑料管材管件协会（TEPPFA）已经承诺，截止到2020年将使用25万吨的回收料[1]。欧洲的发起者计划在不久的将来，强制推进用回收料代替更多的原生料。目前，部分管道回收料已在非管道和非压力管道中应用。根据现行规定，压力管道系统中仍不允许使用回收料。 在多层管道系统中使用回收料，是将回收料应用在压力管道系统中的一条可能途径。共挤的多层管材（内层由回收料制成）的使用耐久性与传统管材无异。 根据裂纹扩展的几种形式，本文采用线性弹性断裂力学方法来评估由纯PE层和回收PE层组成的多层管材的使用寿命。文中描述了通过裂纹圆棒（CRB）试验获得表征材料的裂纹增长率依赖性的材料参数的测试过程。文中简要描述了使用寿命评估模型，有限元模型。研究结果表明，可在多层压力管道系统中的一部分使用回收料。
2 术语命名 
3 管材使用寿命评估方法
目前用于管材分级的静液压测试，操作困难，周期长[2]，因此本文开发了一种比静液压外推测试结果更有效的评价管材使用寿命的评估方法。可用线弹性断裂力学描述管材的慢速裂纹扩展，因为在这种状态下生长的裂缝只有很小的塑性横截面[3-5](这就是这一机理通常被称为脆断机理的原因) 。 应力强度因子能够用来描述裂纹尖端附近的应力分布情况。通常应力强度因子被定义为负载，裂纹几何形状和几何结构的特征函数方程[6]。 
其中σ为外力载荷，a为裂纹长度，Y(a/s)为结构几何的特征函数。 可通过试验测得某一特定塑料管材原料的裂纹扩展速率da/dt，例如CRB测试，并通过各自的KI公式进行划分。在线性关联中形成双对数函数，可以描述为著名的帕里斯-埃尔多安定律的修正形式[6] ： 
其中da/dt为慢速裂纹扩展速率，KI为应力强度因子，A和m是通过试验得到的常数。 通过帕里斯-埃尔多安方程的积分可对某一特定管材的使用寿命评价[7]。对于管材，由试验得到常量A和m，应力强度因子对裂纹长度的准确相关性KI(a)。这一积分只提供了缓慢裂纹扩展的时间的评价tSCG，评价中并不包含裂纹起始时间。tSCG的算法如下： 
其中aini 和 afin为起始和最终裂纹长度。 KI(a)的相关性一般在有限元模拟(FEM)中通过对一系列裂纹的应力强度因子计算得到。管材中，由内压力载荷而形成的半椭圆形裂纹的应力强度因子可通过以下方程计算得出 [7]。 
其中pint为内压力，d为直径，s为管壁厚度，Y(a/s)几何结构函数。 假设PE回收料和新料中的裂纹扩展及破坏机理是相同的，所描述的方法可用于评价PE回收料加工管材的使用寿命。
4 裂纹扩展速率测定 目前，有几种方法用来测定某一聚合物管道材料裂纹增长速率。通常利用缺口试样测定得到SCG(慢裂纹扩展速率)、常量A和m。裂纹圆棒(CRB)试验是测定PE中裂纹扩展速率最有效测试手段之一[8,9]。CRB试验操作中所用的试样为圆柱形样条，样条中段有环形缺口(如图1a所示)。样条受到环形施力载荷，这样的方式可以加速裂纹扩展，同时不会对SCG机理产生改变和影响[9]。因此能够更快更高效地判定裂纹扩展速率。 
图1 CRB试样尺寸（a）和带引伸计的CRB试验装置（b）
为了成功地测定裂纹扩展，需记录测试中裂纹长度。试样的特性决定了不能直接测量出裂纹长度。但可通过安装在环形缺口上的引伸计测量裂纹张开位移，计算得到裂纹长度，如图1b所示。 测试的目的是在静态载荷下获取裂纹扩展速率，即管材的受力形式。环形受力的CRB试样为R＜1的环状受力非对称性提供了结果。R=1时的静态载荷数值需要外推得到。 可通过以上的实验过程测得PE100、PE100RC新料以及PE回收料(见表2)的A和m两项参数。下面的计算中会用到这些数值。 
5 FEM模型 多层管的有限元模型可用来计算在管壁中发展的椭圆形裂纹的应力强度因子。通过积分方程建立应力强度因子与裂纹长度之间关联性，用于评估使用寿命。 文中用作模型的管材的外径为d=90mm，壁厚为s=8.2mm。管壁为三层结构。内层和外层由新料制成(PE100或PE100RC)，假设中间层为PE回收料。各个管层厚度的比例为25/50/25，即内层壁厚si=2.05mm，外层壁厚so=2.05，中间层壁厚sm=4.1mm。 材料模型是线性弹性各向同性的。假设新料和回收料具有相似的杨氏模量和泊松比。 一些裂纹扩展类型可用来计算使用寿命。首先，认为裂纹是在均质管材中发展(类型1#)，管材由PE100，PE100RC或回收PE料制得。其次，认为裂纹在多层管中从新料制得的最内层开始发展(类型2#)。最后，认为裂纹在中间层激发并发展。最后类型(3#)代表裂纹由回收料中缺陷发展(图2)。 假设裂纹只能在回收料层中继续发展，因为新料层对SCG有更大的阻碍。在类型3#中，测试了回收料中间层厚度对裂纹扩展的影响。在类型3#a中，中间纯原料层厚度为4.92mm(占整个壁厚的60%)。在类型3#b中，内层厚度为3.28mm(占整个壁厚的40%)。 在所有情况中，假设裂纹的形状均为椭圆形。对所有管材施加的内压力，为管壁内特定的环向应力σhoop。采用以上过程进行描述，由公式(3)和(4)可得到应力强度因子方程，对于所有类型都适用(除了类型1#，可直接由公式(3)和(4)进行描述)。 
图2 研究裂纹扩展的类型图示 
图3 同质或含有PE回收料中间层的管材的不同裂纹扩展情况的使用寿命评估
6 使用寿命评估结果 可计算得出上述裂纹扩展的类型所涉及的使用寿命tSCG。计算结果见表3和其曲线图见图3。 
此处应强调的是，这里的计算值仍旧是粗略评估，因为结果中并不包括裂纹引发期。裂纹引发期占PE管材整个使用寿命的一半。
7 结果与讨论 本文模拟了含PE回收料的多层管材的裂纹扩展，并计算得到应力强度因子。通过帕里斯-埃尔多安方程的积分评估了某些结构的管材使用寿命。首先，计算不同原料制得的同质管材(类型1)裂纹扩展的使用寿命。计算结果表明，如果压力管材完全由回收料制得，则其性能较差。使用PE回收料所制得管材的计算的使用寿命，明显比用PE100甚至PE100RC短。然而对于类型2的多层管材，裂纹扩展发生在PE新料(PE100RC或者PE100)制得的内层中，表明多层管材系统中回收料的存在并未明显缩短其使用寿命。在这些情况中得到的使用寿命，仅仅比完全用PE100或PE100RC所制得的同质管材略短。回收料的质量非常差，慢裂纹扩展比新料明显加快。因此，本文研究了中间层的裂纹引发(类型3)。这种类型是多层管材中最差的类型。改变中间层的厚度(类型3a和b)对评估的使用寿命的影响并不大。所选用的回收料的性能很差，然而多层设计可以对回收型管材的性能有明显改善。本文计算结果表明，将回收料用做多层压力管材中的一部分，有着巨大潜力。 （翻译：日丰企业集团有限公司 秦小梅 汪磊； 台州市黄岩方胜模塑有限公司 颜桂华； 校对：国家化学建筑材料测试中心（建工测试部） 李岩）
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