GB T 18252-2000 塑料管道系统 用外推法对热塑性塑料管材长期静液压强度的测定.pdf

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1、G/T 18252-2000 前言本标准参考ISO/DJS9080，1997(塑料管道系统用外推法对热塑性塑料材料以管材形式的长期静液压强度的测定制定。本标准的技术内容与ISO/DJS9080，1997一致。本标准改写了引言，对技术要素的编排作了适当变动。本标准的附录A、附录B都是标准的附录。本标准的附录C是提示的附录。本标准由国家轻工业局提出。本标准由全国塑料制品标准化技术委员会归口。本标准负责起草单位=四川大学;参加起草单位z清华大学、山东胜利股份有限公司塑胶分公司、亚大塑料制品有限公司、北京雪花电器集团公司北京市塑料和l品厂。本标准主要起草人:董孝理、孙振华、孙逊、何其志、张守强。本标准

2、委托四川大学负责解释。391 G8/T 18252-2000 11吉塑料材料的力学破坏与温度、载荷大小和受载时间有关。塑料压力管的正确使用考虑到了温度(T)和管内内压介质在管壁内产生的静液压应力()与管材破坏时间的关系。一般说来，T升高或升高，都导致t减少。塑料压力管通常需要有几十年甚至100年的长期使用寿命。本标准用高温下管材在较短时间(仍需1年)的静液压应力破坏试验结果来外推几十年甚至100年使用时间下管材材料抵抗静液压应力的能力。管材的静液压应力破坏试验结果表现出明显的数据离散性。这使T、J间的关系带有统计性质。可以选用合适的统计分布和概率来表述这一特点。本标准选用的统计分布是在同-T、

3、下，1oglot呈正态分布。在此基础上，按以下顺序计算，1.多元线性回归，2对log10t作新观察值预测，同时引入学生氏(1 )分布及预测概率()，3.用loglot新观察值预测公式作反方向运算求得与一定T，t和相应的应力，即静液压强度。这一套计算方法称为标准外推法(standardextrapolation method , SEM)。附录A和附录B对SEM作了规定。附录C给出一个例子(引用自IS0/OIS9080，1997)。SEM建立了T、.t. 四个变量之间的关系。最常见的应用是解决以下两个问题。1.在一定T、民下预测loglOt的预测下限(lowerprediction limi t

4、 ，LPL)。2.与一定T，1和相应的应力，即静液压强度。这实际上是在T、t下，保证loglot是预测概率不低于的预测下限时所应控制的应力上限。通常取=0.975，相应的应力为L且。LPl是管材制品许用应力、许用压力、压力等级和壁厚的设计基础。符号LPI始见于IS0/DIS9080.19970先前的IS0文件中，使用符号叫口来表示同一物理量。从数学t看，LPl的表述是正确的。由于国际贸易的需要，本标准中静液压强度LT陆和LPl的定义按其在ISO/OIS9080，1997中的定义直译给出(见3.7和3.别。392 1 范围中华人民共和国国家标准塑料管道系统用外推法对热塑性塑料管材长期静渡压强度的

5、测定Plastics piping and ducting systems一Determin剧ionof the long-金ermhydrostatic strenglh of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation GB!T 18252-2000 本标准规定了一种用统计外推法估计热塑性塑料管材的长期静液压强度的方法。该方法建立在管材形式的试样的静液压破坏试验数据测定基础上。本标准适用于在其适用温度下的各种热塑性塑料管材材料。2 引用标准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均

6、为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。G!T 6111 1985 长期恒定内压下热塑性塑料管材耐破坏时间的测定方法(eqvIS!DP 1167 , 1978) G/T 8806-1988 塑料管材尺寸测量方法(eqvISO 3126 ,1974) 3 定义和符号3. 1 本标准采用下列定义。3. 1. 1 内压(户)internal pressure 管内介质施加在单位面积上的力.单位:兆帕。3. 1. 2 应力()stress 内压在管壁内单位面积产生的指向环向(周向)的力，单位兆帕。用下列简化公式计算:式中，p内压，MPa;d.m-管的平均外径，m

7、m;enun 管的最小壁厚，mmo3. 1.3 试验温度Tttest temperature 户(dem- emin) 一二ot- tnm 测定应力破坏数据所采用的温度，单位z度。3. 1. 4 最高试验温度Tl，mxmaximum test temperature 测定应力破坏数据所采用的最高温度，单位z度。3.1.5 使用温度T，service temperature 国家质量技术监督局2000-11-21批准. ( 1 ) 2001 - 05 -01实施393 GB/T 18252-2000 预设的管材使用温度.单位度。3. 1.6 破J;j时间tfailure tme 管材发牛渗漏的时

8、间，单位小时。3.1.7 长期静液压强度LTHSlong-term hydrostatic strength 一个与应力有相同量纲的量，单位:兆帕。它表示在温度T和时间t预测的平均强度。3. 1. 8 预测的长期静液压强度的置信下限l凹lower confidence limit of the predicted hydrostatic strength 一个与应力有相同的量纲的量，单位:兆帕。它表示在温度T和时间t预测的静液压强度的97.5%置信F限。它被定义为(见附录A), LPL二(T、人0.975)3. 1. 9 外推时间极限!eextrapolation time limits .

9、( Z ) 商温较短时间试验数据(1年或1年以上)向低温长时间方向外推时允许达到的时间极限，单位z小时。3. 1. 10 外推(时间)因子k.entrapola tion (time )factors 由温度差决定的，与高温试验所得较短破坏时间(1年或1年以上)相乘得到低温下外推时间极限的因子。3. 1. 11 拐点knee 韧性破坏与脆性破坏这两种破坏模式的转折点。在loglO对loglot图上于拐点处斜率变化。3. 2 本标准采用下列符号。3. 2. 1 I THS表示长期静液压强度。3. 2. 2 LPI表示与温度T、时间人预测概率0.975相应的静液压强度。4 试验敏据的获得4. 1

10、试验条件管材的应力破坏数据应按GB/T6111规定的步骤测定。如果遇到与本标准的要求有相冲突之处，成以本标准的要求为准。管内介质是水，管外环境是空气或水。试验期间，内压与给定试验压力的偏离量应控制在给定试验阪力的十Z%-l%范围内。按GB/T6111选择合适的状态调节步骤。在试验期间，管外环境应保持在试验温度的士1C内。试验应使用直管。每个管材试样都应按GB/T8806测定其平均外径和最小壁厚。测试温度为ZOC土ZC。Hl1l:径为25mm-63 mm的管材进行试验。4.2 试验温度在两个或两个以上试验温度T，、T2、得到试验数据。试验温度应满足下列条件:a)每对相临的温度至少应相差10C;b

11、l对无定形聚合物或主要是元定形状态的聚合物，最高试验温度Ttmax不应超过维卡软化温度以下15C。对结晶或部分结晶聚合物，T，.rrutx不应超过熔点以下15C ; c)为r得到【町的最佳估计，试验温度范围应包括使用温度或使用温度范围sd)如果在最低试验温度以下ZOC范围内材料不发生物态变化，最低试验温度下所得数据可以向下外推20C。4.3 内压水平和时间范围的分布4. 3. 1 对每个选定的温度，在至少5个规则分布的内压水平上观察试样的破坏时间，得到至少30个观察值。出于统计分析的需要，要求在一定的应力水平下有多个试验结果，即重复观察值。选择内压水平时.应做到至少有4个观察值在7000 h以

12、上，至少有1个观察值在9000h以上(见5.4)。当拐点存在394 GB/T 18252-2000 时，对两种破坏模式都庇收集到叮供统计分析的足够数量的观察值。4.3.2 任何温度下.破坏时间10h以内的观察值都应舍弃。4. 3. 3 温度小于等于40c时，若破坏时间在1000 h以上的观察值的数量已能符合4.3. 1的要求，可以舍弃破坏时间小于1000 h的观察值。这时，应舍弃所有符合舍弃条件(温度和破坏时间)的观察值。4.3.4 在最低内压水平没有破坏的试样，可以在多元线性回归计算和拐点判断时视为观察值。有则，也可以F以舍弃。注=试验中.用肉眼观察到的因氧化降解破坏所致的破坏数据应予舍弃b

13、因污染所致的破坏数据应于舍弃。5 计算步骤5. 1 讨算方法本方法基于多元线性回归分析，计算细节见附录Ao不论有元拐点，本方法都适用。5. 2 拐点检验一般通过检验试验后的试样来确定其破坏类型(韧性破坏或脆性破坏)。当不能正确判断部分试样甚至全部试样的破坏类型时，应按附录B的步骤来自动检验拐点是否存在。对每个温度的拐点检验都完成后，把数据分成两组，一组属于第一种破坏模式，一组属于第二种破坏模式。使用所有温度下两种破坏模式的观察值，分别按附录A作多元线性回归拟合。5. 3 直观检验将观察到的试验数据以log100为纵坐标，loglot为横坐标作图。根据5.1的计算结果作LTHS的线性回归线和LP

14、L曲线。5.4 计算外推时间极限t.和外推时间因子5. 4. 1 外推时间极限由高温向低温外推，t.由点和最大试验时间trnx相乘得到。A是D.T的函数(见5.4.2)。D.T按式(3)进行计算:D.T T , - T 式中:11 准备进行外推的试验温度，TtTt，ma，C j T 准备算出外推时间极限的温度，TsT , K k ,. ;?-10 2. 5 二三154 二主206 二三2512 二月O18 二月5.,0 :;: 4 0 50 60 100 5, 4, 2.2 对氯乙烯为基础的玻璃态无定形聚合物，活化能取178kJ/mol。计算结果经数据圆整后见表2，表2也适用于连续相是以氯乙烯

15、为基础的聚合物的改性聚氯乙烯材料。表Z对以氯乙烯为基础的聚合物.TC二T，-T)和的关系lT ,K 走，5 2.5 二三105 二三1510 二三2025 二主2550 二?!30100 5.4.2.3 对其他聚合物，可以使用表1，但表1给出的是保守的结果。对某-特定聚合物，如果有试验结果，可以直接计算和使用其外推时间因子。6 试验结果根据试验所得数据，按照附录A的方法计算得到l.PL0一个部分结晶聚合物的计算示例见附录c，7 试验报告试验报告应包括以下资料a)注明采用本标准，b)对样品的全面鉴别，包括制造商、材料种类、代号、来源及其他相关内容;c)用作试验的管材尺寸:d)试验用的管外环境和管

16、内压力介质se)观察值表，对每个观察值包括:试验温度CC).内应CMPa)、应力CMPa)、破坏时间Ch)、试验日期以及其他相关内容;。因破坏时间小于1000 h而舍弃的数据数目，相应温度和破坏时间，gl用于估计LTHS和LPL的模型;h)对每种破坏模式分别列出参数C，的点估计值及其标准差s;i 1I.THS的线性回归线和lJL且曲线及观察到的破坏点的图gj)试验中的任何异常情况。397 GB/T 18252-2000 附录A(标准的附录)LTHS和LPL的计算方法A1 一般模型A 1.1 四参数模型本标准使用的模型一般为式(1)四参数模型:loglot = C1十斗+向阳+h!等主+e式中t

17、破坏时间，hgT 温度.K(C +273.16) , 环应力，MPa;r一参数之-，r一误差变量。e服从正态分布，平均值为o.方差恒定。假设误差独立。A 1.2 三参数模型当参数白不显著(c，=O).上述一般模型简化为三参数模型，即:10 ，、o1 + C. 10&10 OglOt = c1十C.:;. c llJ LJ 2 T -4 T 选用四参数模型还是三参数模型取决于参数白的显著性。A 1. j 二参数模型当只考虑一个温度的情况，囚参数模型简化为二参数模型.&P , loglot = C1十c310gwG+ e A 1.4 计算示例. ( A 1 ) ( A2 ) .( A3 ) 四参数

18、模型的计算如下所述。从模型中除去相应的项可以得到兰参数模型或二参数模型的计算。由于可能发生矩阵病态问题，需要使用计算机双精度运算。使用下列矩阵记号zJ9R logwi Tj log10N TN . ( A4 ) . ( A5 ) .( A6 ) ( A 7 ) GB/T 182522000 式中N观察值总数。式(Al)成为2y二Xc+俨(A8 ) 参数的最小二乘法点估计值为二二(XX)-IXTy. ( A9 ) 残差方差估计值为:S2 = (y - X;)T(y -X)/(N - q) . . .( AI0 ) 式中q是模型中参数的个数，当前情况下q=40符号I表示矩阵的转置运算。，表示求逆矩

19、阵的运算。符号严表示拟合值。在温度T.应力下，破坏时间t的对数loglOt的预测的平均值为loglot1h2+hlOM十二毕. ( All ) 在温度T.应力下，破坏时间t的对数loglot的97.5%预测概率预测下限为: ，.二.loglot = C十c千+句loglOO+弓;12二川1十:rT(XTX)-L，.吉. ( A12 ) 式中t是自由度为N-4的学生氏z分布与0.975概率水平相应的分位数。为避免混淆，本标准中将学生氏r分布表示为t记号z表示向量I lOg。loglo T 作预测的反方向运算，从式(All)解出得到LTHS从式(AI2)解出得到LPL: ll-T 比川=(logl

20、ot -, -2刽/(+斗).( A13) LTHS = lO()o810LT日引( A14 ) 土.; 4a lOLFLP122. ( A 15 ) 山L二1000810I且(A16 ) 式中2I 12 I , 1、= I 3 +马去I-t;, . s I K + 2K，土+K44 2J .3 I 0时，根号前取减号，_土fFE4Y =(JJl22:32K牛=2(Jlh2lo叫斗附(K j.十几2在)y = 1 , +丰loglOl)2中1K十2K?L十Kn主+11 I I Z T bl() J .1 .IJ .21 T .u T2 J t ，1的(1由度为N-3oA3 拐点存在时计算L四s

21、和LPL( 121 ) ( 122 ) ( 1 23 ) ( 1 24 ) 如果两种破坏机理都存在，应将可用的试验数据按其破坏模式分为二组，分别对这两组数掘进行拟 口。如果不能鉴别部分甚至全部数据点的破坏模式，贝u按附录B所述步骤，对每一个温度分别进行拐点的自动检验。按拐点的自动检验法结果将数据分成二组。对每组数据，如果数据的数量及其在温度范围内的分布是合适的(见4.2和4.3) ，按上述一般步骤(见11和12)分别计算出LTHS和四LoB1 原理附录B(标准的附录)拐点的自动检验理想情况是通过检验试验后的试样来确定其破坏类型(韧性破坏或脆性破坏)。如果部分试样甚至全部试样都不能用这种方法来确

22、定其破坏类型时，应按下述步骤用计算的方法分别在每个温度检验拐点是否存在。如果存在拐点，确定拐点位置，并对那些破坏类型不确定的试验点划分其归属的破坏类型。该计算方法偎设，在给定温度和破坏类型，1ogloO和loglot之间关系可用式(13)的二参数线性模型描述。假设破坏类型与静液压应力有关。应力在拐点值以下时，试验点归属为脆性破坏，应力在拐点值以上时，试验点归属为韧性破坏。B2 步骤体现上述原则并考虑到破坏类型的模型为2loglot = c, + c31og1o+白，(logIo一log，o吨)+ e ( Bl ) 式中内是拐点处的应力。印适用于韧性破坏，C32适用于脆性破坏。h二句。上式含有4

23、个参数。计算步骤是z在应力值的试验范围内扫描吨，按模型拟合试验数据，对每次拟合计算残差方差。其中残差方差最小者记为s;，表示扫描叫时所得最佳拟合，相应于最佳4值。使用没有拐点的二参数模型来拟合试验结果，得到残差方差f。用F检验来确定拐点是否存在。原假设为拐点不存在。毛构成近似服从分子自由度为N-2，分母自由度为N-4的F分布的统计量FN-2，N- 0式中N是该温度下试验结果数目检验所用概率(即显著性水平)为5%。若在F分布上与FN-2N斗值相应的概率大于04时)GB/T 18252-2000 反之若川川，-二值相应的概率小于O.05则认为原假设不成立，认为存在拐点。附录C(提示的附录)标准外推

24、法用于部分结晶骤合物应力破坏数据的示例c1 观察值襄观察值见表CL表Cl观察值表温度.C应力，MPa时间.h温度.cc 应力，MPa时间A20 16.0 11 40 11. 5 35 20 15. 0 58 40 11. 8 54 20 15. 0 44 40 11. 5 83 20 11.9 21 40 11. 2 240 20 14. 5 25 40 11.2 282 20 l5 24 40 11. 0 1 912 20 14. 3 46 40 11. 0 1 856 20 14. 1 111 40 11. 0 1 688 20 14.0 201 40 11.0 1 1 H 20 14.0

25、 260 40 10.5 5 686 20 14. 0 201 40 10.5 921 20 13. 9 13 40 10. 5 1 145 20 13c 7 392 40 10. 5 2 445 20 13. 7 440 40 10.0 5448 20 13. 7 512 40 10. 0 3 488 20 13. 7 464 40 10c 0 1 488 20 13. 7 536 40 10c 0 2076 20 13. 6 680 40 9c 5 1 238 20 13. 5 411 40 9c 5 1 790 20 13. 5 412 40 9. 5 2 165 20 13. 5 33

26、68 40 9. 5 7 823 20 13.5 865 40 9.0 4 128 20 13.5 946 40 9. 0 4448 20 13. 5 4 524 40 8. 5 7357 20 13. 4 122 40 8. 5 5 418 20 13. 4 5 137 40 8.0 7233 20 13. 3 1 112 40 8.0 5 959 20 13. 3 2 108 40 8.0 12 081 20 13c2 1 651 40 7c 5 16 920 20 13. 2 1 760 40 7 c 5 12888 20 12. 8 837 40 7. 5 10 578 40 11.

27、1 10 40 6. 5 12 912 10 11. 2 11 40 6. 0 11 606 40 11. 5 20 60 9. 6 10 ,10 11. 5 32 60 9c 5 13 401 GB/T 18252-2000 表Cl(完)温度，应力.MPa时间，h温度，C 应力.MPa时间，h60 9. 5 32 60 7.5 351 60 9.5 34 60 7.0 734 60 9. 5 114 60 7. 0 901 60 9. 5 195 60 7. 0 1 071 60 9. 2 151 60 7. 0 1 513 60 9.。242 60 6. 5 1 042 60 9. 0 4

28、76 60 6. 5 538 60 9.0 205 60 6.0 4 090 60 9.0 153 60 6.0 839 60 9.0 288 60 6.0 800 60 8. 9 191 60 5.5 339 60 8. 5 331 60 5. 5 2 146 60 8. 5 296 60 5. 5 2048 60 8. 5 249 60 5.5 2856 60 8. 5 321 60 5.0 1 997 60 8.5 344 60 5.0 1 647 60 8. 5 423 60 5. 0 1 527 60 8.5 686 60 5. 0 2305 60 8. 5 513 60 5. 0

29、2866 60 8. 5 585 60 4.0 6 345 60 8.5 719 60 3. 5 15 911 60 7.5 423 60 3. 4 6 841 60 7. 5 590 60 3.4 8232 60 7.5 439 60 2.9 15 090 60 7.5 519 C2 自动幢幢拐点示例对下列一组40C的观察值(见表C2)检验拐点.表C2观察值表温度，C 应力，MPa时间，h温度，(;应力，MPa时间，h40 11. 1 10 40 10 1 488 40 1, 2 II 40 10 1 698 40 11. 5 20 40 10 2076 40 11.5 32 40 9. 5

30、 1 238 40 1, 5 35 40 9. 5 1 790 40 10.8 54 40 9. 5 2 165 40 1, 5 83 40 9. 5 7823 40 11. 2 240 40 9 4 128 40 1, 2 282 40 9 4448 40 11 1 912 40 8. 5 7 357 40 II 1 856 40 8.5 5448 40 II 1 688 40 8 7233 40 II 1 114 40 8 5 959 40 10. 5 5 686 40 8 12 081 40 10.5 921 40 7.5 16 920 40 10. 5 1 145 40 7.5 12

31、888 40 10. 5 2445 40 7.5 10 578 40 10 5448 40 6. 5 12 912 40 10 3488 40 6 116幅402 GB/T 18252 2000 假设没有拐点时，用一条直线拟合全部数据点。所得残差方差为O.409 1，自由度36。假设存在拐点时，用扫描冉的方法确定拐点位置。扫描方法是:在logl(的试验范围内，规则地分隔出50个应力值，依次将它们作为冉，拟合试验结果并得到50个残差方差值。其中残差方差最小者为O. 227，自由度为34。与之相应的应力为10.6MPa，时间为1927人统计量F%.34O.4091/0.227二1.8020分子自由

32、度36，分母自由度34的F分布上，与数值1.802 相应的概率，即与统计量F大于1.802的区间相应的概率为O.043 8。由于0.0438 1 1) 0, 000 0, 000 0, 000 403 GB/T 18252-2000 模型适度检验，Pr(F.，.Z.981) =0. 004 破坏类型Bz脆性破坏残差方差，0.048413试验点个数:70参数个数，3自由度:67参数估计结果见表C5，表C5参数估计结果盎数C，点估计值C，标准差参数显著性检验t值C, 一15.7761. 010 c 7 228 , 567 366.272 c, 一1213.652 76.870 模型适度检验，Pr(

33、F川，0.751)=0.753C3.2 预测及其反方向运算破坏类型A计算结果见表C6、表C7、表C8、表C9。表C6L四s计算结果l 10 100 20 16.678 15.458 14.328 40 13.416 12.372 11. 408 60 10.793 9. 901 9.083 表C7LPL计算结果1 10 1口320 15.229 14.183 13. 132 40 12.209 ll, 288 10. 365 60 9.748 8.942 8.140 表C8L四s计算结果时间.8O. 5 1 温度.( 20 12.650 12. 364 40 B B 60 B B 表C9LPL

34、计算结果时间.aO. 5 l 温度.( 20 11. 398 11. 084 40 B B 60 B B .j_ H 15.619 19.736 -15.788 1 000 10000 13.281 12.310 10.519 B B B 1 000 10000 12, 074 11. 024 9.444 B B B 10 B B B 10 B B B p,c 1 1) 0.000 0, 000 0.000 MPa 100 000 H B B MPa 100 000 B B B MPa 50 B B B MPa 50 B B B G/T 18252-2000 破坏类型B计算结果见表C10、表C

35、ll、表C12、表C13。表CIOOLTHS计算结果1 10 100 20 A A A 40 A A A 60 A A A 表CllLPL计算结果1 10 100 20 A A A 40 A A A 60 A A A 表C12LTHS计算结果时间.a。.5 l 温度.C 20 A A 40 8.825 7.380 60 4.224 3.492 表C13LPL计算结果时间.a。.5 1 温度.C 20 A A 40 6.748 5.621 60 3.142 2.575 外推时间极限T ,=40C .tm,=13 160.5 h时的外推时间极限见表C14。表C14外推时间极限T , C 区EL 2

36、0 20 6 T ,=60C .t.=9 698.1 h时的外推时间极限见表C150表C15外按时间极限T.C tJ.T. C k, 20 40 50 40 20 6 MPa 1 000 10000 100 000 A A 8. 661 A 7. 132 3. 937 6.336 3.368 1. 790 MPa 1 0口。10000 100 000 A A 6.550 A 5.427 2. 914 4.772 2.478 1. 261 MPa 10 50 8.942 ;.062 4.074 2. 689 1. 856 1. 193 MPa 10 50 6.770 1. 510 3.022 1

37、. 937 1. 312 O. 811 le h t .a 78963 9. 01 t. h to ,a 484 907 55.35 58189 6.64 405 C3.3 拐点位置拐点位置见表C16，温度.C 20 40 60 2 1 X 100 1 X 10 I 注1 实线表示LTHS的线性回归线。2 虚线表示OLPL的曲线。3 x表示试验温度为20C。1 ，表示试验温度为40C。5 +表示试验温度为60C。GB/T 18252 2000 表Cl6拐点位置应力.MPa1, 92 10. 18 8.70 lXl02 lX 103 1 X 104 图Cl应力破坏数据的回归计算示例,1 ()6 时间.h26664 2 515 315 lX 105 1 X 106 t h